微陀螺仪的自适应反演控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种微陀螺仪的自适应反演控制系统及方法，所述控制系统包括参考轨迹模块，中间信号生成模块，自适应反演控制器，参数自适应机制模块，角速度估计模块，以及具有未知参数的微陀螺仪系统。本发明的控制系统控制微陀螺仪的两轴振动轨迹跟踪上给定的参考轨迹，同时估计出微陀螺仪的未知参数，包括外界的输入角速率，控制律及参数的自适应算法基于Lyapunov稳定性理论设计，保证了控制系统的全局稳定性和跟踪误差的渐近收敛性，控制律中还加入了抗干扰的鲁棒项，提高了系统的抗干扰能力，本发明为微陀螺仪应用范围的扩展提供了良好基础。

主权项

基于微陀螺仪的自适应反演控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤，1)建立微陀螺仪的自适应反演控制系统，包括：参考轨迹模块(101)，用于输出微陀螺仪两轴振动的参考轨迹，包括位置、速度及加速度信号；中间信号生成模块(102)，用于接收参考轨迹及微陀螺仪系统的输出，并产生自适应反演控制器设计过程中的中间信号输出；自适应反演控制器(103)，用于接收中间信号，并产生自适应反演控制器输出；参数自适应机制模块(104)，用于接收中间信号，并产生自适应反演控制器参数更新算法；角速度估计模块(105)，用于接收参数自适应机制模块的输出信号，并产生外界角速度估计值输出；微陀螺仪系统(106)，被控对象的数学模型，考虑了机械噪声的影响，接收自适应反演控制器输出信号，输出微陀螺仪振动部件的位置和速度信息；2)基于反演设计方法，建立微陀螺仪的无量纲动力学模型；具体为：2‑1)考虑机械噪声的存在，两轴微陀螺仪的动力学方程的无量纲向量形式为：式中，为微陀螺仪的振动轨迹，微陀螺仪的控制输入，x,y分别表示微陀螺仪的质量块在振动两轴的位置；d_xx,d_xy,d_yy为微陀螺仪的内部阻尼系数；k_xx,k_xy,k_yy为微陀螺仪的内部弹力系数；Ω_z是微陀螺仪的输入角速率；d_x,d_y表示微陀螺仪系统的内部机械噪声；2‑2)根据反演设计技术，将微陀螺仪的动力学方程的无量纲向量形式式(2)变换为如下形式，式中，3)设计自适应反演控制器；具体为：3‑1)中间生成信号模块(102)，接收参考轨迹模块(101)输出的参考轨迹的位置信号Y_d，速度信号加速度信号与微陀螺仪系统(107)的位置q和速度输出信号，生成自适应反演控制器设计过程中的中间信号e₁,α₁,e₂,所述中间信号设计为：跟踪误差e₁，e₁＝q‑Y_d虚拟控制量α₁，其中c₁表示任意对称正定矩阵偏差e₂，e₂＝X₂‑α₁3‑2)自适应反演控制器(103)接收中间信号e₁,α₁,e₂,产生微陀螺仪的控制信号u，控制信号设计为，式中，c₂为任意对称正定矩阵；分别为微陀螺仪动力学模型式(4)中三个参数D,K,Ω的估计值，ρ为微陀螺仪系统的内部机械噪声的上界，sgn(·)表示符号函数4)设计参数自适应算法；具体为：基于Lyapunov稳定性理论设计参数自适应机制模块(104)，使其输出自适应反演控制器参数的更新算法，Lyapunov函数V选为：式中，γ_D,γ_K,γ_Ω为自适应增益，tr(·)表示矩阵的迹，表示参数估计误差；的自适应算法分别为：根据参数自适应机制模块(104)的输出，在线实时更新；5)角速度估计模块(105)基于所述步骤4)的自适应算法计算输入角速率的实时估计值，输入角速率Ω_z的实时估计值为式中，表示Ω_z的估计初值，分别表示矩阵的第一行二列和第二行一列的元素。