一种全角模式下的半球谐振陀螺鲁棒智能控制方法技术

本发明专利技术涉及全角模式下的半球谐振陀螺鲁棒智能控制方法，考虑动态环境下的未知频率裂解和阻尼不均匀缺陷，根据

【技术实现步骤摘要】
一种全角模式下的半球谐振陀螺鲁棒智能控制方法


[0001]本专利技术涉及一种全角模式下的半球谐振陀螺鲁棒智能控制方法，属于智能化仪器仪表

。

技术介绍

[0002]半球谐振陀螺因其高精度
、
高可靠性
、
寿命长
、
抗辐射等特点，已在航天航海领域得到广泛应用
。
全角模式下，半球陀螺具有稳定的标度因数和大动态测量范围，相关研究近年来备受关注
。
然而，在半球谐振结构的加工过程中，由于材料不均匀和加工误差的存在，不可避免地存在频率裂解与阻尼不均匀缺陷
。
且当温度
、
气压等环境因素发生变化时，陀螺谐振子参数随之变化，导致频率裂解及阻尼不均匀也动态变化
。
这使得驻波自由进动下的全角模式半球陀螺控制难上加难
。
[0003]针对存在频率裂解及阻尼不均匀缺陷，已有多种误差抑制技术
。
考虑频率裂解，文献
《
基于超快激光技术的半球谐振陀螺点式修调方法
》(
赵小明，于得川，姜澜，赵丙权，胡洁，
《
中国惯性技术学报
》
，
2019)
采用基于超快激光的点式去重修调方法将其抑制至较小值
。
面向阻尼不均匀，文献
《
全角模式半球谐振陀螺的阻尼误差修调与补偿技术研究
》(
张勇猛，郭锞琛，孙江坤，余升，肖定邦，吴学忠，r/>《
机械工程学报
》
，
2022)
设计了基于电阻热损耗的阻尼修调方法，改善半球陀螺的阻尼均匀性，并提出自适应的阻尼误差补偿方案，对阻尼漂移进行抑制，提高了陀螺测量精度
。
然而上述方法仅能在静态环境下分别实现频率裂解和阻尼不均匀抑制，无法一次性同时实现对两个误差的抑制，且一旦误差随环境动态变化，上述方法难以取得理想效果，因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题
。

技术实现思路

[0004]技术问题：针对动态环境下频率裂解和阻尼不均匀缺陷导致的未知非线性动力学，本专利技术提出全角模式下的半球谐振陀螺鲁棒智能控制策略
。
专利技术中考虑频率裂解和阻尼不均匀缺陷，设计基于切换机制的鲁棒智能控制实现系统鲁棒跟踪；综合考虑跟踪控制精度和能耗，设计性能指标函数，通过实现控制代价最小保证性能最优
。
[0005]技术方案：本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案：一种全角模式下的半球谐振陀螺鲁棒智能控制方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：半球谐振陀螺动力学建模，
[0007]考虑频率裂解和阻尼不均匀缺陷，半球谐振陀螺的动力学模型为
[0008][0009]其中，
[0010][0011]式中：
x
轴为0°
电极轴方向，
y
轴为
45
°
电极轴方向，
θ
τ
和
θ
ω
分别为阻尼主轴和刚度主轴的夹角，
Ω
为输入角速率，
k
为角度增益，当谐振子处于四波腹振荡状态时
n
＝1，
τ1和
τ2分别为阻尼主轴与次轴的阻尼，
ω1和
ω2分别为频率主轴与次轴的频率；由于
τ1≠
τ2，
ω1≠
ω2，存在阻尼不均匀
Δ
(1/
τ
)
和频率裂解缺陷
Δω
，
f
x
和
f
y
为控制电极对谐振子施加的力
。
[0012]根据式
(1)
，半球谐振陀螺谐振子等效质点在
x
轴和
y
轴的振动位移方程为
[0013][0014]式中：
a
为主波波腹，
q
为正交波波腹，
φ
为主波的相位变量，
ω
为半球振动的角频率，
θ
为主波波腹轴与0°
电极轴
(x
轴
)
的夹角，
t
为时间
。
[0015]选取与谐振子谐振频率相同的参考信号
V
s
与
V
c
：
[0016][0017]式中：
A
为参考信号的幅值，
φ
r
为参考信号的初始相位
。
[0018]利用参考信号
V
s
与
V
c
对
x
轴和
y
轴的信号进行乘法解调，得到
C
x
、C
y
、S
x
与
S
y
。
全角模式下的控制变量
E、Q、R、S、L
为
[0019][0020]其中，
δφ
＝
φ
‑
φ
r
。
[0021]根据
Lynch
的随机平均法理论，振幅
、
正交
、
速率
、
频相控制变量的动态方程分别为
[0022][0023]式中：在全角模式下，
f
as
为待设计的振幅控制器；
f
qc
为待设计的正交控制器；谐振子自由进动，故将导致角速率测量出现
偏置；
f
ac
用来实现对谐振信号频率的跟踪；用来实现对谐振信号频率的跟踪；
G
c
和分别为0°
驱动电路的增益和相移，
G
s
和分别为
45
°
驱动电路的增益和相移
。
[0024]在实际系统中阻尼不均匀
Δ
(1/
τ
)
和频率裂解缺陷
Δω
难以精确测量，故振幅与正交控制变量的动态方程
(5)
可重新写为
[0025][0026]式中：和为未知非线性函数，假设存在非负函数和使得和
[0027]采用神经网络逼近
f
E
和
f
Q
，有：
[0028][0029]式中：和为
j
维最优权值向量，为
j
维基函数向量，
ε
E
和
ε
Q
为神经网络逼近误差
。
[0030]定义跟踪误差为
[0031][0032]式中：
E
d
和...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种全角模式下的半球谐振陀螺鲁棒智能控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：对工作在全角模式下的半球谐振陀螺建立存在阻尼不均匀和频率裂解缺陷的振幅
、
正交控制模型；步骤2：对振幅
、
正交控制回路，设计切换机制协调面向未知动力学的智能学习和保证系统稳定的鲁棒控制，实现陀螺鲁棒跟踪控制；结合自适应动态规划理论设计最优控制器，保证陀螺鲁棒控制最优；步骤3：对速度控制回路，设计角速率测量方案；对频相控制回路，设计
PI
控制实现频率跟踪
。2.
根据权利要求1所述的全角模式下的半球谐振陀螺鲁棒智能控制方法，其特征在于：步骤1中根据
Lynch
的随机平均法理论，考虑阻尼不均匀
Δ
(1/
τ
)
和频率裂解缺陷建立的振幅
E、
正交
Q
控制模型为：其中，
θ
为主波波腹轴与0°
电极轴的夹角，
θ
τ
和
θ
ω
分别为阻尼主轴和刚度主轴的夹角，
τ1和
τ2分别为阻尼主轴与次轴的阻尼，
ω1和
ω2分别为主轴与次轴的频率，
f
as
和
f
qc
为待设计的振幅与正交控制器；在实际系统中阻尼不均匀
Δ
(1/
τ
)
和频率裂解缺陷
Δω
难以精确测量，方程
(1)
重新写为式中：假设存在非负函数和使得未知非线性函数和满足和且
3.
根据权利要求1所述的全角模式下的半球谐振陀螺鲁棒智能控制设计方法，其特征在于，步骤2中陀螺振幅
、
正交控制回路鲁棒智能控制器设计，具体如下：设计控制器为式中：
f
ER
和
f
QR
为鲁棒智能控制部分，采用切换机制协调智能控制和鲁棒控制实现鲁棒控制；
f
EADP
和
f
QADP
为基于自适应动态规划的最优控制部分，用于保证控制最优，鲁棒智能控制部分设计为
式中：
E
d
和
Q
d
分别为振幅和正交控制回路的参考信号，
e
E
＝
E
‑
E
d
和
e
Q
＝
Q
‑
Q
d
分别为振幅和正交控制回路的跟踪误差，
α
E
和
α
Q
为切换函数，
u
Ea
和
u
Qa
为基于复合学习的智能控制部分，
u
Er
和
u
Qr
为鲁棒控制部分，
k
E
和
k
Q
为待设计正常数，其中，切换函数设计为式中：
l
EL
和
l
EU
分别为智能控制
u
Ea
工作区域内
e
E
的最小值和最大值，
l
QL
和
l
QU
分别为智能控制
u
Qa
工作区域内的最小值和最大值，
b
E
、b
Q
、
和为待设计正常数，控制器
(4)
中，采用神经网络逼近
f
E
和
f
Q
，智能控制
u
Ea
和
u
Qa
设计为式中：和分别为
f...

【专利技术属性】
技术研发人员：张睿，李世华，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：