طراحی کنترل‌کننده برای یک ژیروسکوپ ارتعاشی میکروالکترومکانیکی با روش مد لغزشی نهایی تطبیقی

نوع مقاله: گرایش دینامیک،ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

1 دانشکده برق دانشگاه هوایی شهید ستاری

2 دانشگاه هوایی شهید ستاری

چکیده

در این مقاله، کنترل مد لغزشی ترمینال تطبیقی برای سامانه ژیروسکوپ ارتعاشی میکروالکترومکانیکی (MEMS) ارائه می­شود. برای این­ کار در ابتدا با استفاده از روش دینامیک وارون، دینامیک­های معلوم سامانه ژیروسکوپ ارتعاشی حذف می­شوند تا کران عدم­ قطعیت­های موجود کاهش یابد. سپس با طراحی بردار کنترل مد لغزشی ترمینال، سامانه حلقه بسته با حضور عدم­ قطعیت­های موجود، دارای پایداری مجانبی سراسری می­گردد. در این مقاله برای جلوگیری از بروز مشکل لرزش در ورودی کنترل، تخمین­گر تطبیقی ارائه می­شود که تنها دارای یک قانون تطبیقی است. اثبات ریاضی نشان می­دهد که سامانه حلقه بسته با کنترل­کننده­ مد لغزشی ترمینال تطبیقی پیشنهادی و در حضور عدم­ قطعیت­های موجود، دارای پایداری مجانبی زمان محدود سراسری است. برای نمایش عملکرد کنترل­کننده­ پیشنهادی و مقایسه­ آن با   کنترل­کننده­های مشابه، شبیه­سازی­هایی در چهار مرحله بر روی سامانه ژیروسکوپ ارتعاشی میکروالکترومکانیکی پیاده­سازی می­شود. نتایج شبیه­سازی­ها، عملکرد مطلوب کنترل مد لغزشی ترمینال تطبیقی را نشان می­دهند.

کلیدواژه‌ها


  1. Barbour N. and Schmidt G.  “Inertial Sensor Technology Trends”, IEEE Sensors Journal, Vol. 1, No. 4, pp. 332-339, 2001.##
  2. Acar C. and Shkel A. “Four Degrees-of-Freedom Micromachined Gyroscope”, University of California, Irvine, 2001.##
  3. Acar C. and Shkel A. “MEMS Vibratory Gyroscopes: Structural Approaches to Improve Robustness”, Springer Science & Business Media, 2008.##
  4. Painter, C.C. and Shkel, A.M.  “Active Structural Error Suppression in MEMS Vibratory Rate Integrating Gyroscopes”, IEEE Sensors Journal, Vol. 3, No. 5, pp. 595-606, 2003.##
  5. Fei, J. and Zhou, J.  “Robust Adaptive Control of MEMS Triaxial Gyroscope Using Fuzzy Compensator”, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B (Cybernetics), Vol. 42, No. 6, pp. 1599-1607, 2012.##
  6. Leland, R.P.  “Adaptive control of a MEMS gyroscope using Lyapunov methods”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 14, No. 2, pp. 278-283, 2006.##
  7. Song, Z., Li, H., and Sun, K.  “Adaptive Dynamic Surface Control for MEMS Triaxial Gyroscope with Nonlinear Inputs”, Nonlinear Dynamics, Vol. 78, No. 1, pp. 173-182, 2014.##
  8. Zareh, M. and Soheili, S.  “A Modified Model Reference Adaptive Control with Application to MEMS Gyroscope”, Journal of Mechanical Science and technology, Vol. 25, No. 8, p.2061, 2011.##
  9. Zheng, Q., Dong, L., Lee, D. H., and Gao, Z. “Active Disturbance Rejection Control for MEMS Gyroscopes”, in American Control Conference, 2008, 2008, pp. 4425-4430: IEEE.##
  10. Fang, Y., Fei, J., Yang, Y., and Hua, M. “Adaptive Control of MEMS gyroscope Using Backstepping Approach”, in Control, Automation and Systems (ICCAS), 2014 14th International Conference on, 2014, pp. 361-366: IEEE.##
  11. Lu, C. and Fei, J. “Backstepping control of MEMS gyroscope using adaptive neural observer”, International Journal of Machine Learning and Cybernetics, Vol. 8, No. 6, pp. 1863-1873, 2017.##
  12. Utkin, V.I. “Sliding Modes in Control and Optimization”, Springer Science & Business Media, 2013.##
  13. Utkin, V. “Variable Structure Systems with Sliding Modes”, IEEE Transactions on Automatic control, Vol. 22, No. 2, pp. 212-222, 1977.##
  14. Khooban, M.H. and Soltanpour, M.R.  “Swarm Optimization Tuned Fuzzy Sliding Mode Control Design for a Class of Nonlinear Systems in Presence of Uncertainties”, Journal of Intelligent & Fuzzy Systems, Vol. 24, No. 2, pp. 383-394, 2013.##
  15. Soltanpour, M.R., Zolfaghari, B., Soltani, M., and Khooban, M.H. “Fuzzy Sliding Mode Control Design for a Class of Nonlinear Systems with Structured and Unstructured Uncertainties”, International Journal of Innovative Computing, Information and Control, Vol. 9, No. 7, pp. 2713-2726, 2013.##
  16. Soltanpour, M.R., Khooban, M.H. and Soltani, M. “Robust Fuzzy Sliding Mode Control for Tracking the Robot Manipulator in Joint Space and in Presence of Uncertainties”, Robotica, Vol. 32, No. 3, pp. 433-446, 2014.##
  17. Veysi, M. and Soltanpour, M.R. “Voltage-base Control of Robot Manipulator Using Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control”, International Journal of Fuzzy Systems, Vol. 19, No. 5, pp. 1430-1443, 2017.##
  18. Fei, J. and Yuan, Z. “Dynamic Sliding Mode Control of MEMS Gyroscope”, in Control Applications (CCA), 2013 IEEE International Conference on, 2013, pp. 437-442: IEEE.##
  19. Batur, C., Sreeramreddy, T. and Khasawneh Q.  “Sliding Mode Control of a Simulated MEMS Gyroscope”, ISA Transactions, Vol. 45, No. 1, pp. 99-108, 2006.##
  20. Kuo, C.-L., Yau, H.-T., Lin, C.-H. and Tsui, C.-K. “Fuzzy Sliding Mode Control for a Gyroscope System”, in Mechatronics and Automation (ICMA), 2012 International Conference on, 2012, pp. 133-137 IEEE.##
  21. Ren, J., Zhang, R., and Xu, B.  “Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control of MEMS Gyroscope with Finite Time Convergence”, Journal of Sensors, Vol. 2016, 2016.##
  22. Liang, X., Fei, J., and Xue, Y. “Adaptive Fuzzy Control of MEMS gyroscope Using Global Fast Terminal Sliding Mode Approach”, in Control and Robotics Engineering (ICCRE), 2017 2nd International Conference on, 2017, pp. 109-112: IEEE.##
  23. Fei, J. and Chowdhury, F. “Robust Adaptive Sliding Mode Controller for Triaxial Gyroscope”, in Decision and Control, 2009 held jointly with the 2009 28th Chinese Control Conference. CDC/CCC 2009. Proceedings of the 48th IEEE Conference on, 2009, pp. 5574-5579: IEEE.##
  24. Fei, J. “Robust Adaptive Vibration Tracking Control for a Micro-Electro-Mechanical Systems Vibratory Gyroscope with Bound Estimation”, IET Control Theory & Applications, Vol. 4, No. 6, pp. 1019-1026, 2010.##
  25. Wang, S. and Fei, J.  “Robust Adaptive Sliding Mode Control of MEMS Gyroscope Using T–S Fuzzy Model”, Nonlinear Dynamics, Vol. 77, No. 1-2, pp. 361-371, 2014.##
  26. Chu, Y. and Fei, J.  “Adaptive Global Sliding Mode Control for MEMS Gyroscope Using RBF Neural Network”, Mathematical Problems in Engineering, Vol. 2015, 2015.##
  27. Khalil, H.K.  “Noninear Systems”, Prentice-Hall, New Jersey, Vol. 2, No. 5, pp. 5-1, 1996.##
  28. Janardhanan, B. and Spurgeon, S. “Advances in Sliding Mode Control: Concept, Theory and Implementation”, ed: New York: Springer, 2013.##