An Adaptive Fuzzy Control Approach for the Robust ... - IntechOpen

2 downloads 0 Views 1MB Size Report
Juntao Fei, Wanru Juan and Tianhua Li: An Adaptive Fuzzy Control Approach for the Robust Tracking of a MEMS Gyroscope Sensor www.intechweb.org.
ARTICLE International Journal of Advanced Robotic Systems

An Adaptive Fuzzy Control Approach for the Robust Tracking of a MEMS Gyroscope Sensor Regular Paper

Juntao Fei, Wanru Juan and Tianhua Li   Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission and Distribution Equipment Technology College of Computer and Information, Hohai University, P. R. China   *Corresponding author e-mail: [email protected]   Received 20 Oct 2011; Accepted 19 Dec 2011 © 2011 Fei et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract  In  this  paper,  a  direct  adaptive  fuzzy  control  using  a  supervisory  compensator  is  designed  for  the  robust  tracking  of  a  MEMS  gyroscope  sensor.  The  parameters  of  the  membership  functions  are  adjusted  according to the designed adaptive law for the purpose of  tracking a reference trajectory. A fuzzy controller that can  approximate  the  unknown  nonlinear  function  and  compensate  the  system’s  nonlinearities  is  incorporated  into  the  adaptive  control  scheme  in  the  Lyapunov  framework.  A  supervisory  compensator  is  adopted  to  guarantee  the  stability  of  the  closed  loop  system.  Numerical  simulations  for  a  MEMS  angular  velocity  sensor are investigated in order to verify the effectiveness  of the proposed adaptive fuzzy control scheme and show  that the system using the designed fuzzy controller with a  supervisory compensator has better tracking performance  and  robustness  than  that  using  only  a  fuzzy  control  without  a  supervisory  compensator  in  the  presence  of  external disturbances.     Keywords adaptive fuzzy control; supervisory compensator;  approximation error. 

1. Introduction    Gyroscopes  are  commonly  used  sensors  for  measuring  angular  velocity  in  many  areas  of  application,  such  as  navigation,  homing  and  control  stabilisation.  The  performance of the MEMS gyroscope often deteriorates due  to  the  effects  of  time‐varying  parameters  as  well  as  noise  sources, such as mechanical and circuitry noise, quadrature  errors, parameter variations and external disturbances.     It  is  necessary  to  use  an  advanced  control,  such  as  adaptive  control  or  intelligent  control,  to  control  MEMS  gyroscopes  and  in  the  last  few  years,  various  control  approaches  have  been  developed.  Increasing  attention  has  been  given  to  the  tracking  control  of  MEMS  gyroscopes.  Leland  [1]  derived  two  adaptive  controllers  for  a  vibrational  MEMS  gyroscope  which  tune  the  drive  axis’  natural  frequency  and  the  sense  axis’  vibration  to  zero  by  a  force‐to‐rebalance  operation.  Batur  et  al.  [2]  developed a sliding mode control for a MEMS gyroscope.  Sun et al. [3] derived a phase‐domain design approach in  order  to  study  the  mode‐matched  control  of  gyroscopes.  Antonello et al. [4] used an extremum‐seeking control to 

www.intechweb.org

J Adv Robotic Sy, 2011,Fuzzy Vol. Control 8, No. 5,Approach 125-133 Juntao Fei, Wanru Juan andIntTianhua Li: An Adaptive for the Robust Tracking of a MEMS Gyroscope Sensor

 

125

automatically  match  the  vibration  mode  in  MEMS  vibrating gyroscopes. Park et al. [5] presented an adaptive  controller for a MEMS gyroscope which drives both of the  axes of vibration and controls the entire operation of the  gyroscope.  Some  adaptive  sliding  mode  controllers  have  been developed to control MEMS gyroscopes [6‐7].     System  nonlinearities  are  inevitable  in  actual  engineering  and  they  require  the  controller  to  be  either  adaptive  or  robust.  Intelligent  control  approaches  such  as  neural  networks  and  fuzzy  control  do  not  require  mathematical  models  and  have  the  ability  to  approximate  nonlinear  systems.  Neural  network  technologies  have  been  applied  to  nonlinear  control  systems  [8‐9].  Wang  [10]  proposed  a  universal  approximation  theorem  and  demonstrated  that  an  arbitrary  function  of  a  certain  set  of  functions  can  be  approximated  with  arbitrary  accuracy  using  a  fuzzy  system  over  a  compact  domain.  Therefore  a  fuzzy  logic  system  for  approximating  arbitrary  nonlinear  functions  makes  it  a  useful  tool  for  adaptive  applications.  The  key  idea  behind  adaptive  fuzzy  logic  systems  is  that  a  wide  class of nonlinear systems can be approximated to arbitrary  closeness  by  them.  An  adaptive  fuzzy  sliding  mode  controller combines the merits of a sliding mode control, a  fuzzy  inference  mechanism  and  an  adaptive  algorithm.  Guo  et  al.  [11]  proposed  an  adaptive  fuzzy  sliding  mode  controller for a robot manipulator. Tong et al. [12] designed  a fuzzy indirect and direct adaptive control for a nonlinear  system. Yoo et  al. [13] developed adaptive controller  for a  robot  manipulator  using  a  fuzzy  compensator.  Wai  et  al.  [14]  presented  an  adaptive  fuzzy  neural  network  control  design  via  a  T–S  fuzzy  model  for  a  robot  manipulator  which  included  actuator  dynamics.  Wai  et  al.  [15]  investigated  an  adaptive  sliding  mode  control  system  for  an  indirect  field‐oriented  induction  motor  drive  so  as  to  track  periodic  commands.  Lee  [16]  proposed  a  robust  adaptive  fuzzy  control  by  back‐stepping  for  a  class  of  MIMO  nonlinear  systems.  Islam  et  al.  [17]  used  a  robust  adaptive  fuzzy  output  feedback  control  system  for  robot  manipulators.  Zhou  et  al.  [18]  developed  an  adaptive  output‐feedback  fuzzy  tracking  control  for  a  class  of  nonlinear  systems.  However,  the  application  of  fuzzy  control to MEMS gyroscopes has never been performed in  the  literature  and,  therefore,  it  is  necessary  to  adopt  an  adaptive fuzzy control that can adjust the parameter vector  of the member functions on‐line using an adaptive law for  the vibration control of MEMS gyroscopes.    This paper focuses on the design of a direct adaptive fuzzy  control  for  a  MEMS  gyroscope  using  a  supervisory  compensator.  A  direct  adaptive  fuzzy  controller  use  fuzzy  logic systems as controllers; therefore linguistic fuzzy control  rules  can  be  directly  incorporated  into  the  controller.  The  contribution  of  this  paper  lies  is  the  integration  of  an  adaptive  control,  a  nonlinear  approximation  of  a  fuzzy  control  and  a  supervisory  compensator.  The  study  of  the 

126 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 125-133

 

adaptive  fuzzy  controller  is  conducted  on  a  MEMS  gyroscope  and  it  is  applied  to  control  the  gyroscope  and  guarantee that the closed loop system is globally stable and  tracking errors are as small as possible. In order to guarantee  the robustness of the adaptive fuzzy controller, a supervisory  compensator is incorporated into the adaptive fuzzy control  scheme in the Lyapunov framework.     This paper is organised as follows. In section 2, the dynamics  of  the  MEMS  gyroscope  are  introduced  and  a  non‐ dimensional procedure is described. In section 3, an adaptive  fuzzy  control  is  derived  and  Lyapunov  analysis  is  implemented  to  guarantee  the  asymptotic  stability  of  the  closed‐loop  system.  Simulation  results  are  presented  in  section 4 to verify the effectiveness of the proposed adaptive  fuzzy control. Conclusions are provided in section 5.     2. Dynamics of the Mems gyroscope    The dynamics of the MEMS gyroscope are described in Fig.  1. A typical MEMS gyroscope configuration includes a proof  mass  suspended  by  spring  beams,  electrostatic  actuations  and  sensing  mechanisms  for  forcing  an  oscillatory  motion  and sensing  the  position  and  velocity of the  proof  mass,  as  well as a rigid frame which is rotated along the rotation axis.  The  dynamics  of  a  MEMS  gyroscope  are  derived  by  Newton’s Law in the rotating frame.   

y k xx

z

k yy

d yy

k xx

m

Proof Mass

d xx

d xx k yy

x

d yy

  Figure 1. Simplified model of a z‐axis MEMS gyroscope.   

In a z‐axis gyroscope, by supposing the stiffness of spring  in direction z to be much larger than that in directions x,  y, the motion of the poof mass is constrained to just along  the x‐y plane. Assume that the measured angular velocity  is  almost  constant  over  a  long  enough  time  interval.  Considering  fabrication  imperfections  which  cause  extra  coupling  between  the  x  and  y  axes,  and  ignoring  centrifugal  forces,  the  governing  equation  for  a  z‐axis  MEMS gyroscope is simplified as:   

mx  d xx x  d xy y  k xx x  k xy y  u x  2m z y my  d xy x  d yy y  k xy x  k yy y  u y  2m z x

    (1) 

www.intechweb.org

where x and y are the coordinates of the proof mass with  respect  to  the  gyro  frame  in  a  Cartesian  coordinate  system.  In  equation  (1)  d xx and  d yy   are  damping  coefficients;  k xx and  k yy   are  spring  coefficients;  d xy and 

k xy , quadrature errors, all of which are coupled damping  and  spring  terms,  respectively,  mainly  due  to  the  asymmetries  in  suspension  structure  and  the  misalignment  of  sensors  and  actuators.  The  coupled  spring  and  damping  terms  are  unknown,  but  can  be  assumed  to  be  small.  The  nominal  values  of  the  x  and  y  axes’ spring and damping terms are known, but there are  small  unknown  variations.  The  proof  mass  can  be  determined accurately.   

3. Adaptive Fuzzy Controller Design    Fuzzy  control  is  very  robust  and  capable  of  handling  nonlinear  systems,  providing  a  methodology  for  representing, manipulating and implementing a human’s  heuristic  knowledge  about  how  to  control  a  system.  A  fuzzy  controller  is  composed  of  the  following  four  elements:  fuzzier,  some  fuzzy  IF‐THEN  rules,  a  fuzzy  inference  engine  and  a  defuzzifier.  The  fuzzy  inference  engine  uses  the  fuzzy  IF‐THEN  rules  to  perform  a  mapping  from  an  input  linguistic  vector 

x   x1 , x2 ,  , xn   R n   to  an  output  variable  T

y  R . The i‐th fuzzy rule can be expressed as:  

 

R i : If  xi  is  A1i  and … x n  is  Ani  ,then  y  is  y i      (5) 

2

Dividing both sides of equation (1) by  m , q0 , w0 , which  are a reference proof mass of a gyroscope, the length and  natural resonance frequency respectively, yields the non‐ dimensional motion equation as:    2

 x  d xx x  d xy y  wx x  wxy y  ux  2 z y  y  d xy x  d yy y  wxy x  wy 2 y  u y  2 z x     (2)    where 

mw0

2

where 

A

,…,

i n 

A

y

are  fuzzy  variables  and 

i

 

is  a 

singleton number.     The output of the fuzzy system can be expressed using a  centre‐average  defuzzifier,  product  inference  and  a  singleton fuzzifier:  

 n  i    i x j  y  A   j i 1  j 1    T ( x ) y( x )  uc x    (6)  r  n     Ai x j     j i 1  j 1      where   Ai x j    is  the  membership  function  value  of  the  r

d d d xx   d xx , xy  d xy , yy  d yxy z   z ,  mw0 w0 mw0 mw0

k xx

  i 1

 wx

k yy mw0

2

k xy

 wy

mw0

2

 wxy

 ,   ,  .    The vector form of the MEMS gyroscope dynamic model  can be written as:    q  Dq  K b q  u  2q                 (3) 

 0 z  ux  x where  q    ,  u    ,      ,  z 0  y uy  d xx D d xy

wx d xy  ,  K b    d yy   w xy

2

w xy  2 w y 

 

j

x j ,  r   is  the  number  of  fuzzy  rules  and 

fuzzy  variable 

   y , y ,  , y r  is an adaptive parameter vector.   T

1

2

 x  1 ( x ),  2 ( x ),  ,  M ( x )T  

is  fuzzy 

basis function vector and   n

 x  

  x  j 1

i

Aij

j

 n     Ai x j   j j 1  i 1  n

  is  i‐th  column  vector  of 

.

fuzzy basis function vector.                     If  D , K b  and   are unknown, (3) can be rewritten as:  Control objective:     i.  The  control  target  for  the  MEMS  gyroscope  is  to    f ( q,q )  u                              (4)                                                                                q maintain  the  proof  mass  so  as  to  oscillate  in  the  x   and      y   directions  at  a  given  frequency  and  amplitude:  where  f ( q,q )   is  an  unknown  dynamic  function  xm  A1 sin(1t), ym  A2 sin(2t ).   f ( q,q )  ( D  2 )q  K b q . Fuzzy control will be    ii.  The  closed  loop  system  must  be  globally  stable  in  the  investigated  in  order  to  approximate  the  unknown  sense that all variables  x( t ), ( t ) and  uc x   must be  function in the next section. 

   

www.intechweb.org

 

 

uniformly stable. The tracking error should be as small as  possible. 

Juntao Fei, Wanru Juan and Tianhua Li: An Adaptive Fuzzy Control Approach for the Robust Tracking of a MEMS Gyroscope Sensor

127

The procedure of the proposed adaptive fuzzy control as  applied  to  the  MEMS  gyroscope  is  described  in  this  section.  The  proposed  adaptive  fuzzy  control  scheme  is  shown by Fig. 2.   

0     , kd  0  .  1 

where  bc  

Choosing the control force:   

Rewriting (3) as:   

   u *

 





q  ( D  2) q  K b q  u                   (7)   

The reference model is defined as:   

qm  K m qm

 

where  K m





 ( D  2) q  kb q  qm  k T e              (13)             

the  controller 

u

*

will  force  the  tracking  error  

e( t )   to  T

converge  to  zero,  where  e  (e, e)   and  k  ( k 2 , k1 )    0                            (8)                        2 are  chosen  such  that  all  roots  of  s  k1 s  k 2  0   are  T

located on the left side of the  s  plane.    The dynamic of tracking error can be derived as:  

 diag{12 , 2 2 , 3 2 } . 

  Rewriting (8) as:  

 



 

qm   K m qm                              (9) 

 

Re ference Model qm u  u c ( x |  )  u d ( x)

System Output q 

q  ( D  2)q  K b q  u





e  qm  ( D  2) q  kb q  u 

 (14)         



 qm  ( D  2) q  kb q  uc ( x |  )  ud ( x)   

 

Substituting (13) into (14) yields:    





e   k T e  u *  uc ( x |  )  ud ( x)               (15) 

Tracking Error e

  or equivalently:   



 e

uc ( x |  )   T  ( x )



 e  bc [u *  uc ( x |  )  ud ( x)]            (16)   



0 1  where      . Since    is a stable matrix, there   k2 k1 

 (0)  22 ) ( x)    (ep12  ep

exists  a  unique  positive  definite  and  symmetrical  matrix  P , satisfying the Lyapunov equation:  



 

ud ( x)  kd sgn(eT Pbc )

  Fig. 2. Block diagram of the adaptive fuzzy control system.    The tracking error is defined as:    

 

controller 

ud ( x) : 

uc ( x |  )  

 

where  P

e  qm  q                                 (10) 

Suppose  that  the  controller 

T P  P  Q                            (17) 

 

u   is  composed  of  a  fuzzy 

matrix.    We define the optimal parameter vector thus:   

and  a  supervisory  compensator 

u  uc ( x |  )  ud ( x)                       (11)   

  

n

n  mi xR

 Ri 1

           (18)         

 

  uc ( x |  * )  u *                          (19) 

N

 

As such, (16) becomes:  



i

 *  arg min [sup | uc ( x |  )  u * |]

The fuzzy approximation error vector is defined as:  

where the fuzzy controller 

uc ( x |  )    ii ( x)   T  ( x)  ( x)  is a fuzzy 

p p    11 12  , Q is an arbitrary positive definite   p21 p22 

 

basis function, the supervisory compensator  ud ( x)  is: 



e  e  bc [u x ( x |  * )  uc ( x |  )]  bc ud ( x)  bc

  T

ud ( x )  k d sgn(e Pbc )                       (12)    

 e  bc ( *   )T  ( x)  bc ud ( x)  bc

(20)   

  128 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 125-133

 

www.intechweb.org

e  0 . 

We define the Lyapunov function candidate:   

1 1 * (   )T ( *   )            (21)  V  eT Pe  2 2  

where    is a positive constant.   

Suppose  M

 bc ( *   )T  ( x )  bc ud ( x)  bc ,  

then (20) becomes  e  

 e  M



Differentiating  V  with respect to time yields:   

  1  1 T 1 V  e Pe  eT P e ( *   )T  2 2   1 1 1  (e  M )T Pe  eT P  e  M   ( *   )T  2 2   1 1 1 1  eT (T P  P)e  M T Pe  eT PM  ( *   )T  2 2 2   1 T 1 * T T   e Qe  e PM  (   )  2   1 T 1 T   e Qe  e Pbc [( *   )T  ( x)  ud ( x)  ]  ( *   )T  2   1 T 1 *   e Qe  (   )T [ eT Pbc ( x)   ]  eT Pbcud ( x)  eT Pbc 2 

R  e  R n V ( e )  0  then  if  R   contains  no  trajectories  other  than  e  0 ,  the  origin  zero  is  asymptotically stable. Therefore,  e  0  is an invariant set  defining 

which  implies  that  any  trajectory  starting  from  an  initial  condition within that set remains in the set constantly, that  is  e( t )  will asymptotically converge on zero.  

  4. Simulation Study    In  this  section,  we  will  evaluate  the  proposed  adaptive  fuzzy control approach on the lumped MEMS gyroscope  sensor  model  [1]  [5]  by  using  MATLAB/SIMULINK.  The  control  objective  is  to  maintain  the  system  to  track  the  desired reference trajectory and adopt the adaptive fuzzy  controller for the gyroscope model. The parameters of the   (22)      MEMS gyroscope sensor are shown as follows:   

x2  355.3, y2  532.9, xy  70.99.d xx  0.01, d yy  0.01, d xy  0.002,   0.1  

The  desired  motion  trajectories  are        

If we choose the adaptive law:    





   eT Pbc ( x)   (ep12  e p22 ) ( x)         (23)     

ym  1.2sin(2t ),  

2  5.11kHz . 

P2 (x)  exp((x 1.5)2 ) , P3 ( x)  1/ (1  exp(5( x  2)))     1

 

0.9

Membership function degree

0.8

 1 T 2    V   e Qe  min (Q ) e  0             (25)  2  

Here, we use the inequality: 

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

 

2

min ( Q ) e  eT Qe  max ( Q ) e

2

0.1

          (26) 

0 -3

-2

-1

0 x,y

 

where  min ( Q )  is the eigenvalue of the matrix  Q  with  a minimum real part.   

V  0 ,  V   becomes  negative  semi‐definite  and  ensures  that  V , e   and     are  all  bounded.  LaSalle’s  invariant  set  theorem can be used to prove that  lim e( t )  0 .  V  0   implies that  e

 

t 

 0   and that there is no other solution but 

www.intechweb.org

membership 

N1 ( x)  exp(( x  0.5)2 ) ,  P1 ( x)  exp(( x  0.5) 2 )  



 

six 

N3 (x)  1/ (1 exp(5(x  2))) ,  N 2 ( x )  exp( ( x  1.5) 2 )  

 

 supt 0 |  | , (24) becomes: 

following 

 

then substituting (23) into (22) yields: 

1 V   eT Qe  eT Pbc ud ( x)  eT Pbc 2        (24)  1 T T   e Qe | e Pbc | (supt 0 |  |  kd ) 2

xm  sin(1t ),  

1  6.71kHz ,  

where 

The 

 

functions  are  selected  in  the  region  [‐3,3]  respectively,  as  shown by Fig. 3. 

 

Choosing  k d

According  to  LaSalle’s  invariant  set  theorem, 

1

2

3

 

Figure 3. Curve of membership functions.   

In  the  simulation,  we  allowed   10%  parameter  variations  for  the  spring  and  damping  coefficients  with  respect  to  their  nominal  values.  We  further  assumed  a   10%  magnitude  change  in  the  coupling  terms.  The 



t

 

T

external  disturbance  f1  10 sin( ),10 cos(t  )  and  4 5     Juntao Fei, Wanru Juan and Tianhua Li: An Adaptive Fuzzy Control Approach for the Robust Tracking of a MEMS Gyroscope Sensor

129



f 2  [10sin(500 t ),10 cos(1000t  )]T .  The  initial  5 states  of  the  system  are  [1,0,0,0],  the  initial  values  of   i  

1.5

1

i ( 0 )  0 ,  where   i is  i‐th  column  vector  of  the  estimated parameter matrix  , adaptive gain is chosen as    600   in  (23),  k  (k2 , k1 )T   is  chosen  as 

x Position tracking

are 

0.5

0

-0.5

k1  2, k2  1   in  (16)  to  satisfy  that  all  of  the  roots  of 

-1

s  k1s  k 2  0   are  located  on  the  left  side  of  the  s  

-1.5

2

plane, Q is an arbitrary positive definite matrix, chosen as 

Q =[50  0;0  50]  in  (17)  and  kd   should  be  a  positive 

constant since  k d

y Position tracking

 e Pbc . 

u  uc ( x |  )  

and 

u  uc ( x |  )  u d ( x )  

t    f1  10sin( ),10 cos(t  )  4 5  

25

30

0

5

10

15 time(s)

20

25

30

0.5

0

-0.5

-1.5

Figure  4.  Property  of  the  tracking  trajectory 

u  uc ( x |  )   0.8 0.6

 uc ( x |  ) . It can be 

observed  the  tracking  error  is  relatively  large  which  is  around  the  value  of  0.2.  Figs.  6  and  7  depict  the  position‐ tracking  trajectory  and  tracking  errors  of  x,  y  using 

-0.4

0

5

10

15 time(s)

20

25

30

0

5

10

15 time(s)

20

25

30

 

1 0.8

u  uc ( x |  )  ud ( x) .  It  can  be  seen  that  the  system  using  a  supervisory  compensator  ud ( x) has  better 

y Position tracking error

0.6

  trajectory‐tracking performance than that which uses only a  fuzzy controller  uc ( x |  ) , and the position of x, y can track 

130 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 125-133

0 -0.2

-1

and 

the position of the reference model in a short time with the  supervisory  compensator.  Therefore, it can  be  seen  that  the  adaptive  fuzzy  tracking  performance  is  satisfactory,  the  MEMS gyroscope can maintain the proof mass to oscillate in  the  x,  y  direction  at  a  given  frequency  and  amplitude  with  the proposed adaptive fuzzy control.    

0.2

-0.8

tracking error is almost zero. Figs. 4‐7 compare the tracking 

uc ( x |  )  

0.4

-0.6

It  can  be  seen  here  that  the 

error  between  the  system  using 

using 

1

 will be simulated as  x Position tracking error

tracking errors of x, y only using  u

 

 

T

shown by Figs. 4‐9.    Figs. 4 and 5 show that the position‐tracking trajectory and 

 

20

-1

respectively.  The  tracking  responses  for  these  two  different  fuzzy  controllers  in  the  presence  of  the  disturbance 

u  uc ( x |  )  ud ( x) . 

15 time(s)



T

  First, we simulate the system response of MEMS gyroscope  with 

10

1

  In order to eliminate chattering, the discontinuous control  component  in  (11)  can  be  replaced  by  a  smooth‐sliding  mode component to yield:    where  s

5

1.5

 150  in (12).  

u  uc ( x |  )  ud ( x )   T  ( x)  kd tanh(eT Pbc )

0

0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1

Figure 5. Property of the tracking error using  uc ( x |  )  

 

  www.intechweb.org

1.5

800 600

400

0.5

x Control input

x Position tracking

1

0

200

0

-0.5

-200 -1

-1.5

-400

0

5

10

15 time(s)

20

25

30

-600

 

1.5

0

5

10

15 time(s)

20

15 time(s)

20

25

30

 

1000

1

y Control input

y Position tracking

500 0.5

0

-0.5

0

-500

-1

-1000 -1.5

0

5

10

15 time(s)

20

25

30

 

-1500

Figure  6.  Property  of  the  tracking  trajectory  using 

u  uc ( x |  )  u d ( x )  

0

5

10

Figure 8. Control inputs using  u

 

25

30

 

 uc ( x |  )  u d ( x )  

  1

200

0.8

150

0.4

100

0.2

50

0

S1

x Position tracking error

0.6

-0.2 -0.4

0 -50

-0.6

-100

-0.8 -1

0

5

10

15 time(s)

20

25

30

-150

 

-200

0

5

10

1 0.8

20

25

30

 

200

0.6

150

0.4 100

0.2

50

0 -0.2

S2

y Position tracking error

15 time(s)

-0.4

0 -50

-0.6 -100

-0.8 -1

Figure 

-150

0

5

7. 

10

Property 

15 time(s)

of 

u  uc ( x |  )  u d ( x )  

the 

20

tracking 

25

30

error 

 

-200

0

5

10

using 

15 time(s)

20

Figure  9.  Property  of  the  sliding  surface 

25

30

s  e Pbc   using 

   

u  uc ( x |  )  u d ( x )  

www.intechweb.org

Juntao Fei, Wanru Juan and Tianhua Li: An Adaptive Fuzzy Control Approach for the Robust Tracking of a MEMS Gyroscope Sensor

 

 

T

131

Fig.  8  plots  the  adaptive  fuzzy  control  inputs  using 

1

u  uc ( x |  )  ud ( x) . It can be seen that the chattering 

s  eT Pbc   using  u  uc ( x |  )  ud ( x) ,  showing  that 

0.6 x Position tracking error

is  diminished  because  of  the  use  of  a  smooth  supervisory  sliding controller which can create a small boundary layer  around  the  switching  surface  in  which  the  trajectory  will  remain. Fig. 9 illustrates the property of the sliding surface 

0.8

it converges to zero asymptotically.     In order to show the robustness of the performance of the  MEMS  gyroscope,  the  disturbance 

f2  [100sin(500 t ),100cos(1000t  )] 5

T

u  uc ( x |  )  ud   also  has  better  performance  than  one  using  only  u  uc ( x |  ) ;  the 

tracking  error  can  still  approach  zero  in  a  short  time,  showing  that  the  robustness  of  the  system  using  (11)  is  better than that using the fuzzy controller  u

 uc ( x |  )  

in the presence of external disturbances.    

5

10

15 time(s)

20

15 time(s)

20

25

30

 

1

0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1

0

5

10

25

30

 

disturbances 

0.6 x Position tracking error

0

u  uc ( x |  )  ud  with large magnitude and high frequency 

1

0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 0

5

10

15 time(s)

20

25

30

0

5

10

15 time(s)

20

25

30

 

1 0.8 0.6 y Position tracking error

-1

Figure  11.  Property  of  tracking  error  using  fuzzy  controller 

0.8

0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8

 

Figure  10.  Property  of  tracking  error  using  fuzzy  controller 

u  uc ( x |  )   with  a  large  magnitude  and  high  frequency 

disturbances 

132 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 125-133

 

-0.4

0.8

the  system  using 

-1

0 -0.2

-0.8

 with a large 

magnitude  and  a  high  frequency  is  considered  in  the  simulation. Comparing Figs. 10 and 11, we can see that in  the case of a high‐frequency sinusoidal disturbance signal 

-1

0.2

-0.6

y Position tracking error



0.4

  5. Conclusion    A  fuzzy  logic‐based  adaptive  control  for  an  angular  velocity  sensor  is  presented  in  this  paper.  An  adaptive  fuzzy  controller  that  can  incorporate  fuzzy  control  rules  directly  into  itself  is  used  to  adaptively  adjust  the  parameters  of  member  functions  and  make  the  tracking  error  as  small  as  possible.  Moreover,  a  supervisory  compensator  is  added  to  the  adaptive  fuzzy  control  system  in  order  to  guarantee  the  asymptotically  stability  of the control system. A simulation study is implemented  to verify the effectiveness of the proposed adaptive fuzzy  control  in  relation  to  external  disturbances.  It  can  be  concluded  that  the  dynamic  gyroscope  system’s  responses  are  as  expected,  and  adaptive  fuzzy  control  with  a  supervisory  compensator  has  better  tracking  performance and tracking errors asymptotically converge  on zero.     6. Acknowledgments    The authors would like to thank the anonymous reviewer  for  useful  comments  that  improved  the  quality  of  the  manuscript.  This  work  is  partially  supported  by  the  National  Science  Foundation  of  China  under  Grant  No.  61074056,  The  Natural  Science  Foundation  of  Jiangsu 

www.intechweb.org

Province  and  under  Grant  No.  BK2010201,  Scientific  Research  Foundation  for  the  Returned  Overseas  Chinese  Scholars, State Education Ministry.    7. References    [1]  R.  Leland,  Adaptive  control  of  a  MEMS  gyroscope  using  Lyapunov  methods,  IEEE  Trans.  on  Control  Systems Technology, 14(2),pp. 278–283, 2006.  [2]  C. Batur, T. Sreeramreddy, Sliding mode control of a  simulated  MEMS  gyroscope,  ISA  Transaction,  45(1),  pp. 99‐108, 2006 .  [3]  W.  Sung,  Y.  Lee,  On  the  mode‐matched  control  of  MEMS  vibratory  gyroscope  via  phase‐domain  analysis  and  design,  IEEE/ASME  Trans.  on  Mechatronics, 14(4), pp. 446‐455, 2009.   [4]  R.  Antonello,  L.  Oboe,  F.  Prandi,  F.  Biganzoli,  Automatic  mode  matching  in  MEMS  vibrating  gyroscopes  using  extremum‐seeking  control,  IEEE  Trans.  on  Industrial  Electronics,  56(10),  pp.  3880‐ 3891, 2009.  [5]  R.  Park,  R.  Horowitz,  S.  Hong,  Y.  Nam,  Trajectory‐ switching  algorithm  for  a  MEMS  gyroscope,  IEEE  Trans. on Instrumentation and Measurement, 56(60),  pp. 2561‐2569, 2007.  [6]  J.  Fei,  C.  Batur,  A  novel  adaptive  sliding  mode  control  with  application  to  MEMS  gyroscope,  ISA  Transaction, 48(1), pp. 73‐78, 2009.  [7]   J. Fei, Robust adaptive vibration tracking control for  a MEMS vibratory gyroscope with bound estimation,  IET  Control  Theory  and  Application,  4(6),  pp.  1019‐ 1026, 2010.  [8]   B. S. Park, S. J. Yoo, J. B. Park, Y. H. Choi, Adaptive  neural  sliding  mode  control  of  nonholonomic  wheeled mobile robots with model uncertainty, IEEE  Trans. on Control System Technology, 17(1), pp. 207‐ 214, 2009.                                       

[9]  M.  Lee,  Y.  Choi,  An  adaptive  neucontroller  using  RBFN  for  robot  manipulators,  IEEE  Trans.  on  Industrial Electronics, 51(3), pp. 711‐717, 2004.  [10]  L.  Wang,  Adaptive  Fuzzy  Systems  and  Control‐ design  and  Stability  Analysis.  New  Jersey:  Prentice  Ha1l, 1994.   [11]  Y.  Guo,  P.  Woo,  An  adaptive  fuzzy  sliding  mode  controller  for  robotic  manipulators,  IEEE  Trans.  on  Systems,  Man  and  Cybernetics‐Part  A:  Systems  and  Humans, 33(2), pp. 149‐159, 2004.  [12]  S.  Tong,  J.  Zhou,  Design  and  stability  of  fuzzy  indirect  and  direct  adaptive  control  for  nonlinear  system,  Journal  of  Control  and  Decision,  15(3),  pp.  294‐296, 2000.  [13]  B.  Yoo,  W.  Ham,  Adaptive  control  of  robot  manipulator  using  fuzzy  compensator,  IEEE  Trans.  on Fuzzy Systems, 8(2), pp. 186‐199, 2000.  [14]  R.  J.  Wai,  Z.  Yang,  Adaptive  fuzzy  neural  network  control  design  via  a  T–S  fuzzy  model  for  a  robot  manipulator  including  actuator  dynamics,  IEEE  Trans.  on  Systems,  Man,  and  Cybernetics,  Part  B:  Cybernetics, 38(5), pp. 1326‐1346, 2008.   [15]  R. J. Wai, Fuzzy sliding‐mode control using adaptive  tuning  technique,  IEEE  Trans.  on  Industrial  Electronics, 54(1), pp. 586‐594, 2007.  [16]  H.  Lee,  Robust  adaptive  fuzzy  control  by  backstepping for a class of MIMO nonlinear systems,  IEEE  Trans.  on  Fuzzy  Systems,  19(2),  pp.265‐275,  2011.   [17]  S.  Islam,  P.  X.  Liu,  Robust  adaptive  fuzzy  output  feedback  control  system  for  robot  manipulators,  IEEE/ASME  Trans.  on  Mechatronics,  16(2),  pp.  288‐ 296, 2011.   [18]  Q.  Zhou,  P.  Shi,  J.  Lu,  S.  Xu,  Adaptive  output‐ feedback  fuzzy  tracking  control  for  a  class  of  nonlinear  systems,  IEEE  Trans.  on  Fuzzy  Systems,  19(5), pp. 972‐982, 2011. 

www.intechweb.org

Juntao Fei, Wanru Juan and Tianhua Li: An Adaptive Fuzzy Control Approach for the Robust Tracking of a MEMS Gyroscope Sensor

 

133

Suggest Documents