文献综述
1.1课题研究背景与意义
MEMS(微机电系统 )陀螺是一种集精密机械、微电子学、自动控制等技术于一体的微型惯性仪表 , 因其体积小、重量轻、功耗低、适于批量生产等特点 , 可广泛用于汽车工业、消费电子产品和航空航天等领域。目前国内由于微机械加工技术的限制, 导致加工出来的陀螺的工作参数与设计值之间存在偏差, 而且, 驱动轴和敏感轴之间 的不完全垂直, 产生正交误差 。这些因素严重影响了陀螺仪的整体性能 。
近几十年以来，身为微惯性器件的MEMS角速率陀螺仪不断快速发展，其灵敏度及测量精度直接决定了惯性导航系统的精度及控制系统的性能品质。比较优秀的国家早己开始研究精度更高稳定性更好的陀螺仪，特别是欧美等发达国家，不仅在器件性能上已经达到了较高水平，同时在实用化、产业化运作上也取得了很大成功。而目前国内对其研宄总体上还处于中、低精度水平，主要原因包括：①传统操作模式下，要求两种模态的谐振频率相同，然而MEMS制造工艺的缺陷以及现场应用环境不确定性等因素可能会导致两模态振荡频率不匹配，严重降低了陀螺的检测灵敏度和输出精度；②MEMS陀螺尺寸微小，其相关理论不同于宏观理论，尺度效应的存在大大增加
了陀螺系统的不确定性，故很难得到精确、完整的数学模型；
③传统的信号检测手段接近灵敏度极限，微弱信号检测技术有待提高；
④复杂多变的应用环境极易给陀螺系统引入外加干扰。
针对上述MEMS陀螺所存在的问题，尽管己有许多方法来提高其灵敏度和输出精度，但是操作模式上的缺陷仍然无法避免：①为满足两模态（驱动模态与敏感模态）之间运动频率一致，需要不断地改进其结构设计或控制电路设计，一定程度上限制了ＭＥＭＳ陀螺仪的微型化和集成化。②传统操作模式无法满足ＭＥＭＳ陀螺仪的多轴化发展需求。
以上几个因素综合作用于MEMS陀螺，严重影响陀螺的角速度检测精度，亟需寻求相关的控制策略降低上述因素的影响。
近年来，不确定性系统的鲁棒控制理论取得了许多研究成果，针对控制对象模型的不确定程度和表现形式，可求得使系统稳定的控制参数边界，控制系统在这个界内可有效地保证闭环系统鲁棒稳定。然而，鲁棒控制理论并没有完全彻底地解决稳定鲁棒性与性能鲁棒性之间的矛盾。虽然鲁棒控制系统可以具有较强的鲁棒稳定性，但是稳定性常常限制了闭环系统的带宽，因而降低了跟踪性能和抗干扰性能，这对一些快速高精度控制系统是不允许的。不确定性系统是由一族系统描述的对象集合，对不确定性系统的控制就是对一族系统的控制。无论是经典的控制理论、现代控制理论，还是鲁棒控制方案均是局限于固定结构的控制方法。以固定结构的控制器控制一个对象集合并保证集合内每个对象的控制性能是很困难的。因此，为了增强控制系统对不确定因滑模变结构控制中抖振的特性研究与抑制素的鲁棒性，突破固定控制结构的框架，变结构的非线性反馈控制是一种解决方案。变结构控制(VSC)的研究始于20世纪50年代，前苏联学者 Emelyanov 等提出了变结构控制概念。随后 Utkin，Itkis 等学者总结并发展了滑模变结构控制理论，奠定了滑模变结构控制的理论基础。所谓变结构，是指当系统的状态满足一定的条件时，系统的控制结构将发生变化。变结构控制就是当系统状态穿越不同区域时，反馈控制的结构按照一定的规律发生变化，使得控制系统对被控对象的内在参数变化和外部环境扰动等因素具有一定的适应能力，保证系统性能达到期望的性能指标要求。由于变结构控制具有抗扰性、自适应性、鲁棒性、实现容易等优点，因此变结构控制引起了人们的普遍重视。20 世纪 80 年代以来，随着确定切换函数的系统性方法的出现和微分几何理论的发展，变结构控制开始了新的发展阶段。近二十年来，随着计算机技术和大功率电子开关器件的发展，变结构控制的实现变得越来越容易，因此该方法受到了国内外控制界的广泛重视，现已成为自动控制领域的重要设计方法，并在工程应用中得到了推广应用。
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