[論文レビュー] First and High Order Sliding Mode-Multimodel Stabilizing Control Synthesis using Single and Several Sliding Surfaces for Nonlinear Systems: Simulation on an Autonomous Underwater Vehicles (AUV)

Ahmed Rhif, Zohra Kardous+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2013

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、非線形システムの安定化を目的とし、自律水中航行機器（AUV）に特に適用された、単一および複数のスライディング面を用いた1次および高次スライディングモード・マルチモデル制御合成手法を提案する。不連続なスイッチングをリャプノフ型関数による制御則の滑らかな融合に置き換えることで、スライディング集合への有限時間収束と最終的安定性を達成し、チョッピングを最小限に抑えつつ低コストの制御を実現した。AUVの浸水制御シミュレーションにより有効性が検証された。

ABSTRACT

This paper provides new analytic tools for a rigorous control formulation and stability analysis of sliding mode-multimodel controller (SM-MMC). In this way to minimise the chattering effect we will adopt as a starting point the multimodel approach to change the commutation of the sliding mode control (SMC) into fusion using a first order then a high order sliding mode control with single sliding surface and, then, with several sliding surfaces. For that the stability conditions invoke the existence of two Lyapunov-type functions, the first associated to the passage to the sliding set in finite time, and the second with convergence to the desired state. The approaches presented in this work are simulated on the immersion control of a submarine mobile which presents a problem for the actuators because of the high level of system non linearity and because of the external disturbances. Simulation results show that this control strategy can attain excellent performances with no chattering problem and low control level.

研究の動機と目的

• 高非線形システムにおけるスライディングモード制御のチョッピングと制御飽和を軽減すること。
• 1次および高次スライディングモードを組み合わせたマルチモデルフレームワークを用いた安定化制御合成を開発すること。
• スライディング面を単一および複数の構成で用いることで、ロバストネスと収束性能を向上させること。
• リャプノフに基づく解析を用いて、スライディング集合への有限時間収束と最終的安定性を保証すること。
• 強い非線形性と外部摂動を伴うAUVにおいて、本手法の有効性を検証すること。

提案手法

• 制御戦略は、スライディングモード制御における急激なスイッチングを制御則の滑らかな融合に置き換えるマルチモデルアプローチを採用する。
• 最初に1次スライディングモード制御を適用し、その後に高次スライディングモード制御を用いてチョッピングを低減する。
• 安定性は2つのリャプノフ型関数を用いて解析する：1つはスライディング集合への有限時間到達性を保証し、もう1つは望ましい状態への収束を保証する。
• 高次元非線形システムにおけるシステムのロバストネスと制御性能の向上を目的として、複数のスライディング面を導入する。
• 連続性を確保するとともに制御効率を低下させるために、両制御則をブレンドメカニズムで統合する制御合成を実施する。
• 本手法は、高非線形性と外部摂動を伴うAUVの浸水制御システムに適用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチモデル統合を用いることで、非線形システムにおけるスライディングモード制御のチョッピングをどのように低減できるか？
• RQ2 1次および高次スライディングモードは、マルチモデル制御フレームワークにおいて収束性と安定性をどのように向上させるか？
• RQ3 単一と複数のスライディング面は、非線形システムにおける制御性能とロバストネスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 2つのリャプノフ型関数を用いることで、スライディング集合への有限時間収束と最終的安定性を保証できるか？
• RQ5 本マルチモデルスライディングモードアプローチを用いることで、AUVの浸水制御においてどのような性能向上が達成されるか？

主な発見

• 提案された制御戦略は、スライディング集合への有限時間収束を達成し、迅速なシステム応答を実現した。
• 高次スライディングモードの導入により、従来のスライディングモード制御と比較してチョッピングが顕著に低減された。
• 不連続なスイッチングではなく制御則の滑らかな融合により、制御効率が最小限に抑えられた。
• マルチモデルアプローチにより、AUVシミュレーションにおける外部摂動およびシステム非線形性に対するロバストネスが向上した。
• シミュレーション結果は、観察可能なチョッピングがなく、安定した収束を示すAUVの浸水制御において優れた性能を示した。
• 二重リャプノフ関数アプローチにより、有限時間到達性と漸近的安定性の両方を成功裏に保証した。