[論文レビュー] Stabilization of Underactuated Mechanical Systems with Time-Varying Uncertainty using Adaptive Fuzzy Sliding Mode

Mohammad Azimi, Hamid Reza Koofigar+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2017

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、時間変動する不確実性および外部の摂動を受けるアンダーアクチュエーテッド機械系に対して、適応型ファジィスライディングモード制御（AFSMC）を提案する。ファジィ論理とスライディングモード制御を統合することで、ロバスト性が向上し、チターリングが低減される。インバーテッドペンドulumおよび2自由度のTORA系におけるシミュレーションでは、効果的な安定化が確認された。

ABSTRACT

In this paper, the control problem for underactuated systems in the presence of external disturbances and model uncertainties is considered. An adaptive fuzzy sliding mode controller (AFSMC) is proposed to solve the problem, satisfying the robustness properties against uncertainties and disturbances. The designed controller can be applied to a wide class of underactuated systems and have fewer restrictions, compared with many pervious works. To evaluate the performance of proposed algorithm, it is applied to an underactuated inverted pendulum and a Translational Oscillator/Rotational Actuator (TORA) system with two degrees of freedom. The simulations are also demonstrated to show the effectiveness of the proposed strategy.

研究の動機と目的

• 時間変動するモデル不確実性および外部摂動を受けるアンダーアクチュエーテッド機械系の安定化を解決すること。
• 従来の手法と比較して制限の少ない制御戦略を開発すること。
• 不確実性に対してロバスト性を高めるとともに、制御チターリングを最小限に抑えること。
• ベンチマークとしてのアンダーアクチュエーテッド系におけるシミュレーションを通じて、制御系の有効性を検証すること。

提案手法

• システム状態が平衡点に収束するよう保証するスイッチング面を備えたスライディングモード制御則を設計する。
• 不確実性および摂動の上界をオンラインで近似するためのファジィ論理システムを導入する。
• リアルタイムでファジィシステムのパラメータを更新するための適応則を採用し、推定精度を向上させる。
• リャプノフに基づく安定性解析を用いて、閉ループ系の漸近的安定性を証明する。
• 2つのテストケース（1自由度インバーテッドペンドulumおよび2自由度TORA系）に制御系を適用する。
• シミュレーションツールを用いて過渡応答、ロバスト性、チターリング低減効果を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適応型ファジィスライディングモード制御は、時間変動する不確実性を有するアンダーアクチュエーテッド系をどのように安定化できるか？
• RQ2 ファジィ論理は、リアルタイムで未知のシステム不確実性をどの程度正確に近似できるか？
• RQ3 従来のスライディングモード制御と比較して、提案手法のチターリング低減効果はどの程度か？
• RQ4 非線形でアンダーアクチュエーテッド系において、外部摂動が加わった状況でも制御系はどの程度の性能を示すか？
• RQ5 制限の厳しい仮定を必要とせず、広範なアンダーアクチュエーテッド機械系に適用可能か？

主な発見

• AFSMCは、時間変動する不確実性および摂動を受けるアンダーアクチュエーテッドインバーテッドペンドulumおよびTORA系を効果的に安定化した。
• シミュレーション軌道の確認により、従来のスライディングモード制御と比較してチターリングが顕著に低減された。
• ファジィ論理部は、リアルタイムで不確実性の上界を効果的に推定し、ロバスト性を向上させた。
• 安定性解析により、リャプノフ理論を用いてシステム状態が平衡点に漸近的に収束することが確認された。
• シミュレーションでは、両テストシステムにおいて高速な過渡応答および外部摂動に対する強いロバスト性が示された。
• 提案手法は、従来のアプローチと比較して、構造的およびモデル化上の制約が少なく、適用範囲が広がった。