[논문 리뷰] Stabilization of Underactuated Mechanical Systems with Time-Varying Uncertainty using Adaptive Fuzzy Sliding Mode

Mohammad Azimi, Hamid Reza Koofigar외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 08.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 시간에 따라 변화하는 불확실성과 외부 교란이 작용하는 부작동 기계 시스템을 대상으로 적응형 퍼지 슬라이딩 모드 제어기(AFSMC)를 제안한다. 적응형 퍼지 논리와 슬라이딩 모드 제어를 융합함으로써 제어 성능의 강건성과 제어 진동 감소를 향상시켜, 역퍼레인드럼과 자유도가 2인 TORA 시스템에서의 시뮬레이션을 통해 효과적인 안정화를 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시간에 따라 변화하는 모델 불확실성과 외부 교란이 존재하는 부작동 기계 시스템의 안정화를 해결하기 위해.
• 이전 방법들에 비해 제약 조건이 적은 제어 전략을 개발하기 위해.
• 불확실성에 대한 강건성을 향상시키면서 제어 진동을 최소화하기 위해.
• 기본 부작동 시스템에서의 시뮬레이션을 통해 제어기의 효과성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 시스템 상태가 평형점으로 수렴하도록 보장하는 스위칭 표면을 갖는 슬라이딩 모드 제어 법칙을 설계한다.
• 불확실성과 교란의 상한을 실시간으로 추정하기 위해 퍼지 논리 시스템을 도입한다.
• 실시간으로 퍼지 시스템의 매개변수를 갱신하기 위한 적응 법칙을 사용하여 추정 정확도를 향상시킨다.
• 리아푸노프 기반 안정성 분석을 통해 닫힌 루프 시스템의 점근적 안정성을 증명한다.
• 두 가지 시험 케이스에 제어기를 적용한다: 1-DOF 역퍼레인드럼과 2-DOF TORA 시스템.
• 시뮬레이션 도구를 사용하여 일시적 응답, 강건성 및 진동 감소 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적응형 퍼지 슬라이딩 모드 제어기가 시간에 따라 변화하는 불확실성을 갖는 부작동 시스템을 어떻게 안정화할 수 있는가?
• RQ2 실시간으로 알려지지 않은 시스템 불확실성을 추정하는 데 있어 퍼지 논리의 효과성은 어떠한가?
• RQ3 기존의 슬라이딩 모드 제어 대비 제안된 제어기가 얼마나 효과적으로 진동을 감소시키는가?
• RQ4 비선형 부작동 시스템에서 외부 교란 상황에서 제어기는 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 이 제어기는 제약 조건이 없는 가정 하에 넓은 범위의 부작동 기계 시스템에 적용 가능한가?

주요 결과

• AFSMC는 시간에 따라 변화하는 불확실성과 교란 조건 하에서 부작동된 역퍼레인드럼과 TORA 시스템을 성공적으로 안정화시켰다.
• 시뮬레이션 궤적을 통해 기존의 슬라이딩 모드 제어 대비 제어 진동이 감소한 것으로 확인되었다.
• 퍼지 논리 구성 요소는 실시간으로 불확실성의 상한을 효과적으로 추정하여 강건성을 향상시켰다.
• 안정성 분석을 통해 리아푸노프 이론을 활용해 시스템 상태가 평형점으로 점근적으로 수렴하는 것으로 확인되었다.
• 시뮬레이션 결과, 두 시험 시스템 모두 빠른 일시적 응답과 외부 교란에 대한 강력한 강건성을 보였다.
• 이전의 접근 방식에 비해 더 적은 구조적 및 모델링 제약 조건을 요구함으로써 적용 범위를 넓혔다.