[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种基于单重和多重滑动面的一阶与高阶滑动模态-多模型控制综合方法，用于稳定非线性系统，特别应用于自主水下航行器（AUVs）。通过使用李雅普诺夫型函数平滑融合控制律来替代不连续切换，该方法实现了滑动集的有限时间收敛以及最终稳定性，同时显著减少颤振并降低控制能量，经由AUV浸没控制仿真验证。

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.

研究动机与目标

• 解决高非线性系统中滑动模态控制的颤振与控制饱和问题。
• 结合一阶与高阶滑动模态及多模型框架，开发一种稳定控制综合方法。
• 研究单重与多重滑动面在提升鲁棒性与收敛性能方面的应用。
• 基于李雅普诺夫分析，确保系统在有限时间内收敛至滑动集并实现最终稳定性。
• 在具有强非线性和外部扰动的AUV上验证该方法的性能。

提出的方法

• 控制策略采用多模型方法，将滑动模态控制中的突变切换替换为控制律的平滑融合。
• 首先采用一阶滑动模态控制，随后引入高阶滑动模态控制以减少颤振。
• 通过两种李雅普诺夫型函数分析稳定性：一种确保滑动集的有限时间可达性，另一种保证系统收敛至期望状态。
• 引入多个滑动面以增强高维非线性系统中的系统鲁棒性与控制性能。
• 通过混合机制整合两种控制律，确保连续性并降低控制能量。
• 该方法应用于AUV的浸没控制系统的仿真，模拟了强非线性和外部扰动。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过多模型融合在非线性系统的滑动模态控制中最小化颤振？
• RQ2 一阶与高阶滑动模态在多模型控制框架中如何提升收敛性与稳定性？
• RQ3 单重与多重滑动面在非线性系统中对控制性能与鲁棒性有何影响？
• RQ4 能否通过两个李雅普诺夫型函数确保滑动集的有限时间收敛与最终稳定性？
• RQ5 该多模型滑动模态方法在AUV浸没控制中实现了哪些性能提升？

主要发现

• 所提出的控制策略实现了滑动集的有限时间收敛，确保了快速的系统响应。
• 高阶滑动模态的使用显著降低了与传统滑动模态控制相比的颤振。
• 由于控制律的平滑融合而非不连续切换，控制能量被最小化。
• 多模型方法在AUV仿真中显著增强了对外部扰动和系统非线性的鲁棒性。
• 仿真结果表明，AUV浸没控制表现出色，无明显颤振且收敛稳定。
• 双李雅普诺夫函数方法成功保证了有限时间可达性与渐近稳定性。