[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种自适应模糊滑模控制器（AFSMC），用于受时变不确定性与外部扰动影响的欠驱动机械系统。通过将自适应模糊逻辑与滑模控制相结合，该方法增强了鲁棒性并减少了抖振，在倒立摆和具有两个自由度的 TORA 系统的仿真中表现出有效的稳定性能。

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.

研究动机与目标

• 解决在时变模型不确定性与外部扰动下欠驱动机械系统的稳定化问题。
• 开发一种相比先前方法限制更少的控制策略。
• 在最小化控制抖振的同时增强对不确定性的鲁棒性。
• 通过在基准欠驱动系统上的仿真验证控制器的有效性。

提出的方法

• 设计一种滑模控制律，其切换面可确保系统状态收敛至平衡点。
• 引入模糊逻辑系统，以在线逼近不确定性和扰动的上界。
• 采用自适应律实时更新模糊系统参数，提升估计精度。
• 基于李雅普诺夫稳定性分析，证明闭环系统的渐近稳定性。
• 将控制器应用于两个测试案例：单自由度倒立摆与双自由度 TORA 系统。
• 采用仿真工具评估瞬态响应、鲁棒性及抖振抑制效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 自适应模糊滑模控制器如何稳定具有时变不确定性的欠驱动系统？
• RQ2 模糊逻辑在实时逼近未知系统不确定性方面效果如何？
• RQ3 与传统滑模控制相比，所提出的控制器在多大程度上减少了抖振？
• RQ4 在非线性、欠驱动系统中，控制器对外部扰动的性能表现如何？
• RQ5 该控制器是否可在无需严格假设的前提下适用于广泛类别的欠驱动机械系统？

主要发现

• AFSMC 在时变不确定性和扰动下成功稳定了欠驱动倒立摆与 TORA 系统。
• 仿真轨迹证实，与传统滑模控制相比，该控制器显著减少了抖振。
• 模糊逻辑组件能有效实时估计不确定性的上界，从而增强系统鲁棒性。
• 稳定性分析基于李雅普诺夫理论，证实系统状态可渐近收敛至平衡点。
• 仿真结果表明，两种测试系统均表现出快速的瞬态响应和对外部扰动的强鲁棒性。
• 与先前方法相比，所提方法对系统结构与建模的约束更少，显著拓宽了其适用范围。