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Optimal sliding mode control and stabilization of underactuated systemsXu, Rong 06 August 2007 (has links)
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Design of Adaptive Sliding Mode Controllers for Mismatched Perturbed Systems with Application to Underactuated SystemsHo, Chao-Heng 25 July 2011 (has links)
A methodology of designing an adaptive sliding mode controller for a class of nonlinear systems with matched and mismatched perturbations is proposed in this thesis. A specific designed sliding surface function is presented first, whose coefficients are determined by using Lyapunov stability theorem and linear matrix inequality (LMI) optimization technique. Without requiring the upper bounds of matched perturbations, the controller with adaptive mechanisms embedded is also designed by using Lyapunov stability theorem. The proposed control scheme not only can drive the trajectories of the controlled systems reach sliding surface in finite time, but also is able to suppress the mismatched perturbations when the controlled systems are in the sliding mode, and achieve asymptotic stability. In addition, the proposed control scheme can be directly applied to a class of underactuated systems. A numerical example and a practical experiment are given for demonstrating the feasibility of the proposed control scheme.
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Practical Challenges in the Method of Controlled LagrangiansChevva, Konda Reddy 23 September 2005 (has links)
The method of controlled Lagrangians is an energy shaping control technique for underactuated Lagrangian systems. Energy shaping control design methods are appealing as they retain the underlying nonlinear dynamics and can provide stability results that hold over larger domain than can be obtained using linear design and analysis. The objective of this dissertation is to identify the control challenges in applying the method of controlled Lagrangians to practical engineering problems and to suggest ways to enhance the closed-loop performance of the controller.
This dissertation describes a procedure for incorporating artificial gyroscopic forces in the method of controlled Lagrangians. Allowing these energy-conserving forces in the closed-loop system provides greater freedom in tuning closed-loop system performance and expands the class of eligible systems. In energy shaping control methods, physical dissipation terms that are neglected in the control design may enter the system in a way that can compromise stability.
This is well illustrated through the "ball on a beam" example. The effect of physical dissipation on the closed-loop dynamics is studied in detail and conditions for stability in the presence of natural damping are discussed. The control technique is applied to the classic "inverted pendulum on a cart" system. A nonlinear controller is developed which asymptotically stabilizes the inverted equilibrium at a specific cart position for the conservative dynamic model. The region of attraction contains all states for which the pendulum is elevated above the horizontal plane. Conditions for asymptotic stability in the presence of linear damping are developed. The onlinear controller is validated through experiments. Experimental cart damping is best modeled using static and Coulomb friction. Experiments show that static and Coulomb friction degrades the closed-loop performance and induces limit cycles. A Lyapunov-based switching controller is proposed and successfully implemented to suppress the limit cycle oscillations. The Lyapunov-based controller switches between the energy shaping nonlinear controller, for states away from the equilibrium, and a well-tuned linear controller, for states close to the equilibrium.
The method of controlled Lagrangians is applied to vehicle systems with internal moving point mass actuators. Applications of moving mass actuators include certain spacecraft, atmospheric re-entry vehicles, and underwater vehicles. Control design using moving mass actuators is challenging; the system is often underactuated and multibody dynamic models are higher dimensional. We consider two examples to illustrate the application of controlled Lagrangian formulation. The first example is a spinning disk, a simplified, planar version of a spacecraft spin stabilization problem. The second example is a planar, streamlined underwater vehicle. / Ph. D.
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Commande Nonlinéaire et Navigation des Véhicules Marins Sous-actionnésGhommam, Jawhar 23 February 2008 (has links) (PDF)
Dans cette thèse nous adressons le problème de commande des véhicules marins sous-actionnés. La motivation clé de ce sujet de recherche vient du fait qui les systèmes sous-actionnés posent des défis aussi bien théoriques et pratiques pour l'ingénieur automaticien. En fait, ces systèmes ne peuvent pas être stabilisés par des commandes lisses invariantes dans le temps. De plus, en dépit du nombre de méthodes disponibles pour la commande des systèmes mécaniques sous-actionnés, peu ont adressé des points pratiques importantes tels que l'inclusion explicite de dynamique dans la formulation de problème de commande et le besoin de faire face aux perturbations environnementales résultants des courants des vagues, par exemple. Cette thèse attaque certains de ces problèmes, formule et résout les problèmes de commande de positionnement dynamique, de la poursuite de trajectoire et du suivie de chemin des véhicules marins sous-actionnés. La première partie de cette thèse (Chapitres 3 et 4) constituent les éléments théoriques fondamentaux pour l'analyse du modèle et la synthèse des commandes pour les véhicules marins sous-actionnés. Particulièrement, nous montrons au chapitre 3 que le modèle de véhicule marin sous-actionné ne satisfait pas la condition de nécessaire Brockett pour la stabilisation des systèmes nonlinéaires par actions continues et invariantes dans le temps. Cependant, Il sera montré qu'il est possible d'atteindre la stabilisation en utilisant une commande discontinue ou variable dans le temps. Le chapitre 4 consiste à appliquer des résultats récents sur les systèmes cascades nonlinéaires pour résoudre le problème de déterminer des lois de commande qui stabilisent à l'origine la position et l'orientation d vaisseau sous-actionnés. Deux transformations sont introduites pour représenter le système dans une forme de cascade. Par quelques propriétés du modèle, nous montrons en premier que la stabilisation globale et asymptotique du système se réduit a stabiliser une forme en chaîne de troisième ordre. Une approche discontinue par backstepping est ensuite employée pour la stabilisation du système de forme en chaîne via un retour d'état partiel. Nous montrons que la loi de commande proposée stabilise exponentiellement le modèle réduit dans un ensemble défini, assurant le stabilisation asymptotique, local et uniforme du modèle de vaisseau marin sous-actionné. Pour assurer la stabilité uniforme globale cependant, un backstepping et le temps combinés variant l'approche de contrôle est donc employée. Prochain, nous exploitons la structure de cascade pour construire une trajectoire convenable produite par les équations dynamiques d'un véritable sous-actionnés bateau. Nous montrons ensuite que la stabilisation globale peut être assurée par une par une combinaison de la commande par backstepping et une commande variable dans le temps. Ensuite nous abordons le problème de poursuite de trajectoire. Dans lequel la trajectoire de référence est générée par un navire sous-actionné virtuel. Nous montrons ensuite qu'il existe une commande qui force exponentiellement le navire à la poursuite de la trajectoire partant d'une condition initiale quelconque. Utilisant une approche des Systems cascades, nous montrons que la dynamique de l'erreur de poursuite peut être vue comme une cascade d'un système linéaire et d'un système en chaine de deuxième ordre. La deuxième partie de cette thèse (Chapitre 5, 6 et 7) est consacrée au problème de la manoeuvre du vaisseau sous-actionné le long d'un chemin désiré avec une dynamique prescrite. La conception de la loi de commande est abordée par deux approches. La première vient d'une observation qu'il est plausible en pratique de manoeuvrer le véhicule tel qu'il soit sur son chemin de référence est que sa vitesse totale soit tangente au chemin. Il sera aussi supposé que le véhicule voyage le long du chemin avec une vitesse directe constante. La seconde approche ne conditionne pas la vitesse directe pour être constante. Dans le Chapitre 5, nous exploitons l'approche abordée pour le suivi de chemin pour résoudre le problème de coordinations d'un groupe de véhicules marins. Il est objet de manoeuvrer le mouvement de chaque véhicule tel que le mouvement du groupe est prescrit par un comportement désiré. Ainsi, le mouvement indépendant est coordonné comme une formation selon le comportement désirée. Dans ce chapitre nous considérerons le problème de formation ou plusieurs véhicules sont synchronisés de manière qu'ils soient commandés comme une formation de structure virtuelle. Le chapitre 6, est dévouée au problème général de la commande par retour de sortie pour la stabilisation globale des véhicules marins sous-actionnés. Une application de tel observateur est ensuite faite au problème de la poursuite de trajectoire d'un vaisseau sous-actionné.
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