Indirect adaptive higher-order sliding-mode control using the certainty-equivalence principle

Barth, Alexander GND

Seit den 50er Jahren werden große Anstrengungen unternommen, Algorithmen zu entwickeln, welche in der Lage sind Unsicherheiten und Störungen in Regelkreisen zu kompensieren. Früh wurden hierzu adaptive Verfahren, die eine kontinuierliche Anpassung der Reglerparameter vornehmen, genutzt, um die Stabilisierung zu ermöglichen. Die fortlaufende Modifikation der Parameter sorgt dabei dafür, dass strukturelle Änderungen im Systemmodell sich nicht auf die Regelgüte auswirken. Eine deutlich andere Herangehensweise wird durch strukturvariable Systeme, insbesondere die sogenannte Sliding-Mode Regelung, verfolgt. Hierbei wird ein sehr schnell schaltendes Stellsignal für die Kompensation auftretender Störungen und Modellunsicherheiten so genutzt, dass bereits ohne besonderes Vorwissen über die Störeinflüsse eine beachtliche Regelgüte erreicht werden kann. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema, diese beiden sehr unterschiedlichen Strategien miteinander zu verbinden und dabei die Vorteile der ursprünglichen Umsetzung zu erhalten. So benötigen Sliding-Mode Verfahren generell nur wenige Informationen über die Störung, zeigen jedoch Defizite bei Unsicherheiten, die vom Systemzustand abhängen. Auf der anderen Seite können adaptive Regelungen sehr gut parametrische Unsicherheiten kompensieren, wohingegen unmodellierte Störungen zu einer verschlechterten Regelgüte führen. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine kombinierte Entwurfsmethodik zu entwickeln, welche die verfügbaren Informationen über die Störeinflüsse bestmöglich ausnutzt. Hierbei wird insbesondere Wert auf einen theoretisch fundierten Stabilitätsnachweis gelegt, welcher erst durch Erkenntnisse der letzten Jahre im Bereich der Lyapunov-Theorie im Zusammenhang mit Sliding-Mode ermöglicht wurde. Anhand der gestellten Anforderungen werden Regelalgorithmen entworfen, die eine Kombination von Sliding-Mode Reglern höherer Ordnung und adaptiven Verfahren darstellen. Neben den theoretischen Betrachtungen werden die Vorteile des Verfahrens auch anhand von Simulationsbeispielen und eines Laborversuchs nachgewiesen. Es zeigt sich hierbei, dass die vorgeschlagenen Algorithmen eine Verbesserung hinsichtlich der Regelgüte als auch der Robustheit gegenüber den konventionellen Verfahren erzielen.

Since the late 50s, huge efforts have been made to improve the control algorithms that are capable of compensating for uncertainties and disturbances. Adaptive controllers that adjust their parameters continuously have been used from the beginning to solve this task. This adaptation of the controller allows to maintain a constant performance even under changing conditions.

A different idea is proposed by variable structure systems, in particular by the so-called sliding-mode control. The idea is to employ a very fast switching signal to compensate for disturbances or uncertainties.

This thesis deals with a combination of these two rather different approaches while preserving the advantages of each method. The design of a sliding-mode controller normally does not demand sophisticated knowledge about the disturbance, while the controller's robustness against state-dependent uncertainties might be poor. On the other hand, adaptive controllers are well suited to compensate for parametric uncertainties while unstructured influence may result in a degraded performance.

Hence, the objective of this work is to design sliding-mode controllers that use as much information about the uncertainty as possible and exploit this knowledge in the design. An important point is that the design procedure is based on a rigorous proof of the stability of the combined approach. Only recent results on Lyapunov theory in the field of sliding-mode made this analysis possible. It is shown that the Lyapunov function of the nominal sliding-mode controller has a direct impact on the adaptation law. Therefore, this Lyapunov function has to meet certain conditions in order to allow a proper implementation of the proposed algorithms.

The main contributions of this thesis are sliding-mode controllers, extended by an adaptive part using the certainty-equivalence principle.
It is shown that the combination of both approaches results in a novel controller design that is able to solve a control task even in the presence of different classes of uncertainties. In addition to the theoretical analysis, the advantages of the proposed method are demonstrated in a selection of simulation examples and on a laboratory test-bench. The experiments show that the proposed control algorithm delivers better performance in regard to chattering and robustness compared to classical sliding-mode controllers.

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