Кіріспе
Сызықтық емес басқару теориясындағы әдіс. Басқару жүйелерінде жылжымалы режимді басқару (ЖРБ) – үздісіз емес басқару сигналын (немесе толыққандырақ айтқанда, жиындық мәнді басқару сигналын) қолдану арқылы сызықтық емес жүйенің динамикасын өзгертетін сызықтық емес басқару әдісі. Бұл жағдайда, жүйенің қалыпты мінез-құлқының қимасы бойынша "сығуға" мәжбүр етеді. Күй кері байланыс басқару заңы уақыт бойынша үзділіссіз функция болып табылмайды. Оның орнына, ол күй кеңістігіндегі ағымдағы орнына байланысты бір үзділіссіз құрылымнан екіншісіне ауысуы мүмкін. Сондықтан, жылжымалы режимді басқару – өзгермелі құрылымды басқару әдісі. Басқарудың көптеген құрылымдары траекториялар әрқашан басқа басқару құрылымы бар көршілес аймаққа қарай жылжуын қамтамасыз етеді, нәтижесінде, соңғы траектория бір басқару құрылымының ішінде толығымен орналаспайды. Керісінше, ол басқару құрылымдарының шекараларымен сығады. Жүйенің осы шекаралар бойымен қозғалысы жылжу режимі деп аталады, ал шекаралардан тұратын геометриялық траектория жылжу (гипер) беті деп аталады. Қазіргі заманғы басқару теориясы тұрғысынан, ЖРБ сияқты өзгермелі құрылымды кез келген жүйе, гибридтік динамикалық жүйенің ерекше жағдайы ретінде қарастырылуы мүмкін, өйткені жүйе үзділіссіз күй кеңістігі арқылы өтеді, сонымен қатар әртүрлі дискретті басқару режимдері арқылы қозғалады.
In control systems, sliding mode control (SMC) is a nonlinear control method that alters the dynamics of a nonlinear system by applying a discontinuous control signal (or more rigorously, a set valued control signal) that forces the system to "slide" along a cross section of the system's normal behavior. The state feedback control law is not a continuous function of time. Instead, it can switch from one continuous structure to another based on the current position in the state space. Hence, sliding mode control is a variable structure control method. The multiple control structures are designed so that trajectories always move toward an adjacent region with a different control structure, and so the ultimate trajectory will not exist entirely within one control structure. Instead, it will slide along the boundaries of the control structures. The motion of the system as it slides along these boundaries is called a sliding mode and the geometrical locus consisting of the boundaries is called the sliding (hyper)surface. In the context of modern control theory, any variable structure system, like a system under SMC, may be viewed as a special case of a hybrid dynamical system as the system both flows through a continuous state space but also moves through different discrete control modes.
Кіріспе
1-суретте сырғанау режимін басқару кезіндегі жүйенің траекториясының мысалы көрсетілген. Сырғанау беті арқылы сипатталады, ал жүйе траекториясы бұл бетке жеткеннен кейін шекті уақыттан соң бет бойымен сырғанау режимі басталады. Сырғанау режимдерінің теориялық сипаттамасында жүйе сырғанау бетімен шектеледі және оны тек бетімен сырғанап отыру ретінде қарастыру қажет. Дегенмен, сырғанау режимін басқарудың нақты іске асырылуы осы теориялық мінез-құлықты жоғары жиіліктегі және көбінесе детерминистік емес коммутациялық басқару сигналымен жуықтап, жүйені сырғанау бетінің жақын аймағында "дірілдеуге" (chatting) алып келеді. Сырғанауды сырғанау бетінің айналасындағы "өлген аймақтарды" (deadbands) немесе шекаралық қабаттарды қолдану арқылы, сондай-ақ басқа да компенсациялық әдістер арқылы азайтуға болады. Жүйе жалпы алғанда сызықтық емес болғанымен, 1-суреттегі жүйенің идеалды (яғни, дірілдемейтін) мінез-құлқы, егер ол сырғанау бетімен шектелсе, экспоненциалды тұрақты нүктесі бар LTI жүйесі болып табылады. Компенсациялық әдістердің бірі – ұсынылған адаптивті сырғанау режимін басқару әдісі, ол үздіксіз басқару заңын құру үшін бағаланған белгісіздікті пайдаланады. Бұл әдісте дәлдікті сақтай отырып, дірілдеу жойылады (толықрақ мәліметтер үшін [2] және [3] сілтемелерді қараңыз). Ұсынылған адаптивті сырғанау режимін басқарушының үш ерекше ерекшелігі бар: (i) Құрылымдық (немесе параметрлік) белгісіздіктер және құрылымдық емес белгісіздіктер (модельделмеген динамика, белгісіз сыртқы бұзылыстар) бір типті белгісіздік терминіне біріктіріледі, ол "жинақталған белгісіздік" деп аталады. Сондықтан жүйенің сызықтық параметрленген динамикалық моделі қажет емес, ал осы әдістің қарапайым құрылымы мен есептеу тиімділігі оны нақты уақыт басқаруына қолайлы етеді. (ii) Адаптивті сырғанау режимін басқару схемасының жобалануы ең нашар жағдайға (яғни, белгісіздіктің шектеріне) сүйенудің орнына онлайн бағаланған белгісіздік векторына сүйенеді. Сондықтан белгісіздіктің шектерін алдын ала білу қажет емес, және әрбір уақыт сәтінде басқару кірісі қазіргі уақытта бар белгісіздікті өтеуге арналады. (iii) Сырғанау режимін басқару теориясының негіздерін пайдалана отырып, жасалған үздіксіз басқару заңы шекаралық қабат тәсілінде жиі кездесетін өнімділік пен беріктілік арасындағы келісімсіздіксіз дірілдеу құбылысын жояды. Интуитивті түрде, сырғанау режимін басқару динамикалық жүйенің траекториясын шектелген сырғанау режиміндегі кіші кеңістікте сырғанауға мәжбүрлеу үшін іс жүзінде шексіз күш пайдаланады. Бұл төмендеу реттік сырғанау режиміндегі траекториялар қалаулы қасиеттерге ие (мысалы, жүйе қажетті тепе-теңдікке жету үшін тоқтағанға дейін табиғи түрде оның бойымен сырғанады). Сырғанау режимін басқарудың басты артықшылығы – оның беріктігі. Басқару екі күйдің арасындағы қарапайым ауысу болуы мүмкін болғандықтан (мысалы, "қосылған"/"өшірілген" немесе "алға"/"кері"), ол дәл болуы қажет емес және басқару арнасына кіретін параметрлер өзгерісіне сезімтал болмайды. Сонымен қатар, басқару заңы үздіксіз функция болмағандықтан, сырғанау режиміне шекті уақыт ішінде жетуге болады (яғни, асимптотикалық мінез-құлықтан жақсы). Белгілі бір ортақ жағдайларда оптималдық "bang-bang" басқаруын пайдалануды талап етеді; сондықтан сырғанау режимін басқару кең динамикалық жүйелер жиынтығы үшін оптималды басқарушыны сипаттайды. Сырғанау режимін басқарушының бір қолданылуы – коммутациялық қуат түрлендіргіштерімен жұмыс істейтін электрлік жетектерді басқару. Осы түрлендіргіштердің үздіксіз жұмыс істеу режиміне байланысты үздіксіз сырғанау режимін басқарушы импульс енін модуляциялау немесе ұқсас техника арқылы үздіксіз сигналды тек дискретті күйлерді қабылдай алатын шығысқа қолдануды қажет ететін үздіксіз басқарушыларға қарағанда табиғи іске асыру таңдауы болып табылады. Сырғанау режимін басқару робототехникада көптеген қолдануға ие. Атап айтқанда, бұл басқару алгоритмі адамсыз су үстіндегі кемелерді басқаруды бақылау үшін, симуляциялық бұрқасынды теңізде жоғары дәрежеде сәттілікпен қолданылды. Сырғанау режимін басқару басқа сызықтық емес басқару түрлеріне қарағанда көбірек сақтықпен қолданылуы тиіс, себебі басқару әрекеті орташарақ. Атап айтқанда, актуаторлар кідіріс пен басқа да кемшіліктерге ие болғандықтан, қатты сырғанау режимін басқару әрекеті дірілдеуге, энергия жоғалуына, қондырғыларға зақым келтіруге және модельделмеген динамиканы қоздыруға әкелуі мүмкін. Шамамен айтқанда, нәтижесінде қозғалатын жабық циклдік жүйе жақындап келеді, бірақ бұл тегіс мінез-құлық толыққанды жүзеге аспауы мүмкін. Сонымен қатар, жоғары жылдамдықты импульс енін модуляциялау немесе дельта-сигма модуляциясы тек екі күйді қабылдайтын шығыстарды тудырады, бірақ тиімді шығыс қозғалыс үлесінің үздіксіз диапазонынан өтеді. Бұл қиындықтардан бас тарту үшін басқа сызықтық емес басқару жобалау әдісін пайдалануға болады, ол үздіксіз басқарушыны тудырады. Кейбір жағдайларда сырғанау режимін басқару жобалары басқа үздіксіз басқару жобаларымен жуықтастырылуы мүмкін, мұнда және тұрақты шамалар.
which uses estimated uncertainty to construct continuous control law. In this method chattering is eliminated while preserving accuracy (for more details see references [2] and [3]). The three distinguished features of the proposed adaptive sliding mode controller are as follows: (i) The structured (or parametric) uncertainties and unstructured uncertainties (un modeled dynamics, unknown external disturbances) are synthesized into a single type uncertainty term called lumped uncertainty. Therefore, a linearly parameterized dynamic model of the system is not required, and the simple structure and computationally efficient properties of this approach make it suitable for the real time control applications. (ii) The adaptive sliding mode control scheme design relies on the online estimated uncertainty vector rather than relying on the worst case scenario (i. e., bounds of uncertainties). Therefore, a priory knowledge of the bounds of uncertainties is not required, and at each time instant, the control input compensates for the uncertainty that exists. (iii) The developed continuous control law using fundamentals of the sliding mode control theory eliminates the chattering phenomena without trade off between performance and robustness, which is prevalent in boundary layer approach. Intuitively, sliding mode control uses practically infinite gain to force the trajectories of a dynamic system to slide along the restricted sliding mode subspace. Trajectories from this reduced order sliding mode have desirable properties (e. g., the system naturally slides along it until it comes to rest at a desired equilibrium). The main strength of sliding mode control is its robustness. Because the control can be as simple as a switching between two states (e. g., "on"/"off" or "forward"/"reverse"), it need not be precise and will not be sensitive to parameter variations that enter into the control channel. Additionally, because the control law is not a continuous function, the sliding mode can be reached in finite time (i. e., better than asymptotic behavior). Under certain common conditions, optimality requires the use of bang–bang control; hence, sliding mode control describes the optimal controller for a broad set of dynamic systems. One application of sliding mode controller is the control of electric drives operated by switching power converters. Because of the discontinuous operating mode of those converters, a discontinuous sliding mode controller is a natural implementation choice over continuous controllers that may need to be applied by means of pulse width modulation or a similar technique of applying a continuous signal to an output that can only take discrete states. Sliding mode control has many applications in robotics. In particular, this control algorithm has been used for tracking control of unmanned surface vessels in simulated rough seas with high degree of success. Sliding mode control must be applied with more care than other forms of nonlinear control that have more moderate control action. In particular, because actuators have delays and other imperfections, the hard sliding mode control action can lead to chatter, energy loss, plant damage, and excitation of unmodeled dynamics. Roughly speaking, the resulting closed loop system moving along is approximated by the smooth dynamics however, this smooth behavior may not be truly realizable. Similarly, high speed pulse width modulation or delta sigma modulation produces outputs that only assume two states, but the effective output swings through a continuous range of motion. These complications can be avoided by using a different nonlinear control design method that produces a continuous controller. In some cases, sliding mode control designs can be approximated by other continuous control designs. where and are constants.
Автоматтандырылған жобалау шешімдері
Әртүрлі жылжымалы режимді басқару жүйесін жобалау теориялары болғанымен, аналитикалық және сандық әдістерде туындайтын практикалық қиындықтар салдарынан жоғары тиімді жобалау әдістемесі жетіспейді. Дегенмен, генетикалық алгоритм сияқты қайта пайдалануға болатын есептеу үлгісі, оңтайлы жобалаудың "шешілмейтін мәселесін" практикалық тұрғыдан шешілетін "детерминистік емес полиномдық мәселеге" айналдыруға мүмкіндік береді. Бұл жылжымалы модельді басқаруға арналған компьютерлік автоматтандырылған жобалауға алып келеді.