학술논문
미지의 방향성을 갖는 불확실한 스위치드 비선형 시스템의 추종 제어와 고장 수용을 위한 강인 비 근사화 설계 / Robust Approximation-Free Design for Tracking and Fault-Tolerance of a Class of Uncertain Switched Nonlinear Systems With Unknown Control Direction
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
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Subject
Language
English
Abstract
본 논문에서는 미지의 방향성을 갖는 불확실한 스위치드 순궤환 시스템의 고장 수용 추종 제어를 위한 강인 비 근사화 설계 문제를 다룬다. 스위치드 비선형성과 스위치드 제어 계수 함수 그리고 외부 외란들은 알려지지 않았다고 가정된다. 우선, 모든 오차 표면들이 미리 선정하는 제어 성능을 만족하는 엄격궤환과 순궤환 형태의 비선형 스위치드 시스템에 대한 강인 비근사화 공통 추종 제어기법을 제안한다. 추종 제어기 설계를 위하여, 모든 에러 표면들은 비선형 성능 함수를 통하여 비선형적으로 변환되고 설계된 추종 시스템의 안정도 분석을 위하여 르아프노브 방법이 적용된다. 다음으로, 제안된 방법은 미지의 제어 방향성을 가진 고장 수용 제어 문제로 확장된다. 시스템의 스위치드 비선형성과 액츄에이터에 예상치 못한 고장이 발생했을 때, 제안된 제어 기법은 재설계의 과정을 거치지 않고 적용될 수 있다. 기존의 스위치드 비선형 시스템에 관한 연구 결과들와 비교했을 때, 제안된 추종 제어기는 가상 제어기의 반복된 미분으로 인한 계산의 복잡성과 미지의 비선형성과 고장을 보상하기 위한 적응 근사 함수를 사용하지 않아 간단한 형태를 갖는다. 끝으로, 수학적인 예제를 이용한 모의 실험과 실제 장비인 유연 관절 로봇을 이용한 실험을 통해 제안된 이론적인 제어기의 효과를 입증하였다.
This thesis investigates robust approximation-free design problems for tracking and fault-tolerance of arbitrarily switched lower-triangular nonlinear systems with unknown control directions. Switched nonlinearities, switched control coefficient functions, and external disturbances are assumed to be unknown in lower-triangular form. First, the robust approximation-free common tracking schemes for nonlinear switched systems in strict-feedback and pure-feedback forms are presented to ensure that all the error surfaces remain within the predefined bounds and finally converge to a preassigned neighborhood of the origin. For the tracker designs, all error surfaces are nonlinearly transformed via nonlinear performance functions and the common Lyapunov method is employed to analyze the stability of the designed tracking systems. Then, the proposed methodology is extended to the fault-tolerant tracking problem in the presence of unknown control direction. Under the unexpected faults in the switched nonlinearities and the actuator of systems, it is shown that the proposed tracking schemes can be reused without any reconstruction. Contrary to the existing results for switched nonlinear systems, the proposed trackers can be simply designed without requiring the computation of repeated time derivatives of virtual controllers and the use of the adaptive function approximators for compensating unknown nonlinearities and faults. Finally, the simulation results of the numerical examples and the experiment result of the flexible-joint manipulator system are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed theoretical results.
This thesis investigates robust approximation-free design problems for tracking and fault-tolerance of arbitrarily switched lower-triangular nonlinear systems with unknown control directions. Switched nonlinearities, switched control coefficient functions, and external disturbances are assumed to be unknown in lower-triangular form. First, the robust approximation-free common tracking schemes for nonlinear switched systems in strict-feedback and pure-feedback forms are presented to ensure that all the error surfaces remain within the predefined bounds and finally converge to a preassigned neighborhood of the origin. For the tracker designs, all error surfaces are nonlinearly transformed via nonlinear performance functions and the common Lyapunov method is employed to analyze the stability of the designed tracking systems. Then, the proposed methodology is extended to the fault-tolerant tracking problem in the presence of unknown control direction. Under the unexpected faults in the switched nonlinearities and the actuator of systems, it is shown that the proposed tracking schemes can be reused without any reconstruction. Contrary to the existing results for switched nonlinear systems, the proposed trackers can be simply designed without requiring the computation of repeated time derivatives of virtual controllers and the use of the adaptive function approximators for compensating unknown nonlinearities and faults. Finally, the simulation results of the numerical examples and the experiment result of the flexible-joint manipulator system are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed theoretical results.