Forscher realisieren endliche exakte Nachführung bei Aktuatorfehlern in Systemen

de.wedoany.com-Bericht: Die Forscher Kong Y Z, Wu X Q, Mao B et al. haben mithilfe der Gleitmodenregelung eine global leistungsgarantierte endliche exakte Nachführungsregelung für streng rückgekoppelte nichtlineare Systeme mit Aktuatorfehlern realisiert und das Problem unbekannter virtueller Steuerrichtungen gelöst.

Die Trajektoriennachführung ist ein grundlegendes Problem der Regelungstechnik. Herkömmliche Methoden zur Behandlung streng rückgekoppelter nichtlinearer Systeme können in der Regel nur die asymptotische Konvergenz oder die gleichmäßige Beschränktheit des Nachführungsfehlers garantieren, was die Anforderungen an eine hochpräzise schnelle Regelung nur schwer erfüllt. Die endliche exakte Nachführungsregelung bietet Vorteile wie schnelle Konvergenz, hohe Regelgenauigkeit und starke Robustheit und hat ein großes Anwendungspotenzial in der praktischen Technik. Aktuatorfehler sind ein Schlüsselfaktor, der die Systemzuverlässigkeit beeinträchtigt. Obwohl bestehende fehlertolerante Regelungsmethoden unsichere nichtlineare Systeme mit Aktuatorfehlern behandeln können, fehlt ihnen in der Regel eine strenge Garantie des transienten Verhaltens. Die Performance-Vorgabe-Regelung (Prescribed Performance Control) schränkt das transiente und stationäre Verhalten des Systems durch die Konstruktion einer trichterförmigen Leistungsfunktion ein, aber ihre Kombination mit der fehlertoleranten Regelung steht noch vor Herausforderungen. Im Rahmen streng rückgekoppelter nichtlinearer Systeme erfordert der Entwurf einer Regelungsstrategie, die gleichzeitig eine endliche exakte Nachführung realisiert, vorgegebene Leistungskennzahlen garantiert und fehlertolerant ist, die Überwindung der Einschränkungen herkömmlicher Methoden hinsichtlich der Anfangsbedingungen, die wirksame Behandlung von Unsicherheiten im System und die Sicherstellung der Beschränktheit aller geschlossenen Kreissignale bei gleichzeitiger exakter Nachführung in endlicher Zeit.

Als Antwort auf die oben genannten Probleme hat diese Studie erstmals mithilfe der Gleitmodenregelung eine global leistungsgarantierte endliche exakte Nachführungsregelung für streng rückgekoppelte nichtlineare Systeme mit Aktuatorfehlern realisiert und erfolgreich das Schlüsselproblem der unbekannten virtuellen Steuerrichtung gelöst. Die Hauptbeiträge umfassen: Realisierung der endlichen exakten Nachführung – bestehende Studien können in der Regel nur eine asymptotische oder beschränkte Nachführungsregelung realisieren; Behandlung des Problems der unbekannten virtuellen Steuerrichtung, wodurch der Anwendungsbereich des Regelungsschemas erweitert wird; die vorgeschlagene tan-Fehlertransformationsmethode und die lyapunov-ähnliche Funktion beseitigen die inhärenten Einschränkungen der Anfangsbedingungen und die Effekte der Fehlerfläche herkömmlicher Regelungsmethoden und gewährleisten gleichzeitig die globale Beschränktheit aller geschlossenen Kreissignale.

Die Studie hat die Wirksamkeit und Überlegenheit der Methode durch numerische Simulationen validiert. In Experiment 1 wurde in einem störungsfreien Pendelsystem ein Vergleich mit einer Methode durchgeführt, die nur einen gleichmäßig beschränkten Fehler garantieren kann. Die Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Regler die endliche Konvergenz des Nachführungsfehlers auf Null bei gleichzeitiger Einhaltung der vorgegebenen Leistung erreichen kann und der Ausgang das Referenzsignal schneller nachführen kann.

In Experiment 2 wurde in einem Pendelsystem mit externen Störungen ein Vergleich mit einem bestehenden robusten Regler durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Referenzmethode nur eine gleichmäßige Beschränktheit des Nachführungsfehlers realisieren kann, während der vorgeschlagene Regler bei gleichzeitiger Einhaltung der vorgegebenen Leistungsbeschränkungen den Nachführungsfehler in endlicher Zeit auf Null treiben kann, was ein besseres Einschwingverhalten und eine schnellere Konvergenzgeschwindigkeit zeigt.

Die Simulationsergebnisse bestätigen, dass der vorgeschlagene Regler bei Vorhandensein von Aktuatorfehlern, Komponentenfehlern und externen Störungen eine endliche exakte Nachführung des Referenzsignals realisieren kann, wobei Konvergenzgeschwindigkeit und Überschwingen besser sind als bei bestehenden Methoden. Die Forscher Kong Y Z, Wu X Q, Mao B et al. veröffentlichten ihre Arbeit in der Zeitschrift „Science China Information Sciences“ (chinesischer Titel: Science China Information Sciences) unter dem Titel „Performance-guaranteed finite-time exact-tracking of strict-feedback systems with actuator faults“.