Commande Hiérarchique Non Singulière en Mode Glissant Terminal pour Systèmes Non Linéaires Sous-Actionnés Contraints Contre les Défauts de Capteurs

Contexte

Dans les pratiques d’ingénierie modernes, les systèmes sous-actionnés (under-actuated systems) sont largement utilisés dans des domaines tels que les grues, les pendules inversés à roues et les robots serpentins en raison de leur structure simple, de leur faible consommation d’énergie et de leur grande flexibilité. Cependant, le nombre d’entrées de contrôle dans les systèmes sous-actionnés est inférieur au nombre de degrés de liberté (degrees of freedom, DOF), ce qui pose d’énormes défis pour la conception des contrôleurs et l’analyse de la stabilité. Bien que de nombreuses stratégies de contrôle aient été proposées, telles que le contrôle par linéarisation par rétroaction, le contrôle adaptatif et le contrôle robuste, ces méthodes présentent souvent des problèmes de complexité élevée et de dépendance à la précision du modèle dans les applications pratiques. De plus, les défaillances des capteurs peuvent entraîner la perte d’informations d’état partielles, affectant ainsi la surveillance et les performances du système, voire provoquant une instabilité du système. Par conséquent, la conception d’une stratégie de contrôle efficace et robuste en cas de défaillance des capteurs est devenue un problème de recherche actuel.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Minggang Liu, Ning Xu, Huanqing Wang, Guangdeng Zong, Xudong Zhao et Lun Li, respectivement issus du College of Control Science and Engineering, Bohai University, du College of Information Science and Technology, Bohai University, du College of Mathematical Science, Bohai University, du School of Control Science and Engineering, Tiangong University, de la Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology et du College of Machinery and Automation, Weifang University. L’article a été accepté le 13 février 2025 et publié dans la revue Nonlinear Dynamics, avec le DOI 10.1007/s11071-025-11011-8.

Contenu de la recherche

Problème de recherche

Cet article étudie le problème du contrôle adaptatif hiérarchique non singulier par mode glissant terminal (Hierarchical Non-Singular Terminal Sliding Mode Control, HNTSMC) pour les systèmes non linéaires sous-actionnés avec des contraintes d’état asymétriques variant dans le temps, en cas de défaillance des capteurs. En raison des défaillances des capteurs, les véritables variables d’état du système ne peuvent pas être obtenues directement, d’où la nécessité de baser la conception du contrôleur sur les informations d’état mesurées par les capteurs.

Processus de recherche

1. Transformation du système
   En raison des défaillances des capteurs, les véritables variables d’état du système ne peuvent pas être obtenues directement. Cet article utilise une fonction barrière unifiée (Unified Barrier Function, UBF) pour transformer le système original en un système sans contraintes, afin de résoudre le problème des contraintes d’état asymétriques variant dans le temps. Plus précisément, les variables d’état mesurées sont transformées en variables d’état sans contraintes via l’UBF, évitant ainsi l’impact des contraintes d’état sur la conception du contrôleur.

2. Conception du contrôle hiérarchique non singulier par mode glissant terminal
   Pour le système sans contraintes transformé, cet article propose une technique de contrôle hiérarchique non singulier par mode glissant terminal. Cette technique décompose le problème de contrôle des systèmes sous-actionnés en plusieurs niveaux, chaque niveau correspondant à un contrôleur par mode glissant, résolvant ainsi le problème de non-correspondance entre les entrées de contrôle et les variables contrôlées. De plus, cette méthode évite le problème de singularité qui peut survenir dans le contrôle par mode glissant terminal traditionnel et assure une convergence en temps fini.

3. Conception du contrôleur adaptatif robuste de compensation des défauts
   Pour compenser les incertitudes et les dynamiques non linéaires causées par les défaillances des capteurs, cet article conçoit un contrôleur adaptatif robuste de compensation des défauts basé sur les réseaux de neurones à fonction de base radiale (Radial Basis Function Neural Networks, RBFNNs). Ce contrôleur peut compenser de manière adaptative les effets des défauts sans connaissance préalable des coefficients de défaut.

4. Mécanisme de déclenchement dynamique d’événements
   Pour réduire la charge de communication inutile, cet article introduit un mécanisme de déclenchement dynamique d’événements (Dynamic Event-Triggered Mechanism, DETM). Ce mécanisme ajuste dynamiquement le seuil de déclenchement en fonction de l’état global, économisant ainsi davantage de ressources de communication.

Résultats expérimentaux

Cet article valide l’efficacité du schéma de contrôle proposé à travers une simulation d’un système de grue. Les résultats expérimentaux montrent que, malgré la défaillance des capteurs à 40 secondes, les variables d’état mesurées restent stables grâce au mécanisme de compensation des défauts conçu dans cet article, et restent toujours dans les limites des contraintes d’état asymétriques variant dans le temps. De plus, la technique de contrôle hiérarchique non singulier par mode glissant terminal résout efficacement le problème de non-correspondance entre les entrées de contrôle et les variables contrôlées et assure une convergence en temps fini.

Conclusions principales

Cet article propose une stratégie de contrôle adaptatif hiérarchique non singulier par mode glissant terminal déclenché dynamiquement pour les systèmes non linéaires sous-actionnés avec contraintes en cas de défaillance des capteurs. Cette stratégie résout le problème des contraintes d’état via la fonction barrière unifiée et assure la convergence en temps fini du système grâce à la technique de contrôle hiérarchique par mode glissant. De plus, le contrôleur adaptatif robuste de compensation des défauts basé sur les réseaux de neurones compense efficacement les incertitudes et les dynamiques non linéaires causées par les défaillances des capteurs. Les simulations expérimentales valident l’efficacité de ce schéma de contrôle.

Points forts de la recherche

1. Application de la fonction barrière unifiée : Cet article est le premier à appliquer la fonction barrière unifiée aux systèmes non linéaires avec contraintes dynamiques, résolvant le problème des contraintes d’état asymétriques variant dans le temps.
2. Technique de contrôle hiérarchique non singulier par mode glissant terminal : Cette technique résout non seulement le problème de non-correspondance entre les entrées de contrôle et les variables contrôlées dans les systèmes sous-actionnés, mais évite également le problème de singularité dans le contrôle par mode glissant terminal traditionnel.
3. Mécanisme de déclenchement dynamique d’événements : Par rapport au mécanisme de déclenchement statique d’événements, le mécanisme de déclenchement dynamique d’événements économise davantage de ressources de communication et réduit la fréquence de communication.

Signification de la recherche

Les recherches de cet article fournissent une nouvelle solution pour le contrôle des systèmes non linéaires sous-actionnés en cas de défaillance des capteurs, ayant une importante signification théorique et une valeur pratique. La stratégie de contrôle proposée peut non seulement traiter efficacement les problèmes de contraintes d’état, mais aussi assurer la stabilité et la robustesse du système en cas de défaillance des capteurs. De plus, l’introduction du mécanisme de déclenchement dynamique d’événements offre une nouvelle perspective pour réduire la charge de communication, ayant un large potentiel d’application.

Conclusion

En introduisant la fonction barrière unifiée, la technique de contrôle hiérarchique non singulier par mode glissant terminal et le mécanisme de déclenchement dynamique d’événements, cet article propose une stratégie de contrôle adaptatif pour les systèmes non linéaires sous-actionnés avec contraintes en cas de défaillance des capteurs. Cette stratégie démontre de bonnes performances tant sur le plan théorique que dans les simulations expérimentales, fournissant une référence importante pour les recherches et applications dans ce domaine.