Điều khiển chế độ trượt là gì? Các bài nghiên cứu khoa học
Điều khiển chế độ trượt (SMC) là phương pháp biến cấu trong điều khiển tự động, buộc hệ thống trượt dọc bề mặt quy định để đạt độ ổn định và kháng nhiễu mạnh mẽ. Luật SMC bao gồm thành phần tương đương và chuyển mạch, đảm bảo reaching hữu hạn và động học giảm bậc trên sliding surface bất chấp sai số mô hình và nhiễu.
Điều khiển chế độ trượt là gì?
Điều khiển chế độ trượt (Sliding Mode Control – SMC) là một phương pháp điều khiển dựa trên lý thuyết hệ biến cấu (Variable Structure Systems) với mục tiêu buộc trạng thái hệ thống di chuyển dọc theo một bề mặt trượt định trước (sliding surface) trong không gian trạng thái, bất chấp nhiễu và sai số mô hình. Khi hệ đạt đến bề mặt này, động học của nó giảm bậc, trở nên độc lập với nhiễu và không chắc chắn trong mô hình, cho phép đạt được đặc tính ổn định và đáp ứng mong muốn.
Luật điều khiển trong SMC bao gồm hai thành phần chính: thành phần tương đương (equivalent control) giữ trạng thái trên sliding surface và thành phần chuyển mạch (switching control) buộc trạng thái tiến đến và duy trì trên bề mặt. Sự kết hợp này tạo ra tính kháng nhiễu mạnh mẽ và khả năng thích ứng với mô hình phi tuyến hoặc thay đổi đột ngột của hệ thống.
SMC được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển robot, hệ thống điện, hệ thống sinh học và cơ khí chính xác, đặc biệt khi yêu cầu độ bền định cao và chống chịu tốt với biến động môi trường. Khắc phục hạn chế của điều khiển cổ điển như PID trong môi trường nhiễu mạnh, SMC được coi là “lưỡi dao hai cạnh” khi vừa đơn giản trong thiết kế vừa có thể gây chattering nếu không khắc phục.
Lịch sử phát triển
Khái niệm hệ biến cấu và điều khiển chế độ trượt xuất hiện đầu thập niên 1960, khởi đầu từ nghiên cứu của Emelyanov và Filippov về động lực học của hệ không liên tục. Đến những năm 1970, giáo sư Vadim Utkin tại Viện Công nghệ Mỹ đã hệ thống hóa lý thuyết Sliding Mode Control, xuất bản các công trình nền tảng như “Variable Structure Systems with Sliding Modes”.
Trong thập niên 1980–1990, SMC được phát triển sâu hơn với sự đóng góp của Utkin, Young, và Utkin cộng sự, chứng minh khả năng ứng dụng thực tiễn trong điều khiển servo và robot công nghiệp. Các công trình này đặt nền móng cho SMC trở thành một nhánh riêng biệt trong điều khiển hiện đại.
- 1960s: Emelyanov & Filippov nghiên cứu hệ biến cấu.
- 1977: Utkin đề xuất Sliding Mode Control cho hệ tuyến tính.
- 1992: Utkin xuất bản “Sliding Modes in Control and Optimization” (Springer).
- 1995: Young & Utkin tổng kết ứng dụng SMC trong IEEE Trans. Autom. Control.
Sự phát triển tiếp theo của SMC bao gồm các biến thể bậc cao (HOSMC), adaptive SMC, và discrete SMC, mở rộng khả năng điều khiển cho hệ phi tuyến, hệ có tham số không rõ, và hệ nhúng cập nhật rời rạc.
Nguyên lý cơ bản
Thiết kế SMC bắt đầu với việc xác định sliding surface , một hàm của trạng thái x sao cho khi , hệ động học giảm bậc có đáp ứng mong muốn. Thông thường với hệ trạng thái tuyến tính , sliding surface chọn dạng với C đối xứng sao cho ma trận con có cực trái.
Quá trình điều khiển gồm hai pha:
- Pha reaching: dùng luật chuyển mạch để thỏa mãn , đảm bảo trạng thái đến sliding surface trong thời gian hữu hạn.
- Pha sliding: khi , hệ sẽ trượt dọc bề mặt với động học , loại bỏ ảnh hưởng nhiễu không xác định.
Độ ổn định được phân tích qua hàm Lyapunov , với phải âm xác định để sliding surface hấp dẫn. Thời gian reaching T có thể ước lượng bằng bất đẳng thức:
- , với .
Thiết kế luật điều khiển
Luật điều khiển SMC thường chia thành hai thành phần: điều khiển tương đương và điều khiển chuyển mạch . Với bề mặt ,
trong đó suy ra từ bằng cách giải , và hệ số K đủ lớn để vượt qua độ không xác định.
Để giảm chattering, có thể thay hàm sign bằng hàm bão hòa sat với độ rộng :
, với \mathrm{sat}(z)=\begin{cases}\sgn(z)&|z|>1\\z&|z|\le1\end{cases}.
Luật SMC | Điều khiển tương đương | Chuyển mạch | Giảm chattering |
---|---|---|---|
Bậc nhất | Giải |