Performance of first and second-order sliding mode observers for nonlinear systems

This paper presents a brief study on the design and performance comparison of conventional first-order and super-twisting second-order sliding mode observers for some nonlinear control systems. Estimation accuracy, fast response, chattering effect, peaking phenomenon and robustness are considered for nonlinear ystems under observer-based output feedback control and state feedback control

Learning and Reacting with Inaccurate Prediction: Applications to Autonomous Excavation

Motivated by autonomous excavation, this work investigates solutions to a class of problem where disturbance prediction is critical to overcoming poor performance of a feedback controller, but where the disturbance prediction is intrinsically inaccurate. Poor feedback controller performance is related to a fundamental control problem: there is only a limited amount of disturbance rejection that feedback compensation can provide. It is known, however, that predictive action can improve the disturbance rejection of a control system beyond the limitations of feedback. While prediction is desirable, the problem in excavation is that disturbance predictions are prone to error due to the variability and complexity of soil-tool interaction forces. This work proposes the use of iterative learning control to map the repetitive components of excavation forces into feedforward commands. Although feedforward action shows useful to improve excavation performance, the non-repetitive nature of soil-tool interaction forces is a source of inaccurate predictions. To explicitly address the use of imperfect predictive compensation, a disturbance observer is used to estimate the prediction error. To quantify inaccuracy in prediction, a feedforward model of excavation disturbances is interpreted as a communication channel that transmits corrupted disturbance previews, for which metrics based on the sensitivity function exist. During field trials the proposed method demonstrated the ability to iteratively achieve a desired dig geometry, independent of the initial feasibility of the excavation passes in relation to actuator saturation. Predictive commands adapted to different soil conditions and passes were repeated autonomously until a pre-specified finish quality of the trench was achieved. Evidence of improvement in disturbance rejection is presented as a comparison of sensitivity functions of systems with and without the use of predictive disturbance compensation

Commande des systèmes sous frottement utilisant le formalisme LMI : application aux systèmes robotiques avec contact et aux actionneurs pneumatiques

Le frottement présente systématiquement un risque accablant dans l'altération des performances de mouvement des systèmes mécaniques. La mise-en-place d'un système de contrôle efficace pour dissiper ce genre d'anomalie constitue encore un sujet d'actualité dans les domaines de la recherche et de l'ingénierie. Les mécaniciens, les tribologues, spécialistes de la théorie de frottement, et les automaticiens oeuvrent pour l'étude de ce phénomène des points de vue: caractérisation, modélisation et compensation. Une revue assez exhaustive de ces travaux est présentée dans le chapitre 1. Dans le présent travail de thèse, nous proposons un schéma général de contrôle des systèmes sous frottement que nous pouvons utiliser dans plusieurs applications. En respectant les paradigmes standards de stabilité, de robustesse et d'optimisation (de types H2, H∞ , etc.), ce shéma est basé sur l'estimation en boucle fermée du frottement dynamique, selon le modèle de LuGre, et la structure dynamique de contrôle linéaire par retour de sortie. La synthèse de cette commande repose sur les outils numériques des inégalités matricielles linéaires. En plus, pour tenir compte de la variété des structures dynamiques de mouvement et aussi de force dans les différents dispositifs en question, le schéma de la commande que nous proposons peut comprendre des termes d'actions statiques (ou) dynamiques, linéaires (ou) non linéaires et éventuellement robustes. Une illustration simple de la commande de mouvement d'une masse, sur une surface sous frottement, est exposée dans le chapitre 2. Il s'agit d'une généralisation du principe de commande stabilisante par rétroaction statique introduit par Canudas et al.(1995). Ensuite, nous appliquons notre schéma dans des cas plus complexes (non linéarités, incertitudes et couplages de force/position non négligeables). Pour ce faire, nous proposons dans le chapitre 3 l'étude de la commande hybride de position/force du robot manipulateur dont l'élément final est en contact sous frottement avec une surface donnée. Dans le chapitre 4, nous développons le schéma de contrôle de force (i.e. de pression) de l'actionneur pneumatique. Et dans le chapitre 5, nous présentons le schéma détaillé de contrôle de position de ce type d'installation qui renferme plusieurs points de contact avec frottement. Des résultats expérimentaux sont présentés pour valider notre approche de commande et aussi la comparer à d'autres schémas de commande et/ou de compensation de frottement. Pour conclure ce travail, nous recommandons, en particulier, l'extension de l'approche proposée en utilisant un modèle de frottement encore plus générale comme celui de glissement généralisé de Maxwell (GMS) dans une suite logique et aussi ambitieuse de ce travail