This paper presents a robust finite-time sliding mode control (SMC) scheme for unknown disturbance and unmodeled nonlinear friction and dynamics in the robotic manipulator. A finite-time SMC (FSMC) surface and finite-time sliding mode controller are constructed to obtain faster error convergence than the conventional infinite-time based SMC. By adding prescribed constraint control term to a finite-time SMC to compensate for unknown disturbance and uncertainties, a robust control scheme can be designed as well as faster convergence control. In addition, simpler controller structure is built by using feed-forwarding upper bound coefficients of each manipulator dynamic parameters instead of model-based control or adaptive observer to estimate unknown manipulator parameters. Simulation and experimental evaluations highlight the efficacy of the proposed control scheme for an articulated robotic manipulator.
An electro-hydraulic manipulator using hydraulic actuators has many nonlinear elements, and its parameter fluctuations are greater than those of an electrically driven manipulator. So it is quite difficult to obtain stable control performance. We have applied a disturbance estimation and compensation type robust control to all the axes in a 6-link electro-hydraulic manipulator. It was confirmed that the performance of trajectory tracking and attitude regulating was greatly improved by the disturbance observer. For autonomous assembly tasks, it is said that compliance control is one of the most popular methods in contact task. We have proposed a compliance control based on the position control by a disturbance observer for our manipulator system. To realize more stable contact work, the states in the compliance loop are feedbacked, where not only displacement but also the velocity and acceleration are considered. We have also applied this compliance control to the Peg-in-Hole insertion task and proposed new methods of (1)rotating of the end-effector periodically in order to reduce the friction force, (2)random searching for the center of a hole and (3)trajectory modification to reduce the impact force. As a result of these new methods, it could be experimentally confirmed that the Peg-in-Hole insertion task with a clearance of 0.007 [mm] could be achieved.
Semi-submersible drilling rigs are offshore plants that perform functions such as ocean exploration for oil and gas acquisition, drilling and production, and storage and unloading of crude oil and gas. Semi-submersible drilling rigs use watertight dampers as emergency buoyancy holders. Since the watertight damper is an emergency shutoff device, it is mainly driven by a pneumatic driving system that can operate without a power supply. The pneumatic driving system has highly non-linear characteristics due to compressibility of air and external disturbance such as static and Coulomb friction. In this paper, a new control algorithm is proposed for a watertight damper driving system based on the sliding mode control with a disturbance observer. To evaluate control performance and robust stability of the designed controller, the control results were compared with the results obtained using the state feedback controller. As a result, it was confirmed that the pneumatic driving system for driving the watertight damper using the sliding mode controller with a disturbance observer can obtain excellent control performance against the parameter changes and the disturbance input.
The focal plane image stabilization for a camera is one of the most effective method that can increases the digital camera's image quality by compensating the vibration disturbance. The optical image stabilization can be implemented by making the focal plane to trace the path of incident light. To control the position of focal plane motion compensating stage precisely, a nonlinear control algorithm has been applied by considering coulomb friction which is nonlinear behavior of the compensator system. In our study, we have analyzed the hand shaking vibration using the gyro sensor, and made a mathematical model of compensating stage containing optical sensor and piezo-actuator. Then the nonlinear control algorithm has been designed and its performance has been verified by experiment. In this study, a friction driven peizo-electric actuator with $1{\mu}m$ resolution and 10mm/s speed has been used for stage movement.
Kim, Tae-Woong;Junichi Watanabe;Sumitoshi Sonoda;Junji Hirai
Journal of Power Electronics
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제1권1호
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pp.1-8
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2001
The elimination of a pole sensor is desirable due to the low-cost requirement, the compactness, and the applied drives. This paper proposes the algorithm for the initial pole-position estimation of a surface permanent magnet linear synchronous motor (PM-LSM), which is carried out under the closed loop control without a pole sensor and is insensitive to the motor parameters. This algorithm is based on the principle that the initial pole position (IPP) is estimated by the trigonometric function of the two reference currents. The effectiveness of the proposed algorithm is confirmed by testing a surface PM-LSM with large disturbance, which result shows that IPP is well estimated within a satisfied moving-distance and a shorter estimation taken-time even if large disturbance such as cogging and friction is existed.
Journal of international Conference on Electrical Machines and Systems
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제2권1호
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pp.69-76
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2013
This paper is concerned with speed tracking control problem for permanent-magnet synchronous drives (PMSM) in the presence of an variable load torque and unknown model parameters. The disturbance of speed control caused by inaccuracy of model parameters has been investigated. A load torque observer has been proposed to observe the load torque and estimate the disturbance caused by inaccuracy of model parameters. Both inertia and friction coefficient are identified in gradient descent approach. The stability condition of the observer has also been studied. Furthermore an improved feed-forward control has been introduced to reduce the speed track error. The proposed control strategy has been verified by both simulation and experimental results.
In this paper, simulation results of a robust digital tracking controller on a robotic manipulator are presented. The objective is to follow a ramp reference input with zero steady state error in the presence of a disturbance and system parameter variations. Some of the difficulties are caused by the Coulomb frictions, the disturbance due to the gravitational pull, the spring effect of a link between the drive motor and the manipulator arm. Another difficulty is that, because of the non-differentiable Coulomb friction, the digital control system cannot be represented as a discrete system. It is thus necessary to design the controller based on a discrete-continuous hybrid model. The controller is based on feeding back the state variables and augmenting the system by addition discrete integrators. The feedback gain parameters are obtained by applying the quadratic optimal control theory and then choosing the new weighting matrices to eliminate the limit cycle by using the describing function method for hybrid system.
Pneumatic driving systems have hard non-linear characteristic and large friction force compared with driving power. Hence, it cannot be robust against parameter uncertainties, modelling error, disturbance and noise. In this study, we apply a mixed $H_2/H_{\infty}$ control to the generalized plant for a pneumatic driving apparatus system including parameter uncertainty and disturbance. In order to design the $H_2/H_{\infty}$ controller, we use the LMI technique. To evaluate control performance and robust stability of the designed controller, we compare it with a conventional controller such as PVA(Position-Velocity-Acceleration state controller) using the simulation results. As a result, it can be known that designed controller shows better robust stability than the conventional controller.
A reaction wheel assembly(RWA) is the largest disturbance source that can induce high frequency micro-vibration on an optical payload of satellites. To ensure a tight pointing-stability budget of satellites, the RWA disturbance effect on spacecraft should be accurately analyzed and evaluated for whole design phases. For this purpose, the micro-vibration disturbance of RWA should be precisely measured. In the present study, two measurement methods on RWA micro-vibration disturbances are compared and investigated. One is a free run-down speed test and the other is a constant speed test. The micro-vibration data measured by the two methods are analyzed in terms of spectrum characteristics, static and dynamic imbalance values, and root sum square(RSS) values. The analysis results show that both methods can measure very similar results in time and frequency domains and that the free run-down speed method is more adequate in respects to wheel friction modeling, noise rejection of imbalance and RSS peak evaluation.
Through the motion control experiment using Industrial Emulator(Model 220 by ECP), the performance comparison of three kinds of controllers such as PID, RIC and LQR was carried out. It was shown that RIC has the best performance in the presence of disturbances such as step one, sinusoidal one and Coulomb friction for the rigid body. LQR using feedback state variables has the best tracking performance far the flexible body. The performance of PID controller is low compared to other controllers, but the design process is simple. The most advanced controller is LQR. In order to attenuate disturbance, an additional state observer should be used to estimate it, making more complex control system. RIC lies between PID and LQR in view of complexity of design. Even though RIC is not complicated, it has good disturbance rejection ability and less tracking error. By considering these aspects, the RIC is suggested as high precision controller to be used in motion control system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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