TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.4, April 201 4, pp. 2628 ~ 2 6 3 5   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i4.4754          2628     Re cei v ed Se ptem ber 7, 2013; Re vi sed  Octob e r 13, 2 013; Accepte d  No vem ber  3, 2013   Pitch Channel Control of Airship with Adaptive Sliding  Mode      Xinli Zhang*, Yunan Hu, Baoliang G e ng  Dep a rtment of control e ngi ne erin g, Naval A e ron autica l  An d Astronaut ic al  Universit y , Ya nti, 2640 01   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 3934 55 3@q q . com      A b st r a ct   Based on   the non lin ear mod e of airsh i p pit c ch a n n e l,  a  kind of  sli d in g mo de  c ontro l meth od is   desi gne d w i tho u t any  pri o r i n formatio n  a b o u t airsh i p  par a m eters. T he  ad a p tive tur n in g l a w  is ad opte d  t o   solve  the  unk n o w n  infor m atio n of  airsh i p  in   mo de l.  So t he  w hole  infor m at ion  for co ntrol l e r ca n us ed  ar e   only t he  meas ure m e n t of p i th a ngl e a n d  its  an gle  spe ed.   Detail ed  si mu l a tion  are  do ne  for tw o situati o n s   such as airs hip  flying w i th big  trust and small  trust Nu meric a l si mul a tio n  re sults show s that the airshi p ca n   fly smooth  a n d  safe. Esp e ci al ly, the c ontro ll er ca n us e  the sam e  g r ou p of p a r ame t e r du ri ng  al l  ki nd o f   abov e flyin g  co nditi ons. So it show s that the  propos ed  meth o d  is reaso n a b le  and effective.      Ke y w ords : air s hip, pitch ch a nne l, ada ptive, slidi ng  mo de     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Comin g  into   21th  centu r y, the value  o f   Nea r-Sp a ce  ha s a r ou se d pe ople' attention  greatly,  and Nea r-Sp a ce Vehicle s   a r e very  con c e r n ed by pe ople ,  and then th e   airship  with  many  ex celle nce s  be com e s pop ular  rese arch su bj ect in  inte rn ational [1 -8].  Among  the  key  techn o logie s   applie d in de velopment of  the   airs hip ,  the design  of Auto-co n trol system is th e   most im po rta n t one  , a nd t he d e velopm ent of th e ai rship  will  be  a   chall enge  mi ssi on  be cau s e of  its  es pec i al complexity [9-17].  Previou s   work in  pa pe r [1 -3] di scu s sed  the  m odel  o f  airship  an d  its PID cont rol. It is  easy to make  a concl u si on  that PID control is  still the most useful method until  now. It has m any  advantag es such as  it  i s  very  simpl e  and  effe ct ive and trustful.  But in this  pape r, a  kin d  of  adaptive  slidi ng mo de m e thod i s  u s e d  i n  the d e si gn  of co ntrolle r f o r ai rship’ s pi tch  chan nel.  With  the sim u latio n  analy s is  we found th at it is also  very  effective. It almost h a s th e  sam e  swiftn ess   and  robu stne ss  ch aracte rs a s  the PID cont rol met hod. And it i s  worth to  p o int out that  the  adaptive  strat egy is u s ed t o  solve t he  u n ce rtaintie s o f  the mod e l of  ai rship,  so  it  is different fro m   PID co ntrol  method. So i t  is also a  effective  metho d  for the  ana lysis a nd  con t roller  de sign  of   compl e x flying obje c t. Esp e cially, this m e thod i s  mo re  conve n ient t han PID m e thod to  cop e   with  high orde r sy stem and u n certaintie s and  nonline a ritie s     2. Model Des c ription   Based  on th e previo us  work, th e pitch  cha nnel m o del of airshi p  can  be d e scribed  as  follows :     () () M xf x g x u                                                                              (1)    And  ] [ z x q w u x M sat i sf ie s:    11 1 3 22 31 3 3 1 1 1 1 aa a aa M                                                                      (2)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Pitch Cha nne l Control of Ai rshi p with Ad aptive Slidin g  Mode (Xinli  Zhang 2629 The definition  of  ij a  see the d e finition of  M in previou s  work.  Cho o se the expect value  of all states  ,, , , , uw q x z  are ,, , , , dd d d d d uw q x z ,Define  the error vari able  d ex x  ex  then it hold:     () ( ) M ef x g x u                                                                       (3)    Use the inverse matrix of  M   11 () () eM f x M g x u                                                                        (4)    To make it co nvenient for readin g , some  function s ca n be written a s  follows:     6 5 4 3 2 1 ) ( f f f f f f x f 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 ) ( 2 1 k k x g T u u u 2 1                                      (5)    Whe r e:     cos sin sin cos sin )] sin( ) sin( ) 2 sin( ) 2 sin( ) 2 / cos( [ ) ( )] sin( ) sin( ) 2 sin( ) 2 sin( ) 2 / cos( [ ) ( ) 2 / sin( ) 2 sin( cos [ ) ( 3 2 1 3 2 1 2 11 2 2 1 33 6 5 4 3 2 1 w u w u q W a C C C Q rv wq ma C C C Q q ma qu m m C C Q wq m m f f f f f f z M M M z z z z z X X              Define:     6 5 4 3 33 1 31 2 22 3 13 1 11 6 5 4 3 2 1 1 ) ( f f f f a f a f a f a f a f f f f f f x f M a a a a a a                                                                      (6)    And,     0 0 0 ) ( 1 2 1 1 2 u k u k u u x g                                                                                   (7)    Then the  syst em can b e  written as follows:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2628 – 2 635   2630 0 0 0 1 2 33 2 31 1 1 22 1 2 13 2 11 6 5 4 3 2 1 u k a u a u k a u k a u a f f f f f f z x q w u a a a a a a                                                   (8)       3.  Adaptiv e  Sliding Mod e  Control of  Attitude  Assu me the  velocity of airshi p is a  co nstan t, it means that the  power of airship is a  con s tant, a n d  the  control o b jective i s  to   desi gn  cont rolle su ch th at the pit c a ngle  ca n tra c e a  con s tant,  without lo st g e nerality, a s su me the  pitch  angl e i s   3 . 57 / 2 d , define the  sli d ing   mode a s      q c s d ) ( 1 1                                                                               (9)    And solve the  derivatives o f   1 s   1 2 33 2 31 3 33 1 31 1 1 1 u k a u a f a f a q c q q c s                        (10)    Con s id er  th e sep a ratio n   d e s ign metho d  and  u s e   1 u  to control th e hei ght of ai rship  and  use  2 u  to contro l the flying distance of airsh i p, then assu me  1 u  is a co nstant and de si gn.    2 4 3 2 1 1 1 0 1 ˆ ˆ ˆ ˆ u k k q k s k s k u                                             (11)    Then,     ) ˆ ˆ ˆ ˆ ( 2 4 3 2 1 1 2 33 2 31 3 33 1 31 1 1 u k k q k s k k a u a f a f a q c s    (12 )     And arrang e it as:     1 1 2 33 0 2 33 1 2 4 2 33 31 3 2 33 3 33 1 31 2 2 33 1 1 1 1 ) ˆ ( ) ˆ ( ) ˆ ( ) ˆ ( s k k a k k a a u k k a a k k a f a f a q k k a c s a s                     (13)    Define:     2 2 2 33 1 ~ ˆ k k k a c                                                                                    (14)    Then,     2 2 33 2 ˆ ~ k k a k                                                                                         (15)    Also define:     3 2 33 3 33 1 31 3 ˆ ~ k k a f a f a k                                                                   (16)    Whe r e,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Pitch Cha nne l Control of Ai rshi p with Ad aptive Slidin g  Mode (Xinli  Zhang 2631 ) ( 3 33 1 31 3 f a f a k a                                                                                (17)    And define:     4 2 33 31 4 ˆ ~ k k a a k                                                                       (18)    Also define:      1 2 33 0 2 33 1 1 ˆ ~ k k a k k a a k                                                                    (19)    And arrang e the slidi ng mo de as:     1 1 2 4 3 2 1 1 1 ~ ~ ~ ~ s k u k k q k s a s                                                      (20)    De sign the tu rning la w of a daptive para m eter,     1 1 1 1 ˆ s s k                                                                                       (21)    Also de sign t he turnin g la w of adaptive  param eter e s timation.     1 2 4 4 ˆ s u k                                                                               (22)    And desi gn th e estimation  value as:     q s k 1 2 2 ˆ                                                                                       (23)    At last, desig n turning la for  3 ˆ k  .    1 3 3 ˆ s k                                                                               (24)    Cho o se the whole Lyap uno v function as:     4 1 2 2 33 2 1 ) ~ ( 2 1 2 1 i i i a k k a s V                                                       (25)    And solve its  derivatives a s   a a k k k a s a V 3 3 2 33 3 2 1 1 ~ 1                                                  (26)    Whe r e:     3 2 33 3 33 1 31 3 ˆ ~ k k a f a f a k                                                            (27)    Then the  system can  be  stable with th e   assumptio n  that the control paramete r 1 a is big  enou gh. So consi der give n  interval  d x  aro und state x , s i nc a k 3 is bound e d  , then ther e   exists a  1 a  big   enou gh th at  make s the  d e rivatives of  Lyapun ov fun c tion i s  sm all  than  zero.  It  also me an s that the syste m  can be  sta b le.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2628 – 2 635   2632 4.  Numerical Simulation  No w the num erical simul a tion is don e to sho w  the rig h tness of abo ve design. To  make   the velocity to be a con s tan t, design a ve locity cont roll er first. To m a ke it simpl e  and al so with out  infect the real  control effe ct, we can a s sume the  po wer of airship to be a con s ta nt, so we de sign     5000 2 u , now the  ve locity of  airship i s   about   s m / 20 . And if  we   cho o se  10000 2 u , the   velocity of airship  can b e   s m / 30 a r oun d.  The si mulation resu lt is as follows.        Figure 1. Forward Velo city      Figure 2. Forward Velo city      Base o n  the  assumptio n  that the forwa r spee d of  air can b e  a  stable  co nst ant, the  tracin co ntro ller  of a  given  pitch  a ngle  o f  airshi p  can  be d e si gne as foll ows. T he  cont rol  effect   of given  pitch  angl e 3 . 57 / 2 d and 3 . 57 / 10 d  is  given a s  foll o w  figu re s,  wh ere  the  co ntrol  para m eters  is d e sig ned  as follows:  1 1 c 3 . 0 0 k , 001 . 0 1 , 005 . 0 2 , 002 . 0 3 3 . 57 / 2 d So the con c l u sio n  ca n be  made acco rding  to the above cu rves.  The airshi p can climb  from 0 m to 1700m in 2 0 00 s with a g i ven pitch an gle 2 deg ree.  And  the curve of actuato r  is  smooth a nd the pitch a ngl e only has  o n e  overshoot  without chatters.    Con s id erin g increa sing the  powe r  and th e forwa r sp e ed to verify the effectivene ss of the pitch  angle controll er,  cho o se  10000 2 u , assume the ini t ial height is 1 ,   and the expected pit c angle i s  20 d egre e , the co ntrol pa ramet e r is  keep the  same a s  abo ve, the simulation re sult is  s h ow  as  b e l ow  fig u r es       Figure 3.   Fo rward Velo city       Figure 4.   Vert ic al Veloc i ty   0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 t/ s m/ s 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 30 35 t/ s m/ s 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 5 10 15 20 25 t/ s 水平 行速度 () m/s 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -0. 2 5 -0. 2 -0. 1 5 -0. 1 -0. 0 5 0 t/ s 垂向 行速度 () m/s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Pitch Cha nne l Control of Ai rshi p with Ad aptive Slidin g  Mode (Xinli  Zhang 2633     Figure 5.   Angle Veloc i ty       Figure 6.   Pitch  Angle       Figure 7.   Flying Di stan ce       Figure 8.   Hei ght       Figure 9.   Act uator Angl e         Figure 10. Fo rwa r d Velo cit y     Figure 11. Vertic al Veloc i ty   0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 x 1 0 -4 t/ s 角速度( r ad/ s 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -1 -0. 5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 t/ s 姿角 () deg 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 x 1 0 4 t/ s 水平 行距离 () m 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 t/ s 行高 () m 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 t/ s 舵偏角 deg 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 5 10 15 20 25 30 35 t/ s 水平 行速度 () m/ s 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -1. 4 -1. 2 -1 -0. 8 -0. 6 -0. 4 -0. 2 0 t/ s 垂向 行速度 () m/ s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2628 – 2 635   2634     Figure 12.   An gle Velocity       Figure 13.   Pitch  Angle       Figure 14.   Fly i ng Di stan ce       Figure 15. He ight       Figure 16. Actuator Angle       We can find that the forwa r d sp eed of  a i rshi p is still stable and it is about  s m / 27 , and  the airshi ca n also fly wit h  a  smo o th resp on se  with  a big  pitch a ngle, whe r e t he max  actu a t or   angle  is sma ll than  11  de gree.  Also  th e cli m bi ng   speed  is in cre a se d a n d  th e it  can  rea c h   2100 0m heig h t in 2000 s.       5.  Conclusi on  Con s id erin g the above t w o  situation s  th at flying ship  flies with bi trust an d sm all trust,    all the control l er paramete r s ca n be ke e p  the same   without any turning. And all flying pro c e s ses   are  ve ry smo o th  an d safe, so  th e whole  control  effe c t   is   s a tis f ac tory .  It tes t ifies  t hat the method   prop osed in this pa per i s  e ffective for airship pit c h cha nnel control.    0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -1 0 1 2 3 4 5 x 1 0 -3 t/ s 角速度( r ad/ s 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 t/ s 姿角 () deg 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 1 2 3 4 5 6 x 1 0 4 t/ s 水平 行距离 () m 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 x 1 0 4 t/ s 行高 () m 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 2 4 6 8 10 12 t/ s 舵偏角( deg Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Pitch Cha nne l Control of Ai rshi p with Ad aptive Slidin g  Mode (Xinli  Zhang 2635 What i s  wo rth y  pointing out  is that the w hole controlle r only u s ed th e pitch a ngle  and its  spe ed  withou t any other  speci a l inform ation ab out  the airshi p st ructure o r  pa rameters. So  it  mean s that th e adaptive m e thod is  effective to c ope t he un kno w n f unctio n s in th e whol e airsh i model s. And  the  cont roll er  paramete r s a r e  not  ne ce ssary to  chang e d u rin g  differe nt flying  con d ition. It  mean s that the pro p o s adaptive  slidi ng mode  con t rol method i s  rea s o nabl e  for   airship contro l.      Referen ces   [1]    LB T u ckerman.  Inertia  F a ctors  of Ell i ps oids  for Use  in  Airs h i p D e si gn.  N a c a  Re ports . 2 0 0 6 ; 14( 3): 45- 50.   [2]    EC de Paiv a, SS Buen o. Influenc e of W i nd  Spee d on Airs hip D y n a mics.  Journ a l of Gui danc e, Contro l   and Dy na mics.   2002; 2 5 (6): 1 16-1 24.   [3]    Sergio B Varella Go mes, J o s ue Jr G  Ramos.  Airship  dy n a mic  mo del in g  for aut ono mo us o perati on.   Procee din g s of  the 200 3 IEEE. Internation a C onfer ence  on  Robotics&A u tomatio n . 200 3: 5-14.   [4]    JS Uh lman,  NE Fin e , DC  Krin g.  Ca lcu l atio n of  the  Add e d  Mass  an d D a mp in g F o rces   o n   Superc a vitatin g  Bodi es.  T he  4th Internati o n a l S y m pos ium  on Ca v i tatio n , Califor ni a. 200 1: 7-13.   [5]    D Clarke. C a lc ulati on of the A dde d Mass of Ellip tic a l C y l i n d e rs in Sha llo w   W a ter. Ocean Engi neer in g.   200 1; 28(4): 61 -72.  [6]    CJ Atkinson, RG Urso.  Mode l i ng  of App a re n t  Mass Effects for the R eal-T ime Si mulati on  of a Hy bird   Airship.  AIAA Mode lin g an d Simulati on T e chno log i es C onf erenc e an d Exhibit, Ke yston e .  2006: 21- 32.   [7]   Yokomaku  Y.  T he Stratosph e ric Platfor m  Airship R& D Progra m  of Ja pan.  T he 2nd  Stratospheri c   Platform S y ste m s W o rkshop, T o ky o J apa n. 200 0: 7~ 13.   [8]    SP Jon e s, JD   Laur ier.  A e rod y na mic  Esti ma tion T e c h n i qu e s  for Aer o stats  an d A i rshi ps . AIAA  Lighter- than-Air S y ste m s Confere n ce , Annapo lis. 20 04: 88-9 4 [9]    MT  Soylem eza ,  N Mu nrob,  Bakic. Fast  C a lculati o n  of Sta b iliz in g PID  Co ntroll ers.  Autom a tic . 20 03 ;   39(7): 12 1-1 2 6 .   [10]    Etkin B.  T heory of  the flig ht of Airplan e s in Isotr opic T u rbul ence R e vie w   a n  Exte nsio n.  AGARD Rept .   196 1: 372.   [11]    David  K Sc hmidt, James St e v ens, Jas on  R one y.  Dyna mi c Mode li ng,Co ntrol, a nd Stat ion-K eep in g   Guida n ce of A  Large H i g h -Al t itude “Ne a r-S pace  Airs hip.  AIAA Guidanc e, Navig a tio n , and C ontro l   Confer ence  an d Exhib i t. 2006 ; 6781.   [12]    David K Schmi d t. Modeli ng a nd Ne ar-Spac e  Stati on-Kee p i ng Co ntrol of a  Large Hi gh-A l titude Airs hip .   Journ a l of Co ntrol an d Dyna mi cs.  2007; 30( 2) : 540-54 7.  [13]   David K Schm i d t, James Stevens, Jason  Ro ne y.  Near-S pa ce Station-K e e p in g Performa nce of a Lar g e   High-A l titud e  N o tion al Airsh i p.   Journa l of Con t rol and Dy na mics.  2007; 4 4 (2 ): 611-61 5.  [14]    Donald J McT a vish, K y le  Davids on.  Pract i cal  Lar ge-Mot i on M o d e li ng   of Geo m etric a l l y Co mplex   F l exibl e  Ve hicl es: A Consist ent-Mass Stan dard- F E M Bas ed, All T e r m Includ ed F o r m ulati on.  47t h   AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC  Structures,Structural  D y n a mi cs,and Materi al s Confere n ce. 200 6; 166 4.  [15]    Duc C u o ng Q uach, S h u ang   Hua ng, Qua n   Yin,  Ch un jie  Z hou. A n  im pro v ed D i rect A d aptive  F u zz control l er for an uncerta in D C  Motor Spee d Control S y st em.  T E LKOMNIKA Indones i an Jour nal o f   Electrical E ngi neer ing.  2 013;  11(2): 10 83- 10 92. [16]    Yong ho ng Z h u, Qing F e ng , Jianh on g W ang.  N eur al  Net w ork-b a se d  Adaptiv e Pa ssive Outpu t   F eedb ack C o ntrol for MIM O  Uncertai S y stem.  T E LK OMNIKA Indo nesi an J ourn a l of El ectrical   Engi neer in g . 2012; 10( 6): 126 3-12 72.   [17]    W en Xin lin g, Che n  Yu. Res earch  of the N onli n e a r S y ste m  Identificati o n Ba se d o n  th e Volterr a  RLS   Adaptiv e F ilter  Algorit hm.  T E LKOMNIKA Indon esia n Jo ur nal  of Electric al En gin eeri n g . 2013; 1 1 (5):   227 7-22 83.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.