T E L KO M NIK A , V ol . 17 ,  No. 6,  Dec em be r   20 1 9,  p p.3 02 7~ 3 04 3   IS S N: 1 69 3 - 6 93 0 ,  accr ed ited   F irst  Gr ad e b y K em en r istekdikti,  Decr ee  No: 2 1/E/ K P T /20 18   DOI:   10.12928/TE LK OM N IK A .v 1 7 i 6 . 13176   ◼    30 27       Rec ei v ed   M ay   20 ,  20 1 9 ; R ev i s ed   J un e 3 0 ,  2 01 9 ;  A c c ep te d  J ul y  1 8 , 2 01 9   Hierar chical  rob ust  f uzz y   slidi n g m od e c on trol    fo r a c la ss o f si mo   un d er - ac tu a ted  s y s te ms    w i th  misma tch e d u n certai nt ies       Du c Ha   V u * 1 ,  S h o u d ao Hu ang 2 , T h i Die p  T r an 3   1 ,2 ,3 Col l e g e  o f  E l e c tr i c a l  a n d  I n fo rm a t i o n  En g i n e e r i n g ,  H u n a n   Uni v e rs i ty ,  Hun a n ,  P .R.  Chi n a   1 ,3 Fa c u l ty  o f  El e c tri c a l  E n g i n e e ri n g ,  S a o d o  Un i v e rs i ty ,  Hai d u o n g ,  Vi e tn a m   * Corre s p o n d e n c e :  e - m a i l :  v u h a d h s d @hn u .e d u .c n 1       Ab strac t   Th e   d e v e l o p m e n t  o f  th e   a l g o r i th m s   fo r  s i n g l e   i n p u t  m u l t i   o u t p u t  (SIM O )   u n d e r - a c tu a t e d   s y s te m s   wit h   m i s m a t c h e d   u n c e rt a i n ti e s   i s   i m p o rta n t.   Hi e ra rc h i c a l   s l i d i n g - m o d e   c o n tro l l e r  (HS M C)  h a s   b e e n   s u c c e s s f u l l y   e m p l o y e d   to   c o n tro l   SIM O   u n d e r - a c tu a t e d   s y s te m s   wit h   m i s m a tc h e d   u n c e rta i n ti e s   i n   a   h i e ra r c h i c a l   m a n n e r  wit h   th e   u s e   o f  s l i d i n g   m o d e   c o n tro l .  Howe v e r,  i n   s u c h   a   c o n tro l   s c h e m e ,     th e   c h a tt e ri n g   p h e n o m e n o n   i s   i ts   m a i n   d i s a d v a n t a g e .   To   o v e rc o m e   th e   a b o v e   d i s a d v a n ta g e ,  i n   t h i s   p a p e r,   a   n e w  c o m p o u n d   c o n tro l   s c h e m e   i s   p ro p o s e d   f o r  SIM O   u n d e r - a c tu a t e d   b a s e d   o n   HSM C   a n d   fu z z y   l o g i c   c o n tr o l  (F L C). B y  u s i n g  t h e  HSM C a p p ro a c h ,  a   s l i d i n g  c o n tro l  l a w i s   d e ri v e d   s o   a s  t o  g u a ra n te e  t h e  s t a b i l i t y   a n d   r o b u s tn e s s   u n d e r   v a r i o u s   e n v i r o n m e n t s .  Th e   FL C  a s   th e   s e c o n d   c o n tro l l e r   c o m p l e te l y   re m o v e s     th e   c h a tt e ri n g   s i g n a l   c a u s e d   b y   th e   s i g n   fu n c ti o n   i n   th e   s l i d i n g   c o n tro l   l a w.  Th e   re s u l ts   a re   v e ri f i e d   th ro u g h   th e o re t i c a l   p r o o f  a n d   s i m u l a t i o n   s o ft ware   o f  M ATL AB  th ro u g h   two   s y s te m s   P e n d u b o t  a n d   s e r i e s   d o u b l e   i n v e r te d   p e n d u l u m .     Key w ords :   c h a t te ri n g   p h e n o m e n o n ,  fu z z y   l o g i c   c o n tr o l ,   h i e ra rc h i c a l   ro b u s t   fu z z y   s l i d i n g   m o d e   c o n tro l ,   s i n g l e   i n p u t  m u l ti   o u t p u t   s y s te m s ,  u n d e r - a c t u a te d  s y s te m s     Copy righ t  ©  2 0 1 9   Uni v e rsi t a s  Ahm a d  D a hl a n.  All  rig ht s  r e s e rve d .       1.  Int r o d u ctio n   Unde r - ac tu ate d  s y s t em s   a r e  c ha r ac teri z ed   b y   th e  f ac t  tha t  the y   ha v e  f e w er  ac tua tors   tha n  the   de gr ee   of   f r ee d om   c on tr ol l ed   [1] .  Und er - ac tua te d  s y s tem s   are  wi d el y   ap pl i ed   i n  prac ti c e  as   m en ti on e d  i n  [1 ,  2],   f r ee   s pa c e  f l i gh t  r ob ot ,   un de r wate r   r ob ot,   w a l k i ng   r ob ot,   m ob i l e  r ob ot,   Rob ot  ha s   f l ex i bl e  l i nk ,  s hi ps ,  h el i c op ters   etc .  T he   s tud i es   of   un de r - ac tua ted   m ec ha ni c a l   s y s t em s   are  v al ua b l e  i n  m an y   ap p l i c at i o ns .  F or  ex am pl e,  i f   the   un d er - ac tua t ed   c on tr ol   s y s t em   wor k s   w el l ,  the   nu m be r   of   ac tua tors   c an   be   r ed uc ed   t o  m a k e  the   s y s t em   w ei g ht  or  s y s t em   m ore   c o m pa c t.  A d v an tag es   of   s tud y i n g  un de r - ac tua ted   m ec ha ni c a l   s y s tem s   c an   al s o   be   f ou nd   wi th  wal k i ng   r ob ot,   p l an es ,  s pa c ec r af t,  etc .  S om eti m es ,  c on tr ol   a l go r i thm s   f or  un de r - ac tua ted   s y s t em s   c an   be   us ed   to   r es tore  p arti a l l y   brok en   s y s t em   f un c ti on s   us i ng   th e  ap propr i ate     under - ac tu ate d  c on tr o l   al g orit hm   de s c r i be d  i n  [3,   4] .  T he   brok en   r ob ot  arm   c an   s ti l l   r es tore  a  f un c ti on a l   pa r t.  T he r ef ore,  t he   de v e l op m en t  of   c on tr ol   al g orit hm s   f or  un de r - ac tua t ed   s y s tem s   i s   v er y   i m po r tan t.   T he i r   m at he m ati c al   eq ua t i on s   of ten   i nc l u de   h i gh   n on l i n ea r   c om po ne nts   an d   j oi nts   m a k i ng   th ei r   c o ntrol   de s i g ns   di f f i c ul t  [ 5].   Mo r e  r ec en tl y ,  the r e   ha s   be e n  a   gro w i ng   i nte r es t   i n u nd er - ac tu ate d c on tr o l  s y s t em s  i n b oth   the or y   an d  prac ti c e.   In  thi s   s tu d y ,  we  f oc us ed   on   a  c l as s   of   S IMO  un d er - ac tua ted   s y s tem s .  T hi s   c l as s   i s   qu i t e  l arg e,  c on s i s t i ng   of   r ota ti ng   or  pa r a l l el   i n v erte d  p en du l um   s ub - s y s tem s ,  pe nd ub o t,  T O RA ,   etc .  T he s e  s y s tem s   are  us ed   no t  on l y   t o  s tud y   c on tr o l   m eth od s ,  bu t  a l s o  as   a  te ac hi n g  too l   i n  uni v ers i t y   o n  th e  wor l d.  T h ere  are  m an y   c on tr ol   m eth od s   gi v e n  s uc h  as   en erg y - ba s ed   c o ntrol ,   pa s s i v e - ba s ed   c on tr ol ,   h y br i d   c on tr o l ,   i n tel l i ge nt  c o ntrol ,   e tc   w as   de s c r i be d   i n    the   do c um en ts   [6 - 19 ] .  Mo s t  arti c l es   o nl y   s ug g es t  c on t r ol   l a w s   f or  a  pa r t i c ul ar  s y s tem .  In  f ac t,  a   ge ne r al   s tat e  s pa c e  ex pr es s i on   m a y   de s c r i be   t hi s   s erie s   of   thi s   s y s t em s .  T he r ef ore,  i t  i s   po s s i bl e  to  d es i gn   a  ge n er al   c on tr o l   r ul e  too   f or  thi s   s erie s   of   s y s tem s   r ath er  tha n  a  c on tr ol   r u l e  f or a pa r ti c u l ar s y s tem .   T he   un de r - ac tu ate d   S I MO   s y s t em   ha s   un c ertai n t y   i nc l ud i ng   m atc he d  a nd   m i s m atc he d.  S l i di ng   m od e  c on tr ol   m eth od s   ( S MC)   c a n  pre v e nt  m atc he d  un c erta i nt y   i n  t he   s tat e  of   s l i d i n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ◼                IS S N: 16 93 - 6 93 0   T E L KO M NIK A     V ol .   17 ,  No .  6,  D ec em be r  20 19 :   30 2 7 - 304 3   3028   m od e.  Rega r d i ng   t he   c o n tr ol   of   S I MO   un d er - ac tua t ed   s y s tem ,  the   m i s m atc h ed   un c ert ai nt y   be c om es   m ore  c ha l l e ng i ng .  T hi s   pa p er  f oc us es   on   de al i ng   wi t h  m i s m atc he d  un c ertai n ti es   an d  c ha tte r i ng   s i gn a l s   b as ed   o n  a  f u z z y   s l i d i ng   m od e  c o n tr ol l er  f or  a  c l as s   of   S I MO   un de r - ac tu ate d   s y s t em s .  In  the   pa s t  f ew   y e ars   the   s l i d i n g  m od e  c on tr ol l er  ( S M C)   ha s   be e n  wi de l y   us ed   f or  c on tr ol   d es i g n  of   un de r - a c tua ted   no n l i ne ar  s y s t em s .  S MC  i s   a n  ef f ec ti v e  ap pro ac h  w i t h  m ai nta i n i ng   s tab i l i t y   an d   p e r f or m an c e  of   c on tr ol   s y s te m s   w i th   ac c urate   m od el   [2 0 - 27 ].   T he   m ai n  ad v an t ag e  of   S MC  i s   t ha t  t he   ex tern al   p ertur b ati on s   o f   the   un de r - ac tu ate d  s y s te m   a r e  ha nd l ed   b y   i n v aria nt  c ha r ac t eris ti c s   w i t h  th e  s l i di ng   c on di t i on s   of   the   s y s tem .  Howe v er,  th e  ba s i c   probl em   s ti l l   ex i s ts   i n  c o ntrol l i ng   c om pl ex   s y s t em s   us i n g  s l i d i ng   c on tr ol l ers .   F or  ex am pl e,  c ha tte r i ng   p he n om en on   an d  m i s m atc he d  un c ert ai nt i es   i s   o ne   of   i ts   di s ad v a nta g es .    T hi s   ap proac h  ha s   f urther  r es ea r c h  ab ou t  f u z z y   c o ntrol l er  de s i gn s   as s oc i at e d   wi th  s l i d i ng   c on tr ol l er  c a l l ed   f u z z y   s l i di ng   m od e  c o ntrol l er  ( F S MC )   [28 – 35 ].   C on tr o l l er  th at  i s   a  c om bi na ti o n   of   f u z z y   l og i c   c on tr ol   ( F LC )   an d  S M C  pro v i d es   a  s i m pl e  m eth od   to  de s i gn   th e  s y s t em .  T hi s   m eth od   s ti l l   m ai nta i ns   S M C  po s i ti v e   q ua l i t i es   bu t   r e du c e   c h att er i ng   p he n om en on .  T he   m ai n   ad v an t ag e   of   F S MC   i s   t he   dram ati c   r ed uc t i on   i n   c ha tt erin g  i n   th e  s y s t e m .  How e v er,   i n     c on tr ol l er  [ 20 - 24 ]  th e  p aram ete r s   of   the   c on tr o l l er   are  n ot  c a l c ul ate d  to   s p ec i f i c   l i m i ts ,  i n   c on tr ol l er  [2 5]  th e  m i s m at c he d  un c ert ai nti e s   are  no t   ha nd l i ng ,  i n  c on tr ol l er  [2 6 ]  the   a bi l i t y   to   r em ov e  c ha tte r i ng   s i g na l s   i s   no t  m en ti on ed .  Cont r o l l ers   i n  [28 - 33 ]  c an ’ t  b e  ap pl i ed   t o  S I MO   under - ac tu ate d  s y s tem s   w i th  n  s u bs y s tem s   an d  ha v e   no t  ex pl i c i t l y   de m on s tr ate d  the   ab i l i t y   to   r em ov e c ha tte r i ng   s i gn a l s .     T o  ov erc om e  the s e  di s ad v an ta ge s ,  i n  thi s   p ap er  a ut ho r   s tud y   the   hi erar c h i c al   r ob us t  f uz z y   s l i d i n g   m od e  c on tr ol l er  ( HRF S M C)   f or  a  v arie t y   of   S IMO   un de r - ac tua ted   s y s tem s   w i th   m i s m atc he d  un c ert ai nti es .  T hi s   c on tr o l l er   ap pl i es   t o  n   s ub s y s t em s ,  pa r a m ete r s   are  l i m i ted   s pe c i f i c al l y   a nd   c h att eri ng   s i gn a l   e l i m i na t i on   c a pa b i l i ti es   are  de m on s tr ate d  b y   c l ea r   th eo r i es .  T he   hi erar c hi c al   r o bu s t  s l i di ng   c on tr o l   ( HRS MC)   m eth o d  i s   f i r s t  i ntrodu c ed   as   ex pl ai ne d    i n  [2 5,  26 ].  T he n  the  a uth o r   de s c r i be s   the   pr o c e du r e  of   de s i gn i ng   t he   h i erar c hi c al   r ob us t  f uz z y   s l i d i ng   m od e  c on tr ol l er  ( HRF S MC)   f or  S I MO   un de r - ac tua t ed   s y s tem s   w i t h  m i s m atc he d   un c ertai nt i es .  T he   s i m ul ati o n  r es ul ts   s ho w   th at  th e  pro po s ed   c on tr ol l ers   op era te  wel l .  T he   pa pe r   pres en ts   th e  r es ul ts   a nd   s ug ge s t s   t h at  h i erar c h i c al   r ob us t  f u z z y   s l i di n g  m od e  c on tr ol l er  h av e  be tte r   pe r f or m an c e t ha n  hi erar c hi c al  r ob us t s l i d i ng  m o de  c on tr o l l ers .       2.  T h e Hie r a r chi ca l Rob u st Sl idin g  M o d e Con t r o lle r  ( HRSM C)   Cons i d er  the   s t ate   s pa c e   ex pres s i on   of   a  s eri es   un de r - ac tua t ed   S IM O   s y s tem s   w i th  m i s m atc he d u nc erta i nt i es   i nc l ud e s ub s y s t em s  th e f ol l o w i n g n orm al  f or m :       {             ̇ 1 = 2 ̇ 2 = 1 + 1 + 1 ̇ 3 = 4 4 = 2 + 2 + 2 ⋮ ̇ 2 − 1 = 2 ̇ 2 = + +   ( 1)     t he r ei n  = [ 1 , 2 , . . . , 2 ]   i s   s tat e   v aria bl e   v ec tor;  i f   a nd   i b ( = 1 , 2 , . . . , )   are   no nl i n ea r   f un c ti on s   of   the   s t ate   v ec t or;  u   i s   th e   i np u t  c on tr o l   s i gn a l .   In   ( 1)  c an   r ep r es en t   c l as s es   of  s y s t em s   w i th   n,   f i   a nd   b i   i s   di f f erent,  d i   i s   m i s m atc he d  un c ertai nt i es ,  i nc l u de   s y s te m   un c ertai nti es   an d   ex tern al   di s t urbanc es ,   an d   i d   i s   l i m i ted   b y   | | ≤ ̄   where   i d   i s   a  k no w n  po s i t i v e   c on s tan t;  If   = 2 ,  ( 1)  c a n  r e pres en t   P en du b ot,   the   c art   s i n gl e  i n v erted   p en d ul um   s y s tem .  I f     = 3   r ep r es en t  f or c art do ub l e  i n v erte d p en d ul um  s y s tem ; i f   4 n = , i t c o ul d b e c on s i de r e d a  c art   tr i pl e  i nv erted  pe n du l um   s y s t em   an d  s o  on ,  ba s e d  on   th e  p h y s i c a l   s tr uc ture,   the   s eri es   of     under - ac tu ate d  s y s t em s   c a n  be   d i v i d ed   i nt o  m ul ti p l e   s ub s y s tem s .   F or  ex am pl e,  a   tr i p l e  i n v ert ed   pe nd ul um   s y s t em   c an   be   di v i d ed   i nto   f o ur  s ub - s y s tem s :  the   up pe r   pe nd ul u m ,   the   m i dd l e   pe nd ul um ,  the   l o w er  p en d ul um ,  an d  c art.   T he   s uc h  s y s t em   i n  ( 1)  c r ea ted   f r o m   n  s ub s y s tem s .   T he  i th   s ub s y s tem  c on s i s ts  of  i ts  s tat e  v ari ab l es  an d s t ate  s pa c e  ex pres s i o ns  as  f ol l o w s :     { ̇ 2 − 1 = 2 ̇ 2 = +     ( 2)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A     IS S N: 1 69 3 - 6 93 0   ◼     Hi erar c hi c a l  r o bu s t fu z z y  s l i di n g m o de  c o ntrol  fo r  a   c l a s s …  ( Duc  Ha V u )   3029   A c c ordi n g t o  [25 ]  th e  de s i g n o f  hi erar c h i c al  s l i di n g c on tr ol  ( HS MC)  i s  s h o w n  i n F i g ure 1.   T he  s l i di ng  s urf ac e o f  th e  i t h s ub s y s tem  i s  de f i ne d a s  f ol l o w s :     = 2 − 1 + 2   ( 3)      wi th  i c i s  po s i ti v e c o ns tan t  an d l i m i t o f   i c as  pres en ted   i n  [2 5]  i s   0 < < 0     wi th  0 = |  → 0 ( / 2 ) |   ( 4)     d eri v at i v e  i s   f ol l o w  t   ti m e   i n ( 3) we h av e :     ̇ = ̇ 2 − 1 + ̇ 2 = 2 + +   ( 5)       get  ̇ = 0 i n (5)  t he  c o ntrol   v ol t ag e o f  th e  i th  s u bs y s tem  i s  as  f ol l o w s :      = − ( 2 + ) /   ( 6)     ac c ordi ng   to  F i g ure   1,  t he   I   th  s l i di ng  c l as s  i s  de t erm i ne d:     = − 1 − 1 +     ( 7)     the r e  in 1 (i 1 , 2 , . . . n ) i − = is   c on s tan t  an d 00 0 S == .  T ak e  in =   ac c ordi ng   to  [2 5,   26 ]  hi erar c hi c al   r ob us t s l i di ng  c o ntrol   l a w a s  f ol l o w s :     = +  = ∑ ( ∏ = ) = 1  ∑ ( ∏ ) = = 1 − + ∑ ( ∏ = ) = 1 + ∑ ( ∏ = ) = 1 ̄ ∑ ( ∏ ) = = 1   ( 8)     f r o m   ( 7) and  ( 8) we ha v e  a  hi erar c h i c al  s l i d er c on tr o l  s t r uc ture s c he m ati c  s ho wn i n  Fig ure  2.             F i gu r e  1.  H i erar c hi c a l  s tr uc t ure of     the  s l i d i ng  s urf ac es     F i gu r e  2.  A r c hi tec t ure s c he m ati c  of  HRS MC    c on tr ol  s y s t em       3.  T h e Hie r a r chi ca l Rob u st F u z z y   S lidin g  M o d e Con t r o lle r  ( HRF S M C)   T he   de s i gn   of   the   h i erar c hi c al   r ob us t  f u z z y   s l i di ng   m od e  c on tr ol l er  ( HRF S M C )   f or  a   s erie s   of   un d er - ac tua t ed   s y s t em s   w i th   m i s m atc he d  u nc ertai n ti es   i s   d eri v ed   f r om   the   f ol l o w i ng   i de a.   In  c on tr o l   r ul e  of   the   u nd er - ac tua ted   s y s t em   r ep r es en ted   b y   ( 8)  w i t h  sgn n S   f un c ti on ,  thi s   i s   the   m ai n  c au s e   of   c ha tt eri ng   i n  t he   s y s t em .   A   m eth od   of   r em ov i ng   the   c ha tt eri ng   s i gn a l   i s   to  r ep l ac e   th e  f i x ed   p aram ete r   i n   ( 8)  b y   a   v ari ab l e  v a l u e  throug h  t he   f u z z y   c on tr ol l er .  V al ue   n w i l l   c ha ng e  un de r   th e  ex ten t  of   s l i di n g  s urf ac e. W he n  n S   is   ex tr e m el y   s m al l ,  na m el y   th e  s tat e  v ari ab l es   m ov e  c l os er  t o  z ero  th en   n   w i l l   al s o  de c r ea s e  to  z ero   to  m ak e  the   sgn n S   f un c ti on   no   l on ge r  af f ec t th e  n u   c on tr ol  s i gn a l .  W e h av e:      → 0  = 0   ( 9)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ◼                IS S N: 16 93 - 6 93 0   T E L KO M NIK A     V ol .   17 ,  No .  6,  D ec em be r  20 19 :   30 2 7 - 304 3   3030   Ho w e v er,  i f   n i s   s m al l   f r o m   th e  be g i n ni n g,  th e  un c o ntrol l ed   s i g na l   wi l l   m ov e  v er y   s l o w l y   to w ards   th e  eq ui l i briu m   po s i ti on .   B ut  i f     f r o m   the   be gi nn i ng   i s   ex tr em el y   l arg e,  the   s ta te   v ari ab l es   of   th e  s y s t em   wi l l   q ui c k l y   ad v an c e   to   th e  eq ui l i briu m   po s i t i on ,  b ut   at  eq u i l i br i um   po s i t i on ,  t he   s y s tem   w i l l   f l u c tua te  gre atl y .   T he r ef ore,  the   v a l u e    i n i ti al   s ho u l d  b e  l arge  en ou g h  s o  tha t  u n   c a n  pu l l   the   s y s tem   to  eq ui l i br i um   po s i ti o n.   W he n  the   s y s tem   i s   i n  eq ui l i br i um   the n    the   s m al l er     is   the   be tt er   i t  i s .   T o  i m pl e m en t  the   a bo v e   i de a,  th e  au t ho r   c ha ng es   t he   v al ue   of     ba s ed   on  v al ue   of   s l i d i ng   s urf ac e   S n .   W e   w i l l   c om pu te    throug h  a  f u z z y   c o ntro l l er,  the   i n pu t  of   the   f u z z y   c on tr ol l er  i s   t h e  v a l u e  of   the   S n   s l i d i ng   s u r f ac e.   T he   s tr uc ture  of   hi er arc hi c al   r o bu s t  f uz z y   s l i d i ng   m od e  c on t r ol l er   ( HF S MC)   i s   s ho w n  i n  F i g ure  3 .  T he   f u z z y   r ul es   i n     the   " F u z z y   l og i c  c on tr o l l er"   bl oc k  are s ho w n  i n T ab l e 1 .           F i gu r e  3.  A r c hi tec t ure s c he m ati c  of  th e HRFSM C  c on tr ol l er f or und er - ac tu ate d s y s tem s v       T ab l e 1 . R ul e i n t h e Fu z z y   B l oc k   The   n u m b e r   o f   f u z z y   r u les       1   A   A   2   B   B   3   C   C   4   D   D   5   E   E   6   F   F   7   G   G       T he   m e m be r s hi p  f un c ti o ns   of   l i ng u i s ti c   l ab el s   A ,  B ,  C,  D,  E ,  F ,   G   f or  the   term     are   s ho w n  i n  F i gu r e  4.  T he   m em be r s hi p  f un c ti on s   of   l i ng u i s ti c   l ab e l s   A ,  B ,  C ,  D,  E ,  F ,  G   f or  the   te r m     are  s ho wn  i n  F i g ure  5.   T he   m e m be r s hi p   f un c ti on   i n  F i gu r e   4  an d   F i g ure  5   i s   n orm   f or m .   T o   m od i f y   the   pa r am ete r s   of   the   f u z z y   c on tr o l l er,  s el ec t i ng   th e  v al ue   of   the   p os t - proc es s i ng   b l oc k   1   s ho w n  i n  F i gu r e  3  i s   n e c es s ar y .  T he   1   pa r am ete r   de term i ne s   the   ab i l i t y   to  di s ap pe ar     the   c ha tt erin g  s i gn al   i n  th e  s y s t em .   T he   c ho i c e  of   the   1   pa r am ete r   c an   be   pe r f or m ed   b y   a   s ea r c h a l go r i t hm , s uc h a s  a  ge n eti c  a l g orit hm  or herd  a l go r i thm , o r  a  s i m pl e f al s e t es t.           F i gu r e  4.  M em be r s hi p f un c ti on   of  ea c h i np u t       F i gu r e  5.  M em be r s hi p f un c ti on   of  ea c h o utp u t       4.  Deno n str ate  S t abil it y   and   Capab ilit y   o f   E limin atin g   Ch att er ing   S ign a l  o f   Hier ar chic al   Ro b u st F u z z y  S lidin g  M o d e Con t r o lle r  ( HRF S M C)   T w o  the orem s   w i l l   be   prov ed   i n  th i s   s ec ti on .  T he ore m   1  i s   to  an a l y z e   th e  as y m pto ti c   A B C D µ E F G -1 0 -0.333 -0.667 0.333 0.667 1 Sn Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A     IS S N: 1 69 3 - 6 93 0   ◼     Hi erar c hi c a l  r o bu s t fu z z y  s l i di n g m o de  c o ntrol  fo r  a   c l a s s …  ( Duc  Ha V u )   3031   s tab i l i t y   of   a l l   s l i di ng   l a y er s .   T he orem   2  i n v o l v es   an a l y z i ng   th e  ab i l i t y   of   e l i m i na ti ng   c ha tte r i ng   s i gn a l   of   the   HF S MC  c o ntrol l er.   T he orem   1:  c on s i de r   th e  c l as s es   of   the   un de r - ac tu ate d     s y s t em   ( 1).  If   the   c on tr ol   r ul e  i s   c ho s e n  as   ( 8)  an d   th e  i th   l a y er  of   s l i d i ng   s urf ac e  i s   de f i ne d   as   ( 7)   ( = ) ,  the n  t he   as y m pt oti c   s tab i l i t y .   P r oo f :   T he   L y ap un o v   f un c ti on   of   ℎ   ( = )   l a y er  of   s l i d i ng   s urf ac e i s  s el ec ted :     ̄ = ̄ 2 / 2   ( 10 )     b y   c o ns i de r i ng  th e  s tab i l i t y   of  th e  ℎ   l a y er   ( = )   of  s l i di n g s urf ac e,  f r o m   [ 26 ]   w e t ak e:     ̄ ̇ = [ ∑ ( ∏ = ) = 1 ̄ + ∑ ( ∏ = ) = 1 ] − −    ( 11 )     di ff erent i at e  ̄   wi th  r es p ec t to  ti m e t  i n (1 0), the n f r om  ( 1 1) we o bta i n:     ̄ ̇ = ̄ . ̄ ̇ = [ ∑ ( ∏ = ) = 1 ] − | | | ∑ ( ∏ = ) = 1 ̄ | − | | − 2   ( 12 )     l et  i nt eg r ate  th e t w o  s i de s   o f  ( 12 )  w e  ob t ai n :     ∫ ̄ ̇ 0  = ∫ [ [ ∑ ( ∏ = ) = 1 ] − | | | ∑ ( ∏ = ) = 1 ̄ | − | | − 2 ] 0    ( 13)     wi th     ̄ ( 0 ) = ̄ ( ) + ∫ [ [ ∑ ( ∏ = ) = 1 ] − | | | ∑ ( ∏ = ) = 1 ̄ | − | | − 2 ] 0    ≥ ∫ ( | | + 2 ) 0    ( 14 )     he nc e s      → ∞ ∫ ( | | + 2 ) 0  ≤ ̄ ( 0 ) < ∞   ( 15 )     the  b arba l at  l em m a   ex i s ts      → ∞ ( | | + 2 )  ≤ ̄ ( 0 ) < ∞   ( 16 )     f r o m   ( 16 ) , i t  m ea ns   that   → ∞ = 0 then th e   ℎ l a y er  of  s l i d i ng  s urf ac e i s  as y m pto ti c a l l y  s t ab l e.   T he ore m   2:  Co ns i de r   a  v arie t y   of   u nd er - ac tu ate d  s y s t em s   ( 1),   If   the   c on tr o l   r ul e  i s   de f i ne d   as   ( 8)   a nd   the   f i x e d  p aram ete r     i n  ( 8)   i s   s u bs ti tut e  b y   a   r ep l ac em en t  c o s t  ba s ed   o n    the   m ag ni t ud e   of     s l i d i ng   s urf ac e  throug h  t he   f u z z y   c on tr o l l er,  t he   c h att er i ng   s i gn a l   i n    the  s y s t em  w i l l  b e c om pl ete l y   el i m i na ted .     P r oo f :  F r om   ( 8),   i t  i s   c l ea r   tha t  th e  m ai n  c o m po ne nt  c a us i ng   t he   c ha tt erin g  ph en o m en on   i n  th e  s y s tem   i s   the   f un c ti on    .   T o  ov erc om e  thi s   ph en om en on ,  w e  ad d  a  f u z z y   proc es s i ng   el em en t  i n   t he   Cont r o l l er  to   e l i m i na te   th e   .   T he   s l i di ng   s urf ac e     i s   f uz z y   as   s ho w n  i n F i g ure .  4.   T he  f u z z y  r ul e   s y s tem  i s  s ho w n  i n  T ab l e 1  as  f ol l o w s :     1   : If     i s  A  T he n  1   =   A   2   : If     i s  B  T he n  2   =   B   3   : If     i s  C T he n  3   =  C   4   : If     i s  D T he n  4   =  D   5   : If     i s  E  T he n  5   =   E   6   : If     i s  F T he n  6   =  F   7   : If     i s  G  T he n  7   =  G     b y   t he   f oc al   de f u z z i f i c at i on   m eth od  pa r am ete r     i s  de f i n ed :     = ∑ 7 = 1 ∑ 7 = 1   ( 17 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ◼                IS S N: 16 93 - 6 93 0   T E L KO M NIK A     V ol .   17 ,  No .  6,  D ec em be r  20 19 :   30 2 7 - 304 3   3032   i n  t he r e    i s  th e  c orr ec tne s s   of  th e  ℎ r ul e:     1 = ( )     2 = ( )     3 = ( )     4 = ( )   ( 18 )   5 = ( )     6 = ( )     7 = ( )       f r o m   ( 17 )  an d (18)  w e  ob t ai n:    → 0 =  → 0 ∑ 7 = 1 ∑ 7 = 1 = 0   ( 19 )     f r o m   ( 19 )  de du c e      → 0  = 0   ( 20)     ac c ordi ng   to  t he orem  1  w e  ha v e:      → ∞ = 0     ( 21 )       f r o m   ( 20 )  an d (21)  w e  de d u c e:      → ∞  = 0     ( 22 )     ac c ordi ng   to   ( 2 2)  w h en   ti m e  t   ten ds   t o ,   f un c ti on   s g n nn S   i s   c o m pl ete l y   e l i m i na te d  i n   c on tr ol   r ul e  ( 8).  T hu s ,  c ha tte r i n g  s i gn al   at  th e  eq ui l i br i um   po s i ti o n  ha s   be e n  c om pl ete l y   el i m i na te d  i n    the  h i erar c h i c al  r o bu s t f u z z y  s l i di ng  c o ntrol l er ( HF S MC ) .       5.  S i mu latio n  Re sult   T he   P en du bo t   a nd   c art   do ub l e  i nv erted  p en d u l um   s y s t em s   are  tw o  t y p i c al     under - ac tu ate d  s y s tem s ,   us ua l l y   us ed   to  v er i f y   th e  f ea s i b i l i t y   of   ne w  c on tr ol   m eth o ds .   T he i r   m ath e m ati c al   e qu at i o ns   h av e   the   s am e  ex pres s i on s   as   ( 1)  w i t h  d i f f erent  , ,  a n d  ,    i s   m i s m a tc he d  u nc ertai nti es ,  i nc l ud e  s y s t em   un c ertai nt i es   a nd   ex tern al   d i s turba n c es ,  an d     i s   l i m i ted   b y   | | ≤ ̄   where  ̄   i s   a  k n o w n  po s i ti v e  c on s t an t.   I n  t hi s   s ec ti on ,  the   c on tr ol   m eth od   pres en te d  w i l l   b e  ap pl i ed   t o  en h an c e  th e  c on tr o l   of   the   P e nd ub ot  s y s t em   an d  the   c art  do u bl e  i n v erted  pe nd u l um  s y s tem . T he  s i m ul ati on  r es u l ts  s ho w  t ha t  th i s  c on tr ol  m eth od  i s  f ea s i bl e.     5.1 .  P end u b o t   T he   pe nd u bo t  s y s t em   s ho wn  i n  F i gu r e  6  i s   m ad e  up   of   two  s ub s y s t em s :   Li nk   1  ( no tat i on   nu m be r  1)  wi th  on e  ac tua t o r   a nd  l i nk  2  ( n ot ati on   nu m be r  2)  wi t ho ut  ac t ua tor.  Its  c on tr ol  o bj ec ti v e  i s   to  c on tr ol   l i nk   1,  l i nk   2  ba l a nc e  an d  s ta bi l i t y   a t  th e  de s i r ed   po s i ti o n.   T he   s y m b ol s   i n  F i gu r e  6  are  de f i n ed   as   f ol l o w s :     is   t he   a ng l e  of   l i nk   1  to  t he   h o r i z o nta l   l i n e ,   2   i s   the   an g l e   o f   l i nk   2  f or   l i nk   1 .   ,   and     i s   the   m as s ,  l en gt h  an d  di s t an c e  to  t he   c en ter  of   l i nk   i .   Her e   = 1 , 2 ;  1   is    the   c on tr o l   m o m en t.  T a k i ng   2 n = i n  ( 1)  th e  s tat e  s pa c e  e qu at i on   of   the   pe n du bo t  s y s t em   i s     as  f ol l o w s :     { ̇ 1 = 2 ̇ 2 = 1 + 1 + 1 3 = 4 ̇ 4 = 2 + 2 + 2     ( 23 )     Her e  1 = 1 − / 2   i s   the   an g l e   of   the   l i nk   1  f or  the   v ert i c al   l i ne ,  3 = 2   i s   the   an g l e  of   the   l i nk   2   f or  l i nk   1;   4   i s   t he   an g ul ar  v e l oc i t y   of   l i nk   2.   = 1   i s   t he   i np ut   c on tr ol   s i gn al .   E x pres s i on s   1 , 2 , 1   an d   2   are  s h o wn  i n   [ 24 ],  1   a nd   2   are  t he   m i s m atc he d  u nc ertai n  te r m   wi th  k no w n  b ou n d  c al l e d   ̄ 1   and  ̄ 2 .  B ot h  c o m po ne nts   of   the   m i s m atc he d  un c erta i n  1   and  2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A     IS S N: 1 69 3 - 6 93 0   ◼     Hi erar c hi c a l  r o bu s t fu z z y  s l i di n g m o de  c o ntrol  fo r  a   c l a s s …  ( Duc  Ha V u )   3033   are  s et  t o  0 . 1 × [ 2 × r a n d ( ) - 1 ] .  w he r e   r an d()   i s   Ma t l ab   c om m an d  to  ge ne r ate   a  r an do m   nu m be r   i n  th e  r an ge   ( 0, 1).  S o ,  the   bo un ds   of   the   m i s m atc he d  un c ertai n  tem s   ̄ 1   an d  ̄ 2   c an   be   de f i ne d  as   0.2 .  In  c om pa r i s on   b et w ee n  the   H R S MC  c on t r ol l er  a nd   th e  H R F S MC  c on tr ol l er,  th e  pa r am ete r s  of  th e p en du b o t a r e c ho s e n a c c ordi ng  t o [ 24 ] a nd   [ 9] :     1 = 0 . 0308 k g. m 2 , 2 = 0 . 0106 k g. m 2     3 = 0 . 0095 k g. m 2 , 4 = 0 . 2086 k g. m 2   5 = 0 . 0630 k g. m 2 , = 9 . 81 m. s - 2       ac c ordi ng  to  ( 4), t he   bo u nd ar y  of   1 , 2   i s  c al c ul a ted  as  f ol l o w s :     { 10 = | ( 3 5 − 2 4 ) / ( 1 2 − 3 2 ) | = 66 . 97 20 = | [ 5 ( 1 + 3 ) − 4 ( 2 + 3 ) ] / ( 1 2 − 3 2 ) | = 68 . 68       the   H R S M C  c on tr o l l er   p aram ete r   of   the   1 = 5 . 807 , 2 = 7 . 346 , 1 = 1 . 826 , 2 = 3 . 687   and   2 = 1 . 427 .  Ini t i a l   s tat e  v ec tor 0 = [ 2 + 0 . 1 , 0 . 1 , − 0 . 1 , − 0 . 2 ] .  T he   de s i r ed   s tat e  v ec t or     i s   = [ 0 , 0 , 0 , 0 ] .           F i gu r e  6.  S tr uc ture  of  th e p en du bo t s y s tem       T he   HRF S MC   c on tr o l l er   pa r am ete r s   of   the   pe nd ub ot   s y s t em   are  s el ec te d  th e  s a m e  as   pa r am ete r s   of   HRSM C  c on tr ol l er.  H o w e v er,  the   HRF S MC   c on tr o l l er  ha s   an   a dd i ti on a l   pa r am ete r   s el ec ted   as   1 = 0 . 01   a nd   1 = 5 .  T o  s ee   tha t   the   HR F S MC  c o ntrol l er  i s   m ore   ef f i c i en t  tha n  th e  HRS MC  c on tr ol l er.  W e   ha v e  s i m ul ate d  i n  2  c as es   1 = 0 . 01   and  1 = 5   of  HRF S MC   c on tr ol l er  whe n  c om pa r ed   w i t h  H RS MC  c o nt r ol l er.  W i th  s m al l er  1   v al ue ,   t he   ab i l i t y   to   r em ov e  c ha tte r i ng   s i g na l s   of   HRF S MC   c on tr o l l er  wi l l   be   b ett er   tha n  H RS MC  c o ntrol l ers .  B ut  to   ac hi e v e  th i s  c a pa b i l i t y ,  the   s y s t em  w i l l  r es po nd  m ore s l o wl y ,  t he   tr an s i t i o n  v a l ue   wi l l   be   l arg er. I n  c on tr as t  to  t he   l arger   1   v a l u e,  HF S MC  c on tr ol l er  r es po nd s   m ore  qu i c k l y ,  l arg er  tr an s i e nt  v al ue   wi l l  h av e a   l arg er c ha tt erin g . T o c l arif y  th i s  i s s ue ,  l et's  l oo k  at  th e s i m ul at i on s   be l o w .   F i g ure s   7,  8 ,  9,   10   c om pa r e  s i m ul ati o n  r es u l ts   of   t w o   c on tr ol l ers   HR S MC   an d  H RF S MC  pe nd ub o t  s y s t em s   w i th  1 = 0 . 01 .   It  s ho w s   th at  an g l e  of   l i nk 1,  l i nk 2  of   HRSM C  an d  H RF S MC   c on tr ol l ers  c on v er ge   to  th e   eq u i l i bri um  po s i ti o n f or  ab o ut  0 .6  an d  1.5  s ec on ds .   T he  ac t i on  to r qu e   on   l i nk   1  of   the   HRF S M C  c on tr ol l er  ha s   an   os c i l l ati o n  w h i c h  i s   c om pl ete l y   di s ap p ea r e d   c o m pa r ed   w i th  ac t i on   torq u e  on   l i nk   1  of   the   HR S MC  c on tr ol l er.  T he   a ng l es   l i nk   1  an d  l i nk   2  of  the   H RF S MC  c o ntrol l er  h as   an   os c i l l at i on   w h i c h  i s   c om pl ete l y   di s a p pe ar ed   c o m pa r ed   wi th  an g l es   l i nk   1  an d  l i nk   2  of  the   HR S MC  c on tr ol l er.  H o w e v er,  th e  HRS MC  c on tr ol l er  r es po n ds   f as ter tha n t h e HRF S MC  c on tr ol l er  wi th   1 = 0 . 01 .   F i gu r es   11 ,   1 2,  13   c om pa r e  s i m ul ati on   r es ul ts   of   t w o   c on tr ol l ers   HR S M C  a nd   H RF S MC   pe nd ub o t  s y s t e m s   w i th   1 = 5 .   I t  s ho w s   tha t   a ng l e  of   l i nk 1,  l i nk 2  of   HR S M C  a nd   H RF S MC  c on tr ol l ers   c on v erge  t o  th e  eq u i l i bri um   po s i ti on   f or  ab ou t  0.6   s ec o nd s .   T he   ac ti on   tor qu e  o n     l i nk   1  of   the   HRF S MC   c on t r ol l er   ha s   an   os c i l l at i o n  whi c h  i s   gr ea ter   c om pa r ed   w i t h  ac ti on   to r q ue   on  l i nk  1  of  th e HR S MC  c o ntrol l er. T he  a ng l es  l i nk  1  a nd  l i nk  2  of  th e HRF S MC  c on tr ol l er  ha s  a n  os c i l l ati on   w h i c h  i s   gr ea ter   c o m pa r ed   w i t h  an gl es   l i n k   1  an d  l i nk   2  of   the   HRS MC  c on tr o l l er.  Ho w e v er, t he  H RF S M C c o ntrol l er r es po nd s  f as ter tha n t he  HRS MC  c o ntrol l er  wi t h  1 = 5 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ◼                IS S N: 16 93 - 6 93 0   T E L KO M NIK A     V ol .   17 ,  No .  6,  D ec em be r  20 19 :   30 2 7 - 304 3   3034     ( a)       ( b)     F i gu r e  7.  T he  an gl e l i nk  1  o f  pe nd ub ot  when   us i n g HR S MC c o ntrol l er  an d  the   HR F S MC  c on tr ol l er  wi th  1 = 0 . 01   ( a)  1   i n  ti m e s erie s  f or m at ; (b)   Z oo m ed - i n  ti m e f r a m e o f   1   (2 – 3 s )         (a )         ( b)     F i gu r e  8 .   T he  an gl e l i nk  2  o f  pe nd ub ot  when   us i n g HR S MC c o ntrol l er  an d  the   HR F S MC  c on tr ol l er  wi th  1 0 . 0 1 k = ( a)  2   i n  ti m e s erie s  f or m at ; (b)   Z oo m ed - i n  ti m e f r a m e o f   2   ( 2  –   3s )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A     IS S N: 1 69 3 - 6 93 0   ◼     Hi erar c hi c a l  r o bu s t fu z z y  s l i di n g m o de  c o ntrol  fo r  a   c l a s s …  ( Duc  Ha V u )   3035       F i gu r e  9.  A c ti o n t orq ue   on   l i nk  1  of  th e p en du b ot  when   us i ng   the   HRS MC c on tr ol l e r           F i gu r e  10 .  A c ti on  t orque  on  l i nk  1  of  th e p e nd u bo t  us i n g t he  HRF S MC c o ntrol l er  wi th  1 = 0 . 01         ( a)       ( b)     F i gu r e  11 . T he  a ng l e  l i nk  1  of  pe nd u bo t  whe n u s i ng  H RS MC  c on tr o l l er and  th e H RF S MC  c on tr ol l er  wi th  1 5 k =   ( a)  1   i n  ti m e s erie s  f or m at ; (b)   Z oo m ed - i n  ti m e f r a m e o f   1   ( 2  –   3s )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ◼                IS S N: 16 93 - 6 93 0   T E L KO M NIK A     V ol .   17 ,  No .  6,  D ec em be r  20 19 :   30 2 7 - 304 3   3036     ( a)       ( b)     F i gu r e  12 .   T he  a ng l e  l i nk  2  of  pe nd u bo t  whe n u s i ng  H RS MC  c on tr o l l er and  th e H RF S MC  c on tr ol l er  wi th  1 = 5   ( a)  2   i n  ti m e s erie s  f or m at ; (b)   Z oo m ed - i n  ti m e f r a m e o f   2   ( 2  –   3s )           F i gu r e  13 .  A c ti on  t orque  on  l i nk  1  of  th e p e nd u bo t  whe n u s i n g t h e HR S MC  c on tr o l l er an d    the  HRF S MC  c on tr o l l er  w i t h  1 = 5       5.2 . T h e Ca r t   Do u b le  Inv e r t ed P end u lum  S ys t em   T he   c art  do ub l e  i nv erted   p e nd u l um   s y s t em   i s   c ou pl ed   b y   t w o  p en d ul um   i n  a m ov i ng   c art  as   s ho w n  i n  F i g ure   14.   T he   s y s tem   c on s i s ts   of   t hree  s ub s y s t em s :  the   up pe r   pe nd u l um ,     the   un de r   pe nd u l um   an d  c art.   Its   c on tr ol   o bj ec ti v e  i s   to  k ee p  s tab l e  t o  eq ui l i br i u m   tw o  up r i gh t  v erti c a l  p en du l um  an d t o  brin g  the  c art  to  i ts   eq ui l i briu m  po s i ti on  [2 2].     T he   s y m bo l s   i n  F i g ure  1 4  are  de f i ne d  as   f ol l o w s :   1   i s   the   an g l e  of   the   i nv erted   pe nd ul um   w i th  v erti c a l   l i ne .   2   i s   the   an g l e  of   the   i nv erte d  pe m du l um   w i th  v erti c a l   l i ne ,  w h i c h  i s   the   c on tr o l   f orc e.  T a k i ng   = 3   i n  ( 1),  the   s ta te - s pa c e  ex pr es s i on   of   the   c art  i nv erted  pe nd ul u m   s y s t em  i s  de f i ne d a s  f ol l o ws :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.