TELKOM NIKA , Vol. 13, No. 4, Dece mb er 201 5, pp. 1263 ~1 269   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i4.1898    1263      Re cei v ed Au gust 30, 20 14 ; Revi sed O c t ober 2 6 , 201 5; Acce pted  No vem ber 1 0 ,  2015   Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control for a Class of  Nonlinear System      Xue Xiao 1, 2 , Zheng 3 , Don g  Haobin 4, 1 Institute of Ge oph ys ics an d Geomat ics, Ch ina U n ivers i t y   of Geoscienc e s , W uhan 43 00 74, Hub e i, Chi n a   2 Electrical & El ectronic En gin eeri ng Institue,  Nan y a ng Instit ute of T e chnol og y,  Nan y a n g  473 00 4, Hena n,  Chin a   3 Ph y s ics & El e c tronic Eng i ne erin g Col l eg e, Nan y a ng N o rm al Univ ersit y , N a n y a ng 4 730 6 1 , Hena n, Chi n 4 School of Aut o matio n , Chin a  Universit y  of   Geoscie n ces, W uhan 4 3 0 074 , Hubei, Ch ina   e-mail: d ong hb @cug.e du.cn       A b st r a ct   For a class of non lin ear system w i th par a m eter  perturb ati on an d extern al distur banc e,  adaptiv e   fu z z y  co ntrol c an be us ed to  appr oach th e system u n know n functions to r educ e t he cont rol in put an d the  steady-state e rror. And an  a daptiv sw itch control g a i n  w hose ad aptiv e law  is decr e asin g functio n  is   desi gned to w eaken the syst em  c hatteri ng,  the sw itch ga i n  of esti m a te  w ill increase  on the basis  of the  original without decreas ing  with t he elim ination  of interf erenc e.If system  is  interfer enced  m a ny times.   Agai nst the shortcomin gs, this paper pro p o s es an  i m prov ed ad aptive l a w  that  can  w eaken the syste m   chatterin g  effe ctively w h ile  mainta ini ng th e strong ro bustn ess. T he si mul a tion res u lts b y  tests show  tha t   this met hod is  correct and eff e ctive.      Ke y w ords : Ad aptive F u zz y  C ontrol, Integr al  Slid i ng Mo de, Nonl in ear System, Ro bustn es s      Copy right  ©  2015 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  As a co ntrol  method for  system s whi c retain  stron g  robu stne ss with the cha r a c teristics  of parametri c uncertai n ties and  di stu r ba nce, slidin g mode co ntrol   techn o logy i s  hig h lighte d   by  control re se a r ch. In orde r to achieve e x cellent  control effect, many research e r s a pply vari ous  control theo ri es to  sliding  mode  control, su ch  a s   adaptive sli d i ng mod e  co ntrol [1-3], fuzzy  slidin g mod e  control [4] a nd neu ral n e t work sli d ing  mode  control [5]. Tracto r stee rin g  an gle  controlle r is desig ned t h rou gh a dap tive sliding  mode  contro l method in  quotation [ 6 ].  Outstan d ing  traje c tory tracking  an d h a n d ling  st ability  is  obtain ed  and th e effe cts of p a ramet e pertu rbatio ns and exte rnal  distu r ban ce s on the  sy ste m  ope rability  can  be ove r come effe ctively  [7]. Adaptive  integral sli d i ng mode i s  applie d to  system s with u n ce rtain pa ra meters and t he  effects of co n t rol are a c hi e v ed su ccessf ully  in quotation [8]. Feedb ack linea rization method a nd  postu re  co ntrol hold e r co mbining  with  variable  sli d i ng mo de  stru cture  a r e d e signed  ba sed   on   differential g e o metry for  he avy equipme n t aird rop  pro c e ss  motion  model  with th e ch aracte rist ics  of stron g  cou p ling, stro ng  nonlin earity a nd larg e distu r ban ce [9 -12] Ho wever, the r e i s  a p r obl e m  in the a b o v e  re sea r ch es. Th e tradit i onal a daptiv e law i s   non de crea si ng function, the uncertai n ty is estimate d to incre a se  in the origin al basi s , not with  the estimate d value of disturb a n c e an d the di sa pp eara n ce of gradu ally decreasi ng, buffe ting  increa sed  wit h  the time  p r olongi ng. Th e metho d   of  dead  time  ch ara c teri stic a nd a daptive l a nonlin ear  ch ara c teri stics i n  com b inatio n, can be tte r solve the problem. The  basi c  ide a  of the  method i s , in  rea c hi ng  m ode  of the t r aditional   slidi ng mo de  co ntrol, ad aptive la w g uaran tee   system  ca n q u ickly re ach the sli d ing  su rface; when  th e switchi ng fu nction val ue  reache s the  set  value, the ad aptive law to   cha nge, the  switchi ng  fun c t i on a s  the val ue of the  switchin g gai n, the   slidin g mod e  cont rol of  switchi ng g a in  decrea s e d   with the d e crease of switching fun c tion,  the   final driven b y  the steady system e n ters the slidi ng  mode.   This p ape r use d  fuzzy slidin g mode  cont rol to solve a cla s s of strongly  cou p le d   nonlin ear sy stem pa ramet e pertu rbatio n an d exte rn a l  distu r ba nce  by usi ng th adaptive i n te gral   type. Throu g h  the de sig n   of integral ty pe sli d i ng  su rface b a sed o n  the e rro r, u s ing  ada ptive to   the un kno w n   function s in  the sy stem  of fuzzy  app rox i mation of th e switchi ng  g a in ad aptive l a desi gn of  swi t ching  fun c tio n  imp r oved f u zzy infe ren c e sy stem, we ake n  the  ch a ttering, an d L e e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA  Vol. 13, No . 4, Decem b e r  2015 :  126 3 – 1269   1264 Jaa p  Andria n o f direct met hod to prove  the stab ility  of the system, the simulation re sults  sho w   that, the improved metho d  effectively  wea k e n ing th e adaptive la w is non de crea sing  control  input ch atteri ng, so that the system  h a s good dynami c  perfo rma n ce and ro bu stn e ss.      2. Sy stem Descriptio n  a nd Integral ty pe  Sliding  Mode Surfac e Design   Con s id erin g the SISO nonl inear  system     (, ) ( , ) ( )   x fx t g x t u t d t          (1)     In the a bove  formula,  (, ) f xt (, ) g xt are  un kno w n  no nlinea r fun c ti ons,  and   0 (, ) gx t () dt external inte rfere n ce.Defi n ing the  system tra c kin g  error i s  et x t r t , usin the   system tra c ki ng error fee d back  buil d  sli d ing mod e  su rface   12   s tK E t e t k e t k e t   So:       12 1 2 00       tt s te k e k e d x t r t k e k e d      (2)     Can  be  see n  from the typ e  (2 ), the  system  h a co nstru c ted  the  integral sli d ing mo de   surf a c e,  t h sy st em t r a cki ng e rro r d e p end s on  the  state fee d b a ck matrix  12 1, , Kk k , by  determi ning suitable  1 k and  2 k , the tra cki ng e r ror  et  will be  cl ose to  ze ro,  and the  syste m  will   have a goo d dynamic p e rf orma nce.      3. Design of  an Ada p tiv e   Fuzz y  Slidin g Mode Co ntroller    3.1. Algorith m  Design     For type (1 ) nonlin ear  system, said if  (, ) f xt (, ) g xt  and  () dt  as is  known,  0  st st  can   be ba sed o n  the slidi ng mo de in the idea l state of  the control law fo r the cal c ulati on of su rface:       *1 12 (, ) ,     ut g x t f x t d t r t k e t k e t      ( 3 )     If  g ( x, t )an d   d(t)  is un kn own ,   * ut  is difficult to achi eve, an d a fuzzy system approa ch  * ut  is  use d The switchin functio n   s t  is as the i nput  of fuzzy  cont rolle r, which form s a  singl e  input fuzzy  approximatio n system, fuzzy rule s,  and  the fuzzy con t roller for:     Rule  i IF  s is  i s F , THEN u  is  i          ( 4 )     And  i =1 ,, 23 …m i and  i s F  are  fuzzy  set s ; by  centroid  met hod to defuz z i fic a tion the fuz z y   controller out put will be:       TT f 11 ,/     mm zi i i ii us         ( 5 )     And  i is the  i -th rule’s  weight,  12 3 , , , ...,  m , 12 3 , , , ... ,  m i  is defined  to be:    1 /  m ii i i            (6)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Adaptive F u zzy Slidin g Mo de Co ntrol  for a Class of Nonline a r Syst em   (Don g Ha obin)  1265 On the basi s   of fuzzy app roximation the o ry, there is  an optimal fu zzy sy stem   * fz , us that can   approa ch * ut     ** * T fz ,( )   ut u s         ( 7 )     And the  is ap proximate e r ror that meets  || D .If fuz z y   s y s t em  f z u   a p p r o ac hes   * ut , s o     T fz ˆ ˆ ,  us           ( 8 )     And  ˆ is the e s timated value  of  * .The swit ching control l a w to compe n sate the  error bet ween  swit chin g con t rol law  ro bu stne ss,  stro n g  on t he app roximation error,  d e fined as  the switch ing  control law:     vs sgn  ut s t          ( 9 )     So the total c ontrol rule of s y s t em (1) is  :    fv s  z ut u u            (10 )     In the swit chi ng co ntrolle r, becau se of the uncertain  p a ram e ters  of the system a nd the existe nce   of interferen ce, re sulting in  the switchi n g gain  t is diffi cult to dete r mine, the a c t ual control to  determi ne, if  t the value selected is too large, will  produce buff e ting larger,  if too small,  robu st  syste m  de cline  a n d  tend  to  be  unsta ble. In   o r de r to  re du ce the  amo unt  of  cal c ulatio n can  be used to co ntrol sy stem from the la w o f  use to desi g n t , definition:    vs ˆ sgn  ut s t           (11 )      2 ˆ  ts t           ( 1 2 )     ˆ t is the swit ch gain of estimate,  2  is the adaptive factor of the real nu mber to   cha r a c teri zet he sp eed of the adaptive  law with  spe ed. The ada ptive estimation error  can  be   defined a s :     ˆ   tt D           ( 1 3 )     Define  * ˆ   , so formula (7)  can  be tran sform ed as:     ** T ff f f ˆˆ    zz z z u uuuu         (14 )     Put formula (2) into formul a (3), an d ca n get:          1 * 1 ,, ,,        ut g x t f x t d t r t e t s t gx t g x t u t s t      ( 1 5 )     So:      ** fv s ,,    z s tg x t u t u t g x t u u u t      ( 1 6 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA  Vol. 13, No . 4, Decem b e r  2015 :  126 3 – 1269   1266 3.2. The Stabilit y  Proof  Define Lya p u nov function  as:         22 12 ,, 0.5 22     T gx t g x t Vt s t t     So:                             12 * f 12 T 12 T vs 12 T 12 ,, ,, , ,, , , ˆˆ ,, , ˆ ,                            T T z T gx t g x t V t st st t t gx t g x t st g x t u u t t t gx t g x t st g x t t t gx t gx t s t s t g x t u t D t gx t gx t s t t     ˆˆ ,,   Dt t s t g x t s t g x t (17 )     For sy stem st ability, fuzzy approximatio n coeffi ci ent estimation u s i ng the followi ng algo rithm     1 ˆ   s t          ( 1 8 )     Put the type (12) an d (1 8) i n to type (17),  available:                 ˆ ˆ ,, , ,, ,, ,0      V t t s tg x t s t g x t t D s tg x t s t g xt Ds t g xt s t g x t D s t g x t Ds t g x t    (19 )     Becau s e   the type  (12 )  cha r acte ri zation of  t he ad aptive estim a tion l a w i s  n on d e c re asi n g   function, nam ely the adapti v e law  ˆ t doe not cha nge  with the wea k e n ing or di stu r ban ce, ca n   only in cre a se  in the  o r igin a l  ba sis,  and  t he a c tual  sy stem  subj ect to  distu r b a n c es or pa ram e ter is  variable,  with  the exten s io n of time, the  switch in g a d aptive law is  deci ded  by th e co ntrol  will  be  more a nd mo re large, chat tering  will strengthe n.  In orde r to re duce buffeting st rength  syste m ,   the method of  adaptive law  is used.     3.3. Impro v e d  Adaptiv e  C ontrol La w   Here d r a w   on  the exp e rie n c of metho d   of  the  n onlin e a r cha r a c teri stics of  de ad zone  to  desi gn ad apti v e law to improve the form ula (12 )  such as follo ws:        2 ˆ , ˆ ,    ts t s ts n s          ( 2 0 )     Her e   0 , 0 n . The theoreti c al an al ysis is a s  foll ows:  (a)  Whe n  the sy stem state, fa r distan ce  sli d ing  surfa c e, namely the a ppro a ch se cti on of sliding  mode  control, need to use  the cont rol la w ca gua ran t ee the syste m  stability an d the larg er  th e  s y s t e m  to  th e s lid in g s u r f ac e ,  th en  th e  ada ptive law (12),   whi c ca n g uara n tee  th e   system' s   con v ergen ce i n   a larg e ra nge , and the  con t rol input  stro ng, ca n qui ckly force th e   system  state into the slid ing surface  set.  The festiv al has proved the stability.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Adaptive F u zzy Slidin g Mo de Co ntrol  for a Class of Nonline a r Syst em   (Don g Ha obin)  1267 (b)  Whe n  the  sta t e of the syst em, has  retu rned to   the sli d ing surfa c e, a  modified ad aptive  law  to  control, can  make the  swi t ch gain decreased wi th t he decrease of t he error. The stability   proof:   The Lyapu no v function       2 1 , 0.5 2   T gx t Vt s t         ( 2 1 )     By formula (1 7) and  (18 )  a v ailable:                       T 1v s 2 ,/ , ˆ ,s g n ,s g n s g n ,        Vt gx t s t s t g x t u st g x t t s t st g x t s t s t n s t g x t s t n st st      ( 2 2 )     The app roxim a tion error g o e s to ze ro, so  t he type (22) with the following  cha nge s:         22 ,, 0  Vt gx t s t n s t s t gx t s t n s t    (23 )     (c)  Multiple di stu r ban ce  by t he system,  ch ange s in the  system e r ror perfo rman ce  in S. Erro increa se o r  decrea s e S wi ll be in (a) a nd (b the bo unda ry line a nd switchi ng of two state   rep r e s entatio n, eventually drove  conve r ge to zero, switchi ng esti mation value  of control g a i n   also d e crea sed.  (d)  In the ada ptive law exp r e ssi on  (20 ) , d e term ini ng th e gain  of swi t ch control th e sp eed  of  cha nge, is b enefici a l for the syste m  to unce r tain in terfere n ce su ppre s sion, o n  the oth e r   hand, takes  a long time to sup p re ss the dist u r ba n c e. For  a small positive  numbe r, ca n   conve r ge into  the sliding m ode to en sure  system. As a  bound ary value.       4. Verificatio n and Simulation An aly s is  Based  o n  th e tra c king  error state  fee dba ck  integ r al sli d ing  mo de  su rface,  use  the   followin g  5 ki nds of mem b er ship func tion of fuz z y     2 exp / 6 / / 2 4   NM ss         (24 )       2 exp / 12 / / 24   NS ss         (25 )       2 exp / / 2 4   ZO ss          (26 )       2 ex p / 12 / / 24   PS ss         (27 )       2 ex p / 6 / / 2 4   PM ss         (28 )     Method to ve rify this, con s ider the i n vert ed pen dulum  system, the f o llowin g  eq u a tion of  state are:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA  Vol. 13, No . 4, Decem b e r  2015 :  126 3 – 1269   1268         12 2 12 1 1 1 2 22 11 sin c os sin / c o s / 4/3 c o s / 4 /3 c o s /    cc cc xx gx m l x x x m m x m m x ut d t lm x m m l m x m m   (29 )     And in  (29 )   1 x  is  swi ng a n g le an 2 x   is swi ng spe ed, 2 9.8m / g s , 1k c mg vehicle  quality 0.1 k mg as the  pend ulum ro d quality 0.5m l half the length  of pend uluma s  t he control   input. Follow  the sinu soid a l  signal, the positio n co m m and, the initial state  of the system, when   the system is: interferen ce ; follo w the step sign al, the initial stat e is applie d for 0 se cond s, the   interferen ce o f  0.2 seco nd s.  The co ntrol l a w by type (10), (1 8) an d  (20), the con t roller p a ra m e ters 1 1000 , 2 10 , 0.01 , 1 n  the simulation cu rve as  shown fromFig u re 1 to 3.         (a) Po sition tracking  sine  si gnal waveform    (b)  cont rol inp u t wav e form     Figure 1. Sinusoi dal si gnal  system to  follow an d co ntrol the input waveform       (a) T he conventional meth od pro c e s sin g   step waveform signal tracking   (b) T he impro v ed method p r ocessin g  ste p   waveform s i gnal track i ng    Figure 2. The  system ste p  with sig nal waveform     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Adaptive F u zzy Slidin g Mo de Co ntrol  for a Class of Nonline a r Syst em   (Don g Ha obin)  1269   (a) Ada p tive para m eter  co nventional  wav e for m     (b) Ada p tive para m eters i m prove d  wav e form     Figure 3. Adaptive trajecto ry      5. Conclusio n   Based  on th e analysi s  of  the adaptive  law of  traditi onal ad aptive  fuzzy slidi n g  mode   control m e th od i s  ove r co me, imp r ovin g meth od i s   put forwa r d.  The  nonlin ea cha r a c teri sti c s of  applie d to th e ad aptive l a w, effe ctively solv e th adaptive l a w is  non  de creasi ng  defe c ts.  Simulation  re sults sho w  th at the im prov ed meth od  is  corre c t a nd  effective. Whil e  maintaini ng t he  origin al ad ap tive fuzzy sli d ing mo de  control  b a sed  on adva n tag e  of su ppressing distu r ba nce,   new meth od  obviously weaken the chattering,  re duces the control inp u t, and achieve  the   adaptive la w to estimate  the parame t ers  cha nge  with the di sturba nce cha nge s, effecti v ely  solve s  the problem s of the previou s  met hod s.      Referen ces   [1]    Shui-C hu n Li, Cing- Chic T s ai,  Hs u-Ch ih H uan g.  No nl ine a r  Ada p tive S l i d i ng-Mo de  Co ntrol D e si gn for   T w o-W heeled  Hu ma n T r ans portatio n  Ve hi cle . Proceedings of IEEE Inte rnational Co nferenc e o n   S y stems, Man  and C y b e rn etic s (SMC 2009).  200 9, 196 5-19 70.   [2]    F a rzin Piltan.  Desig n  Gradi e n t Descent Op timal Slid in g Mode C ontro l of  Contin uum R obots.  IAES   Internatio na l Journ a l of Ro bo tics and Auto mation.  20 12, 1( 4): 175-1 89.   [3]    Gouich iche A b delm adj id, Bo ucher it Moha med Se ghir, S a fa Ahme d, Messlem Y oucef . Sensorl e s s   Slidi ng M ode V e ctor Co ntrol o f  Induction M o tor Drives.  Inter natio nal J our n a l of Pow e r Ele c tronics a n d   Drive Syste m s . 2012, 2(3): 2 7 7 -28 4 [4]    Haitao Liu, T i e Zhang. Fuzz y  Sliding Mode Control of Robotic  Manipulators  w i th Kinematic and  D y namic  U n ce rtainties.  J our nal  of  Dyna mi c Syste m s, M easur e m ent  a nd  Contr o l . 2 012,  13 4(6):   061 00 7 (Article  number).   [5]    Hua ng  SJ, Hu a ng  KS, Chi o u  KC.  Dev e lo pm ent  a nd ap plic a t ion of  a nov el radi al basis   fun c tion  s lid ing   mode co ntroll e r Mechatronic s . 2003, 13( 4): 313- 329.   [6]    Z hou L iji e, W ang Ne ng jia n, Z hang  Defu. A dapt iv e sli d in g  mode of tract o r aircraft s y stem.  Contro l   theory an d ap p licatio n . 20 12, 29 (4): 529- 53 4.  [7]    W enlo ng S o n g ,  Yaqi Liu,  Li p iing  Su n.  Mo de l Ref e renc e A d aptive  Integr al- t ype Sl idi n g  M ode  Co ntrol  Design for a class of Uncertain System s . Pro c eed ing  of the  6th W o rld C o n g ress on Inte lli gent C ontro l   and Autom a tio n . 2006: 2 056- 206 0.  [8]    Li Dad o n g , Sun Xiu x i a , Do ng W enh an, Xu Gu angz hi.  A sliding mo de varia b l e  structure he av equ ipme nt aird rop lo ng itudi na l  control l a w   d e s ign b a se d o n  feed back l i ne ari z ation.  C ontrol theory  a n d   app licati ons . 2 013, 30 (1): 5 4 - 60.   [9]    Liu W enj ia ng, Sui Qingm ei, Z hou F e n g y u, Xi ao Hair on g. Adaptive fuzz y  s l i d in g mode co n t rol for ship   course co ntroll er desi gn b a se d on.  Informati on an d contro l . 2012, 4 1 (2): 1 36-1 41.   [10]    Huo lo ng,  L e  Guiga o Ma D a w e i, Hu  J i a n T he app licati on  of ad aptiv e  fuzz y sli d in mode  in t h e   positi on servo  s y stem of rock et launc her.  F i re and co mman d  control . 20 12 . 37(9): 137-1 4 0.  [11]    Liu Yu nfen g, Peng Yu nh ui , Yang  Xi aog an g, Miao Don g .  F u zz y   slidi n g  mode control  of adaptiv e   non lin ear  s y ste m s bas ed  on   hig h  g a i n  o b se rver.  Syste m s eng ine e ri ng an e l ectron ics . 200 9,  3 1 (7):   172 3-17 27.   [12]   Liu Ji nkun. Mat l ab sim u lati on for slidi ng mo de   control. Beij in g:  T s inghu Un iversit y  press,  200 5.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.