Đánh giá hiệu năng và tính bền vững của một số bộ điều khiển phi tuyến: Một nghiên cứu so sánh trên mô hình con lắc ngược

Abstract

This paper presents a comparative study on the performance and robustness of nonlinear controllers: Backstepping, Sliding Mode Control (SMC), and RISE on an inverted pendulum model. The main contribution is the development of a unified evaluation framework that simultaneously analyzes tracking accuracy, settling time, RMS error, and control energy under actuator saturation constraints. The controllers are verified through three scenarios: nominal conditions, external disturbances, and extreme uncertainties (a 3000% increase in pendulum mass). Results show that Backstepping achieves high energy efficiency under nominal conditions but its robustness degrades in the presence of disturbances and model deviations. SMC offers fast disturbance rejection but consumes higher energy and is sensitive to measurement noise. RISE achieves a better balance among tracking accuracy, disturbance rejection capability, and control signal oscillation thanks to its error integral mechanism, despite requiring higher transient energy and complex parameter tuning.

Tóm tắt

Nghiên cứu được thực hiện nhằm so sánh hiệu năng và tính bền vững của các bộ điều khiển phi tuyến Backstepping, điều khiển trượt (SMC) và RISE trên mô hình con lắc ngược. Đóng góp chính của kết quả nghiên cứu là giúp xây dựng khung đánh giá thống nhất, phân tích đồng thời độ chính xác bám, thời gian xác lập, sai số RMS và năng lượng điều khiển có xét đến giới hạn bão hòa của cơ cấu chấp hành. Các bộ điều khiển được kiểm chứng qua ba kịch bản: điều kiện danh định, nhiễu ngoại sinh và bất định tham số. Kết quả cho thấy Backstepping đạt hiệu quả năng lượng cao trong điều kiện danh định nhưng suy giảm tính bền vững khi xuất hiện nhiễu và sai lệch mô hình. SMC có khả năng kháng nhiễu nhanh song tiêu thụ năng lượng lớn hơn và nhạy cảm với nhiễu đo lường. RISE đạt được sự cân bằng tốt hơn giữa độ chính xác bám, khả năng chống nhiễu và mức độ dao động của tín hiệu điều khiển nhờ cơ chế tích phân sai số, mặc dù đòi hỏi năng lượng cao hơn ở pha quá độ và quá trình tinh chỉnh hệ số phức tạp.