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과학

Sontag 안정화 공식

Sontag 안정화 공식과학
영문명
Sontag universal formula
대표 대상
제어 아핀 비선형 시스템
필요 정보
제어 리아푸노프 함수와 방향 미분
주의점
입력 한계가 없는 기본형
Sontag 안정화 공식은 제어 리아푸노프 함수의 미분값으로 안정화 피드백을 명시적으로 구성하는 공식이다. 제어 아핀 시스템에서 어떤 입력이 함수를 감소시키는지 알 수 있다는 존재 조건을 구체적인 상태 피드백 식으로 연결한다.

두 미분값으로 정리하기

단일 입력 시스템 ẋ=f(x)+g(x)u에서 a=∇V·f, b=∇V·g로 두면 V̇=a+bu다. V가 제어 리아푸노프 함수라면 원점 밖에서 이 값을 음수로 만들 입력이 존재한다. 특히 b=0인 상태에서는 입력으로 미분값을 바꿀 수 없으므로 반드시 a<0이어야 한다.

기본 공식

b≠0에서 u=−(a+√(a²+b⁴))/b로 두고 b=0에서는 u=0으로 정의한다. 앞의 경우 대입하면 V̇=−√(a²+b⁴)<0을 얻는다. b=0인 원점 밖에서는 제어 리아푸노프 조건에 따라 V̇=a<0이다. 이 식을 쓰려면 먼저 적절한 V가 주어져 있어야 하며, 공식이 그 함수를 자동으로 찾아 주는 것은 아니다.

선형 한 변수 예제

ẋ=x+u, V=x²/2이면 a=x²,b=x다. x≠0에서 공식은 u=−(1+√2)x로 단순해진다. 폐루프 운동은 ẋ=−√2x이고 V̇=−√2x²다. x=0에서 u=0으로 놓으면 이 예제에서는 피드백이 원점까지 연속이다. 같은 시스템을 안정화하는 피드백은 여러 개일 수 있으며 이 식이 입력 크기 최소화 해라는 뜻은 아니다.

연속성과 구동 한계

일반적인 경우 원점에서의 연속성을 위해 제어 리아푸노프 함수의 작은 입력 성질 같은 추가 조건이 중요하다. 기본 공식을 계산한 뒤 구동기 한계에 맞춰 단순 포화하면 감소 증명이 유지되지 않을 수 있다. 위 예제도 |u|≤1인 구동기에서는 큰 |x|에 대해 식을 그대로 실행할 수 없다. 제한된 입력에는 그 제약을 반영한 설계가 필요하다.

관련 문서

제어 리아푸노프 함수 / 제어 아핀 시스템 / 피드백 제어 / 계산 토크 제어 / 제어 장벽 함수 / 미분