滑模变结构控制及应用_

滑模变结构控制是自动控制系统的一种设计方法，目前形成了一个相对独立的研究分支。它适用于连续或离散系统、线性或非线性系统、确定性或非确定性系统、集中参数或分布参数系统和集中控制或分散控制等。该控制方法通过一定的控制策略让控制量不断地切换，迫使系统进人预先设定的滑模面滑动。系统如果进人了滑模状态，系统参数扰动与外部干扰对系统无作用，系统的稳定性动态品质仅取决于滑模面及其参数。正是这种特性使得滑模变结构控制受到世界各国学者的广泛重视，并在各个应用领域得到广泛的推广。
滑模变结构控制策略与常规控制策略的根本区别在于控制的不连续性。由于滑动模态是可以设计的，且与系统的参数变化及外部扰动无关，因此鲁棒性强、可靠性高，被广泛应用于运动控制中。随着滑模变结构的发展、改进及和其他控制策略的融合，对时变系统、不确定系统等也同样具有良好的控制作用。
国内外研究应用现状
滑模控制正在和智能控制相结合，将自适应、模糊和神经网络等控制和滑模控制结合，可以提高整个系统的性能，这是发展的一个趋势。近年来国外学者对一般的非线性系统，用微分集合理论给出了滑动模态存在条件、可到达条件和等效控制描述，将线性切换平面改成了非线性的开
关超曲面，给出了选择非线性流形，从而获得理想滑动模态的新途径。
国外对分布参数系统的滑模控制研究现已逐步开始，在分布参数的情况下，原先集中参数所用的滑模理论全部不适用，滑模存在性、可达性、稳定性等都要重新建立。而对带有概率分布参数的滑模控制研究才刚刚起步，两者目前都没有成熟的结果和理论。
在应用方面，滑模变结构已经用于解决更加复杂的问题，如解决运动跟踪、模型跟踪、不确定系统控制等一系列问题，并和助apuno、稳定性理论、超稳定性理论、模型参考自适应理论相结合，产生了大量新的控制方法，这同样是它的一个发展趋势。高为炳院士针对系统从任意一点出发的状态如何到达滑模面的问题提出了趋近律的概念，并给出了部分趋近律，把滑模变结构从求解不等式问题变成了求解代数方程的问题，通过选择合适的趋近律，可得到期望的动态品质。在设计复杂的滑模系统时这一点是十分重要的。高为炳还首次提出自由阶梯的概念。王丰尧对滑模变结构理论作了系统的阐述。此外，国内在抖振问题、电机、机器人和多变量离散系统等应用方面做了很多工作并取得了部分成绩。
滑模变结构的研究方向滑模变结构作为控制理论有大量可研究的方向，这里仅列出部分主要的方向。
1离散系统滑模变结构控制
由于计算机的飞速发展，离散系统的变结构控制显得尤为重要，不正确或不精确的离散化处理，会使离散化的系统和原来的系统结构发生变化，甚至于大相径庭，从而造成控制的失败。由于离散控制信号必须是有界的这个基本理论，造成在设计不确定系统的上下界时，会需要非常大的反馈增益，使抖振加剧，这是一个很大的缺点。对于目前研究中，针对离散系统中滑模控制不变性和鲁棒性难以有效保证，JHKim川等提出了三种方法来解决此类问题，这三种方法已经得到了应用。由于离散系统滑模变结构系统受趋近律、自身参数和切换开关的影响，状态轨迹必然在原点邻域大幅度抖振，如何削弱或限制抖振是研究的另一个重点。
2自适应滑模变结构控制
实际中大多数系统的系数是变化的，将自适应控制和滑模控制结合起来，为有效解决参数不确定或时变参数系统控制问题提供了一种控制策略。在滑模控制中，为了保证系统能够达到切换面，在设计控制律时一般都要求系统不确定性范围已知，但实际中很难做到这一点。F工Linlzl等人采用了自适应滑模控制方法对永磁同步伺服电机进行了控制，该方法无需考虑不确定性和外加干扰的上下界，实现了此类系统的自适应滑模控制。程仁洪等131将一种简单的自适应用于电机调速，让控制信号随滑模状态偏离开关面的程度大小来自动调整，改进了原来的比例滑模控制。
3非线性系统的滑模变结构控制
非线性系统的滑模变结构控制一直都是各国学者关注的热点，由于非线性系统控制方法比较少，并且很多非线性系统是无法线性化的，滑模变结构系统恰恰对任何非线性系统都适用，只不过有时问题会变得非常繁杂困难。变结构的创始人之一Utkin率先研究了此问
，为非线性系统变结构的控制理论发展奠定了基础。目前该领域研究的最前沿包括了输人和状态受约束的非线性系统，输入受约束的非线性系统，非最小相位非线性系统的研究。LuXYI4等用滑模变结构方法实现了一类非最小相位非线性系统的鲁棒性控制。
4全鲁棒滑模变结构控制
滑模变结构控制的运动过程分为两个阶段:①到达运动阶段。②滑模运动阶段。因为系统只有在滑模动状态才具有对系统参数扰动和外界干扰的不变性，如果缩短从任意初始状态到达滑模面运行的时间，就可以改善动态性能，因此缩短到达滑模面的时间是一个十分重要而有前景的研究方向。全鲁棒滑模变结构控制就是缩短到达滑模面时间的一个典型方法，它是在控制器的作用下，消除到达运动阶段，使系统在整个运动过程中具有鲁棒性，克服了一般滑模控制中到达运动阶段没有鲁棒性的缺点。它主要是通过设计动态非线性滑模面来消除趋近过程。LuYS阎等设计了一种全局鲁棒性滑模控制器，对滑模面进行了优化设计，该控制方法已经成功的用于直流无刷电机。
5滑模观测器的研究
滑模变结构控制系统的所有分析、设计及实现都是以状态量的可测性为基础，但实际中，大多数控制系统的状态量并非全部可直接测量的。通过滑模观测器，可实现状态部分可测或完全不可测情况下的控制。用滑模变结构方法设计非线性观测器是一个重要的研究方向。zhengYH等顶设计了一种非线性自适应滑模观测器，并应用到电机控制中。KimSM等口用自适应滑模观测器，实现了电机参数的精确估计。
6积分滑模变结构控制
普通滑模控制系统在跟踪指令信号时，如果遇到扰动，稳态误差会变大，以至于达不到要求，积分滑模跟踪性能优良，可解决此问题。针对常规积分变结构的局限性(要求控制对象的系统模型是可控标准型，不包含任何零点)，JinnDerWan酬对单输人单输出(5150)系统设计了两种新的积分变结构方法，解决了对象局限性。已解决和正在解决的问题，滑模变结构的抖振问题滑模变结构在本质上是一种不连续控制，具有系统不断变化的开关特性，正是这种开关特性引起系统的“抖振”问题。由于开关不可能是理想的，必然有空间和时间的滞后，系统的控制力又不可能无限大，J质性作用是不可消除的。抖振是变结构系统必然存在的特性，不可能消除它，只能减弱它。目前，随着计算机的飞速发展，使得开关本身的空间、时间滞后基本上可以忽略，开关的切换动作造成控制的不连续性成为抖振最主要的一个原因。抖振问题会带来十分严重的后果，它不仅影响控制的精确性，而且会激发系统中建模时未考虑的高频部分。使系统的性能下降甚至完全破坏。它是滑模变结构要解决的首要问题。关于它的解决方法有大量的研究，最具代表性的研究有以下几个方面:
(1)趋近律方法高为炳院士侧将趋近律的概念用于消除抖振。在离切换面较远时用高斜率的趋近律，让运动点向切换面的运动速度快，当接近切换面时用低斜率的趋近律或零趋近律，让运动点的速度变慢或渐进为零。该方法可以有效减弱抖振。翟长连!l0]、于双和‘川等人分别在该方法的基础上作了改进，进一步削弱了抖振。
(2)观测器方法普通滑模控制中，为了消除外加干扰和系统的不确定项，需要相当大的切换增益，而切换增益过大会引起抖振剧烈。如果用观测器来消除干扰和不确定项，可大大降低切换增益，有效地控制了抖振。用观测器消除外界干扰和不确定项已成为一个减弱抖振问题的研究重点。宋立忠112]针对系统的不确定部分设计了扰动预测器，对变化率为零或较慢的扰动具有高估计精度，减弱了抖振，是该方法的一个应用。
(3)模糊方法模糊滑模控制将控制信号柔化，实现了信号连续化，可降低抖振现象，同时模糊控制还具有自适应、自学习的能力，可以实现滑模控制参数调整。张天平等口3吸计了一种基于模糊逻辑的连续滑模控制方法，使用连续的模糊逻辑切换代替滑模控制中的非连续切换，降低了抖振。
(4)神经网络方法神经网络对非线性部分、不确定参数进行在线辨识估计。可实现滑模变结构的等效控制并削弱了抖振。ErtugnllMll嘿提出了一种控制方法，用两个神经网络分别逼近等效滑模控制部分及切滑模控制部分，该方法最大的优点是不需要对象的数学模型，并削弱了抖振，此方法已成功的用于机器人轨迹跟踪。
(5)遗传算法优化方法遗传算法是非常好的优化算法，解决非线性问题时有很好的鲁棒性和最优性。用遗传算法对控制器参数或切换函数进行优化，可以很好的降低抖振。Lin.F.J[15]等设计了一种遗传算法，对滑模变结构中自适应增益项进行了实时优化，减小了抖振。
(6)H.优化设计方法H二优化方法是通过切换面的设计，让滑动模态的频率响应具有某种希望的形状，抑制能引起抖振的频率分量。从而减弱抖振，近似于对切换面进行“滤波”。抖振问题迄今为止没有一个统一消除的设计方法，以上的方法都是针对各自遇到的情况提出的方法，有优点也有缺点，使用时必须具体情况具体分析，选择其中一种合适的方法或者两种方法相互结合使用。
2滑模面的设计
滑模变结构优良的性能需通过合适的滑模面来喀实现。滑模面设计有多种方法，但目前在非线性系统的滑模面设计上仍然没有比较有效的方法，如何设计合适的滑模面产生稳定的滑模动态是要研究解决的重要方面。线性滑模面的设计有极点配置、二次最优控制等方法，并在工程上得到了广泛应用。非线性滑模面设计有积分滑模面和超曲面滑模面等设计方法。
(l)二次最优控制滑模面设计二次最优控制是设计一个滑模面，在满足系统方程和约束条件下，让性能指标最小。由于性能指标函数是二次函数，因此叫二次最优控制。优点是能够提供一套系统的方法计算状态反馈控制增益矩阵。DorlingcM口陋过此方法得到了最优滑模面。
(2)积分滑模面设计积分滑模面设计可以保证状态量由初始时刻到最终时刻都具有鲁棒性，并让不确定动态系统稳定到渐近线且同时具有一定范围内的抗扰动作用。Mun一500Kim等[17通过建立了一个简单的积分滑模面，实现了永磁同步电机的滑模控制，鲁棒性优良。
(3)超曲面滑模面设计普通的滑模面设计都是选择一个线性滑模面，系统进人滑动模态后，误差逐步收敛到平衡点。但无论如何调节，误差无法在有限时间内收敛到平衡点。为了让非线性系统状态变量有限时间内收敛到滑动模态的平衡点，可以通过设计一种动态非线性滑模面来实现。YUX等l18]首先设计出一个非线性滑模面—s=系ax+月力lr=0，q、p是正奇数，不p，可以证明状态变量会在有限时间内到达平衡点，该方法的缺点是参数选择十分困难。康宇等119设计了一个新的分段指数型滑模超曲面，系统状态变量能以更快的收敛速度在有限时间内到达滑模超曲面并最终收敛到平衡点。
研究及应用
迄今为止，已有多个控制系统采用了滑模变结构控制策略，取得了良好的效果。这里列出部分典型的应用。
1电机的应用
这是滑模变结构一直以来最主要的一个应用领域，由于无论直流电机、同步电机和感应电机都存在严重的非线性，十分适合滑模变结构的应用。吴志刚固等用滑模变结构实现了电机的直接转矩控制，用模型参考自适应法建立了速度辨识。程仁洪等I3]用遗传算法对电机模型进行了低阶近似化，再用比例滑模控制策略对电机进行了控制。郭可忠等121]对永磁同步电动机矢量控制法采用了多输人滑模控制。贾洪平网将滑模变结构控制策略引人永磁同步电机直接转矩控制中，来解决传统永磁同步电机直接转矩控制中存在的一些问题。以上应用说明了滑模控制在电机中的重要应用。
2开关变换器的应用
开关变换器是一个强非线性系统，滑模变结构的应用可解决开关变换器不易稳定、对扰动抑制能力差等问题。伍言真等阳提出一种方案，根据开关工作周期，动态地对滑模误差进行修正，补偿了控制量的大小，有利于近似地保证系统沿着切换面运动，并可以减少系统稳态误差，达到削弱抖振的目的。
3机器人控制的应用
机器人近年来成为滑模变结构主要应用方面之一。机器人是典型的非线性系统，存在各种不可预见的外部干扰，有大量关于此方面的研究。Ficola.A等侧通过设计两个滑模面，实现了带有弹性力臂的双关节机器人的研究。
4飞行器控制的应用
滑模变结构控制本身的优良性能，适合飞行器的运动控制。高为炳l9]就航空航天飞行器、柔性空间飞行器的控制进行了设计。近年来，滑模变结构在导弹制导中发展神速，宋建梅l25]等对变结构控制理论在飞行器制导与控制中的应用研究作了简单综述，侧重论述了开关面的选择，滑模制导律对干扰和参数摄动的鲁棒性。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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