滑模變結(jié)構(gòu)控制及應(yīng)用

1、| 維普資訊 | 維普資訊 o麼克文張興/音肥工業(yè)大學(xué)屯氣工程學(xué)齪| 維普資訊 滑模變結(jié)構(gòu)控制及應(yīng)用本文介紹了近年來滑模變結(jié)構(gòu)控制一些鍛新的研究情況，從當(dāng)前主藝的研究方向，需鑒解決的一些 問題，典型的應(yīng)用三個方面詳細(xì)深入地進(jìn)行了討論。研究方向主要介紹了六午方面,井別是離散乘統(tǒng)滑機(jī) 變第枸、自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)、非線性系統(tǒng)的滑模變第槍、全魯棒滑模孌第構(gòu)*濟(jì)?，F(xiàn)測器、積井淆模變結(jié)構(gòu)。 滑摸變結(jié)構(gòu)的主霆問題是抖振問題，具有低表性的解決方寰為趨近律方迭"觀測器法、模糊方法、補(bǔ)經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 法、遺傳算法法和H"法。合適的滑榛面設(shè)計(jì)可讓孌結(jié)構(gòu)優(yōu)良的性能得到充分憚現(xiàn),主要有二次醴優(yōu)滑模 面積分滑模

2、面超曲面潛模面。| 維普資訊 | 維普資訊 滑模變結(jié)構(gòu)控制是自動控制系統(tǒng)的一 種設(shè)計(jì)方法目前形成了一個相對獨(dú)立的研 究分支。它適用于連續(xù)或離散系統(tǒng)、線性或非 線性系統(tǒng)、確定性或非確定性系統(tǒng)、集中參數(shù) 或分布參數(shù)系統(tǒng)和集中控制或分散控制等C 該控制方法通過一定的控制策略止控制雖不 斷地切換，迫使系統(tǒng)進(jìn)人預(yù)先設(shè)定的舒模面 滑動。系統(tǒng)如果進(jìn)人了滑模狀態(tài)，系統(tǒng)參數(shù)擾 動與外部干擾對索統(tǒng)無作用，系統(tǒng)的穩(wěn)定性 與動態(tài)品質(zhì)僅取決于滑模面及其參數(shù)。正是 這種特性便得胡模變結(jié)構(gòu)控制受到世界各國 學(xué)者的廣泛巫視，并在各個應(yīng)用領(lǐng)域得刮廣 泛的推廣?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制策略與常規(guī)控制策略 的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性。宙于

3、滑動 模態(tài)是可以設(shè)計(jì)的，且與系統(tǒng)的參數(shù)變化及 外部擾動無關(guān)、因此魯棒性強(qiáng)、可靠性離戡 廣泛血用于運(yùn)動控制中。隨著滑模變結(jié)構(gòu)的 發(fā)展、改進(jìn)及和苴他控制策略的融合，對時 變系統(tǒng)、不確定系統(tǒng)等也同樣具有良好的控 制作用。國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀制?？刂普诤椭悄芸刂葡嘟Y(jié)合，將自 適應(yīng)、摸糊和神輕網(wǎng)絡(luò)等控制和滑?？刂平Y(jié) 合,可以提高整個系統(tǒng)的性能*這是發(fā)展的一| 維普資訊 | 維普資訊 嘮匚$訓(xùn)200了年第26巻第3期| 維普資訊 個趨瓠近年來國外學(xué)者對一般的非線性系統(tǒng).用微分 集合理論給出了滑動模態(tài)存在條件、可到達(dá)條件和 等效控制描述，將線性切換平面改成了非線性的開 關(guān)超曲面，給出了選擇非線性流形，從而獲

4、得理想滑 動模態(tài)的新途徑。國外對分布參數(shù)系統(tǒng)的滑?？刂蒲芯楷F(xiàn)已逐 步開始，在分布參數(shù)的情況下原先集中參數(shù)所用 的滑模理論全部不適用*滑模存在性、可達(dá)性、穩(wěn)定 性等都要重新建立。而對帶有槪率分布參數(shù)的滑模 控制研究才剛剛起步兩者忖前都沒有成熟的結(jié)果 和理論°在應(yīng)用方面滑模變結(jié)構(gòu)已經(jīng)用于解決更加復(fù) 雜的問題，如解決運(yùn)動跟蹤、模型跟蹤、不確定系統(tǒng) 控制等一系列問題，并和Lyapunov穩(wěn)定性理論、超穩(wěn) 建性理論、模型參考自適應(yīng)理論相結(jié)合，產(chǎn)生了大雖 新的控制方法，這同樣是它的一個發(fā)展 戟。高為炳院士針對系統(tǒng)從任意一點(diǎn)出發(fā)的狀態(tài) 如何到達(dá)滑模面的問題提出了趨近律的槪念，并給 出了部分趨近律把

5、滑模變結(jié)構(gòu)從求解不等式問題 變成了求解代數(shù)方程的問題，通過選擇合適的趨近 律，可得到期望的動態(tài)品質(zhì)。在設(shè)計(jì)宣雜的滑模系 統(tǒng)時這-點(diǎn)是十分巫要的。髙為炳還首次提出自由 階梯的輒念°王豐堯?qū)Ｗ兘Y(jié)構(gòu)理論作了系統(tǒng)的 闡述。此外，國內(nèi)在抖振問題、電機(jī)、機(jī)器人和多變 就離散系統(tǒng)等應(yīng)用方面做了很多工作并取得了部 分成績?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)的研究方向滑模礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為控制理論有大呈可研究的方 向，這取僅列出部分主要的方向°1 離散系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制由于計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展.離歆系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控 制顯得尤為重要，不正確威不精確的離敬化處理，會 使離散化的系統(tǒng)和原來的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，甚至 于大相徑庭，從而

6、造成控制的失敗。由于離雌制倍 號必須是有界的這個基本理論*造成莊設(shè)計(jì)不確定 系統(tǒng)的上下界時,會需要非常大的反饋增益+使抖振 加劇'這是一個很大的缺點(diǎn)。對于Li前研究中，針對離散系統(tǒng)中滑?？刂撇?變件和會棒性難以有效保證,J H Kin?等提出了三種 方法來解決此類問題'這三種方法已經(jīng)得到了應(yīng)用。由于離散系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受趨近律、自身參 數(shù)和切換開關(guān)的影響，狀態(tài)軌跡必然在原點(diǎn)鄰域大編度 抖振，如何削弱或限制抖振是研究的另一個重點(diǎn)。2 自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)際中大多數(shù)系統(tǒng)的系數(shù)是變化的將自適應(yīng)控制 和滑?？刂平Y(jié)合起來,為有效解決參數(shù)不確定或時變參 數(shù)系統(tǒng)控制問題提供了一種控制策略

7、。在滑?？刂浦校?為了保證系統(tǒng)能夠達(dá)到切換面，在設(shè)計(jì)控制律時一般都 要求系統(tǒng)不確定性范圍已知，但寶際中很難做到這一 點(diǎn)。K J.Lin<人采用了自適應(yīng)滑揆控制方法對永磁同 步伺服電機(jī)進(jìn)行了控制，該方法無需考慮不確定性和外 加干擾的匕下界實(shí)現(xiàn)了此類系統(tǒng)的自適應(yīng)滑?？刂啤?程仁洪等歸將一種簡單的自適應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速讓控制 信號隨滑模狀態(tài)偏離開關(guān)面的風(fēng)度大小來自動調(diào)整，改 進(jìn)了原來的比例滑?？刂啤? 非線性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制非線性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制一直都是各國學(xué)者 關(guān)注的熱點(diǎn)，由于非線性系統(tǒng)控制方法比較少.并且很 多非線件蔡統(tǒng)是無法線性化的滑摸變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)恰恰對 任何非線性系統(tǒng)都適用，只不過有

8、時何題會變得非常繁 雜閑難。變結(jié)構(gòu)的創(chuàng)始人之一Skin率先研究了此問 題.為非線性系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)的控制理論發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 口前該領(lǐng)域研究的最前沿包括了輸人和狀態(tài)受約束的 非線性系統(tǒng)，輸人受約束的非線性系統(tǒng)非最小相位非 線性系統(tǒng)的研究。5 XY疇用滑模變結(jié)構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)了 一類非最小相位非線性系統(tǒng)的魯棒性控制V4 全魯棒滑模變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)控制的運(yùn)動過程分為兩亍階段：到 達(dá)運(yùn)動階段?；＿\(yùn)動階段。因?yàn)橄到y(tǒng)員有在滑模運(yùn) 動狀態(tài)才具有對系統(tǒng)參數(shù)擾動和外界干擾的不變性,如 果縮短從任意初始狀態(tài)到達(dá)滑模面運(yùn)行的時間，就可以 改菩動態(tài)性能因此縮短到達(dá)滑模面的時間是一個十分 重要而有前景的研究方向。全魯棒冊模

9、變結(jié)構(gòu)控制就是縮短到達(dá)滑模面時間 的一個典型方法它是在控制器的作用下消除到達(dá)運(yùn) 動階段，使系統(tǒng)在整個運(yùn)動過程中具育魯棒性，克服了 一股滑模控制中到達(dá)運(yùn)動階段沒有魯棒性的缺點(diǎn)°它 主要是通過設(shè)計(jì)動態(tài)非線性滑摸面來消除趨近過程。 Lu Y 9設(shè)計(jì)了一種全局魯棒性滑?？刂破?，對滑模 面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).該控制方法已經(jīng)成功的用于育流無| 維普資訊 | 維普資訊 | 維普資訊 刷電機(jī)"5 滑模觀測器的研究滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的所有分析*設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 都是成狀態(tài)曲的可測性為基礎(chǔ)，但實(shí)際中，大多數(shù)控 制系統(tǒng)的狀態(tài)址并非全部可直接測吐的口通過滑模 觀測器.可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)部分可測或完全不可測情況下 的

10、控制。用滑模變結(jié)構(gòu)方法設(shè)計(jì)非線性觀測器足一 個重要的研究方向。Zheng Y H等(魅計(jì)了種非線 性自適應(yīng)滑模觀測器并應(yīng)用到電機(jī)控制中。KimS M等E用自適應(yīng)滑模觀測器，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)參數(shù)的精確 怙計(jì)。6 積分滑模變結(jié)構(gòu)控制普通滯?？刂葡到y(tǒng)在跟蹤指令信號時.如果遇 到擾動、穩(wěn)態(tài)誤羞會變大，以至于達(dá)不到要求積分 滑模跟蹤性能優(yōu)良,可解決此問題針對曲規(guī)積分變 結(jié)構(gòu)的局限性(要求控制對象的系統(tǒng)模型是可控標(biāo) 準(zhǔn)理不包含任何零點(diǎn))Jinn Dor陥n0對單輸人單 輸出(STSO )條統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種新的積分變結(jié)構(gòu)方法* 解決了對象局限性。已解決和正在解決的問題1 滑模變結(jié)構(gòu)的抖振問題滑模變結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上是一種不

11、連續(xù)控制.具有 系統(tǒng)不斷變化的開關(guān)特性*正是這種開關(guān)特性引起 寒統(tǒng)的"抖振”問題。由于開關(guān)不可能是理想的*必 然有空間和時間的滯后.系統(tǒng)的控制力又不可能無 限大，慣性作用是不可清除的。抖掠是變結(jié)構(gòu)條統(tǒng)疊 然存在的特性，不可能消除它,只能減弱它。目前，隨 著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，使得幵關(guān)本身的空間、時間滯 后基本上可以忽略*開關(guān)的切換動作造成控制的不 連續(xù)性成為抖振最主要的一個原因。抖振問題會帶來卜分嚴(yán)璽的話果*它不僅影 響控制的精確性，而且會激發(fā)系統(tǒng)中建模時未考 慮的高頻部分°使系統(tǒng)的性能下隆甚至完全就壞。 它是滑模變結(jié)構(gòu)要解決的首娶問題勺關(guān)于它的解 決方法有大量的研究最具代表

12、性的研究有以下 幾節(jié)方面：(1 )趨近律方法 高為炳院士惻將趨近律的概 念用于消除抖振。在離切換面較遠(yuǎn)時用高斜率的趨 近律.讓運(yùn)動點(diǎn)向切換面的運(yùn)動速度快，當(dāng)接近切換 面時用低斜率的趨近律或零趨近律，讓運(yùn)動點(diǎn)的速度變慢或漸進(jìn)為零n該方醫(yī)可以有效減弱抖振，翟長 連、于雙和等人分別在該方法的基礎(chǔ)上作了改逬, 逬一步削屈了抖振。(2) 觀測器方法 普通滑?？刂棋?，為了消除外 加干擾利系統(tǒng)的不確定項(xiàng).淆餐相當(dāng)大的切換增益 而切換増益過大會刖起抖振劇烈n如果用觀測器來消 除干擾和不確疋項(xiàng)*可大大降低切換增益，有效地控 制了抖扳。用觀測莽消除外界擾和不確宦項(xiàng)已成為 一個減弱抖振冋題的研究重點(diǎn)口宋立忠也針對系

13、統(tǒng)的 不確宦部分許計(jì)了擾動預(yù)測器，對變化率為零或較慢 的擾動具有髙估計(jì)稱度，減關(guān)了抖振是該方法的一 個應(yīng)用(3) 模糊方迭 模糊滑模控制將控制信號柔化， 實(shí)現(xiàn)了信號連續(xù)化，可降低抖振現(xiàn)象.同時模糊控制還 具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的能力.可以實(shí)現(xiàn)滑模控制參數(shù)自 調(diào)整“張?zhí)炱降萊設(shè)計(jì)了一種基于模糊邏輯的連續(xù)滑模 控制方迭，使用連續(xù)的模糊邏輯切換代棒滑?？刂浦?的非連續(xù)切換，降低了抖振口(4) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對非線性部分、不 確定參數(shù)進(jìn)行在線辨識估計(jì)?？蓪?shí)現(xiàn)滑模變結(jié)構(gòu)的等 效控制并削弱了抖.EnugrulM提出了一種控制方 法.用兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別逼近等效滑模控制部分及切 換滑?？刂撇糠?，該方法最大的

14、優(yōu)點(diǎn)是不需要對象的 數(shù)學(xué)模型，并削弱了抖振,此方祛已成功的用干機(jī)器人 軌跡跟蹤.(5 )遺傳算法優(yōu)化方法遺傳算法是非常好的優(yōu) 化算法解決非線性問題時有很好的魯棒性和最優(yōu)性。 用遺傳算法對控制器參數(shù)或切換函數(shù)逬行優(yōu)化可以 很好的降低抖振o UnTJCIS|等設(shè)計(jì)了一種遺傳算法*對 滑模變結(jié)構(gòu)中自適應(yīng)增益項(xiàng)進(jìn)行了實(shí)時優(yōu)化，減小了 抖振°(6) EI.優(yōu)化設(shè)計(jì)方法EI.優(yōu)化方法是通過切換 面的設(shè)計(jì)，讓滑動模態(tài)的頻率響應(yīng)具有某種希望的形 狀抑制能引起抖振的頻率分雖口從而減弱抖振，近似 干對切換面進(jìn)行“濾波”。抖振問題迄今為止沒有一個統(tǒng)一消除的設(shè)計(jì)方 法*以上的方法都是針對各自遇到的情況提出的

15、方法, 有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn),使用時必須具體悄況具休分析選擇 Jt中一種合適的方法或者兩種方法相互結(jié)令使用。2 滑模面的設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)優(yōu)良的性能需通過合適的滑模面來| 維普資訊 | 維普資訊 足匚$閔2007第26卷第3期| 維普資訊 冥現(xiàn)?；Ｃ嬖O(shè)計(jì)有多種方注，但目前莊非線性系 統(tǒng)的滑橈面設(shè)計(jì)上仍然沒有比較有效的方法、如何 設(shè)計(jì)合適的滑模面產(chǎn)生穩(wěn)定的滑模動態(tài)是要研究 解決的重要方面。線性滑模面的設(shè)計(jì)有極點(diǎn)配置、二次報(bào)優(yōu)控制 等方法，井在工程上得到了廣泛應(yīng)用。非線性滑模面 設(shè)計(jì)有積分滑模面和超曲面滑模面竽設(shè)計(jì)方法口(1) 二次最優(yōu)控制滑模面設(shè)計(jì)二次疑優(yōu)控制 是設(shè)計(jì)一個滑模面，征滿足系統(tǒng)方程和約束條件

16、下 讓性能指標(biāo)最小。由丁性能指標(biāo)函數(shù)是二次函數(shù)+因 此叫二次最優(yōu)控制。優(yōu)點(diǎn)是能夠提供一套系統(tǒng)的方 法計(jì)算狀態(tài)反慣控制增益矩陣u DorlingCM"過此 方法得到了最優(yōu)滑模面口(2) 積分滑模面設(shè)計(jì) 積分滑模面設(shè)計(jì)可以保 證狀態(tài)量由初始時刻到最終時刻都具有魯棒性，并讓 不確定動態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定到漸近線11同時具有一定范圍 內(nèi)的抗擾動作用a Mun-Soo Kim等冋通過建立了一個 簡單的積分滑模面*實(shí)現(xiàn)了永施同步電機(jī)的啣模控 制魯棒性優(yōu)良。心)超曲面滑模面設(shè)計(jì) 普通的滑模面設(shè)計(jì)郁 是選擇一個線性滑模面.系統(tǒng)進(jìn)人滑動模態(tài)后,逞差 逐步收斂到平衡點(diǎn)。但無論如何調(diào)節(jié)"謀差無法在有 限時

17、間內(nèi)收斂到平衡點(diǎn)亠為了讓非線性系統(tǒng)狀態(tài)變 量有限時間內(nèi)收斂到滑動模態(tài)的平衡點(diǎn)，可以通過 設(shè)計(jì)一種動態(tài)非線性滑模面來憲現(xiàn)。YUX等"噌先 設(shè)計(jì)出一亍非線性滑模面臭龍十ftX+/3 X論加、 P是正奇數(shù)*嚇曲可以證明狀態(tài)變量會在有限時創(chuàng)內(nèi) 到達(dá)平衡點(diǎn)，該方法的缺點(diǎn)是龜數(shù)選擇十分悶難"M 宇等”鍛計(jì)了一個新的分段指數(shù)型滑模超曲面、系統(tǒng) 狀態(tài)變量能以更快的收斂速度在有限時間內(nèi)到達(dá)滑 模超曲面并最終收斂到平衡點(diǎn)。研究及應(yīng)用迄今為止*已有多個控制系統(tǒng)采用了滑模變結(jié) 構(gòu)控制策略.取得了良好的效果。這里列出部分典型 的應(yīng)用&1 電機(jī)的應(yīng)精這是滑模變結(jié)構(gòu)一直以來最主要的一個應(yīng)用 領(lǐng)域

18、，由于無論直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)都 存在嚴(yán)重的非線性十分適合滑模變結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。 吳志剛岡導(dǎo)用滑模變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控 制.用模型參考自適應(yīng)法建立了連度辨識"程仁洪等憶 用遺件算法對電機(jī)模型進(jìn)行了低階近似化*再用比例 滑?？刂撇呗詫﹄姍C(jī)進(jìn)行了控制"郭可忠等創(chuàng)對永磁 同步電動機(jī)矢量控制法采用了蚩輸入滑模控制。歐洪 平冏將滑模變結(jié)構(gòu)控制策略引人永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn) 矩控制中*來解按傳蜿永磁同步電機(jī)宜接轉(zhuǎn)矩控制中 存在的一些問題.以上應(yīng)用說明了滑?？刂圃陔姍C(jī)中 的重要應(yīng)用。2 開關(guān)變換器的應(yīng)用開關(guān)變換器是一個強(qiáng)非線性系統(tǒng)，滑模變結(jié)構(gòu)的 應(yīng)用可解決開關(guān)變換器不易穩(wěn)定、對擾

19、動抑制能力差竽 問題。伍詩真尊I噢出一種方案，根據(jù)開關(guān)工作周期'動 態(tài)地對滑模謀差進(jìn)行修正岸卜償了控制屋的大小，有利 于近似地保證系統(tǒng)沿著切換面運(yùn)動，并可以減少系統(tǒng)穩(wěn) 態(tài)謀差、達(dá)到削弱抖振的目的。3 機(jī)器人控制的應(yīng)馬機(jī)器人近年來成為滑模變結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用方面之 飛機(jī)器人是典型的韭線性系統(tǒng)，存在各種不可預(yù)見的 外部干擾有大量主丁此方面的研究° Kicola.A等岡通過 設(shè)計(jì)兩?；Ｃ?，實(shí)現(xiàn)了帶有彈性力臂的雙關(guān)節(jié)機(jī)器人 的研究。4 飛行器控制的應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制本身的優(yōu)良性能,適合飛行器的 運(yùn)動控制"髙為炳宙就航空航天飛行器、柔性空間飛行 器的控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)°近年

20、來，滑模變結(jié)構(gòu)在導(dǎo)彈制 導(dǎo)中發(fā)展神速'宋建梅倒等對變結(jié)構(gòu)控制理論在飛行 器制導(dǎo)與控制中的應(yīng)用研究作了簡單綜述側(cè)敢論述 了開關(guān)面的選擇.滑模制導(dǎo)律對于擾和參數(shù)攝動的捋 捧性口結(jié)束語滑摸變結(jié)構(gòu)控制方法對許多問題都能很好地僻 決 口適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制之 間有很強(qiáng)的互補(bǔ)性既可保持系統(tǒng)穩(wěn)定又可減弱抖 振”同時不失強(qiáng)魯棒性。多個控制方式結(jié)合已經(jīng)成為研 究的重要方向。滑模變結(jié)構(gòu)控制在理想開關(guān)面的選擇 及其;存注性和可達(dá)性r良好的動態(tài)品質(zhì)和能實(shí)現(xiàn)的快 連普近且抖振小的等效控制律方面仍需進(jìn)一步研究。 隨著滑模變結(jié)構(gòu)理論的不斷完善，研究和應(yīng)用前景十 分廣泛。夠| 維普資訊 | 維普資

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