《滑模变结构控制技术发展5100字》

滑模变结构控制技术发展综述目录TOC\o"1-2"\h\u22271滑模变结构控制技术发展综述 1213221.1滑模变结构控制简介 1327351.2滑模变结构控制发展史 212718①1957—1962年 225035②1962—1970年 231818③1970年以后 2312221.3滑模控制理论研究方向 4287741.3.1抖振产生的主要原因 4312071.3.2消除抖振的方法 595691.3.3局限性 8244911.4滑模变结构控制的优缺点 9318941.5重要意义 91.1滑模变结构控制简介在50年代末，前苏联Emelyanov等人最先提出滑模变结构的控制的理论，之后经Utkin等人进一步讨论研究从而使一类非线性控制系统的综合设计方法被完善，它属于变结构控制系统的控制策略的其中之一。通过不连续性的控制，即随时间不断变化的系统“结构”的开关特性是这种管理控制发展策略与常规进行控制的根本区别。该控制技术特性分析的特点是可以通过强迫管理系统在规定时间内沿规定的状态进行低幅度、高频率的上下运动，这种运动就叫“滑动模态”或者“滑模”运动。这是一种可以改变的滑模，系统参数和扰动都是与它毫无关系的。这样，较好的鲁棒性就被滑模的运动系统所拥有。滑模变结构控制系统是指存在这样一个(或几个)切换函数，当系统的状态可以够到切换函数的数值时，系统设计就可以其中一个结构被另外一个经济结构的系统所取代。1.2滑模变结构控制发展史滑模变结构控制系统在20世纪50年代被提出。历经几十年的发展，相对独立的分支已经形成，而且也产生了一种适用任何自动控制系统的设计方法。并且在实际进行的项目中循序渐进的发展从而被推广使用。举个例子，例如电机与电力管理系统的内部控制、机器人控制、飞机的控制、卫星姿态控制等。这种管理控制研究方法可以通过切换内部控制量，从而使系统工作状态沿着滑模面滑动。因此，滑模变结构在学术界和科技研究领域流行起来。变结构控制的发展过程大致可分为三个阶段∶1957—1962年这期间是属于研究的初级阶段。在20世纪50年代，变结构控制的概念由前苏联的学者Utkin和Emelyanov提出，二阶线性系统是当时基本的研究对象。1962—1970年20世纪60年代，高阶线性系统开始被学者进行研究。研究了在线性切换函数下，高阶线性系统的控制问题。1970年以后在线性空间中，线性系统的变结构控制被研究。主变结构进行控制对摄动及干扰技术具有不变性成为了主要研究的结论。1977年，一篇有关变结构方面的综述论文[10]由V.1.Utkin发表，溶模有关变结构控制VSC和滑模控制SMC的方法被提出。由此往后，变结构控制的研究兴趣成倍的增长，多维变结构系统以及多维滑模被各国学者开始研究。滑移模式控制被从工程学角度进行精准的分析和评价，而且连续系统抑制抖动的七种解决方案也被分析，离散系统三种情况的滑动模具设计被分析，为滑动模式控制在工程中的实际应用提供了使人受益匪浅的理论指导[11]。在变结构控制的研究中，滑动模态上主要存在着焦点问题。中国学者高为炳院士等首先提出了趋近律的概念[12]。变结构系统理论作为一种求解复杂非线性系统综合问题的综合方法，越来越受到人们的重视。然而，滑模变结构对系统参数摄动和外部摄动的不变性是通过被控量的高频抖振来交换的。在实际应用中，高频抖动在理论上是无限快并且没有执行器可以实现它。与此同时，该高频输入可以很容易地激发该系统的未建模特性，从而影响系统的控制性能。因此，抖振现象给变结构控制在系统中的应用带来了经济上的困难。由于变结构系统的滑模的不变性被人们认识并了解，这种理想的鲁棒性对于工程应用来说，非常的有吸引力。精密伺服系统具有许多不利于控制系统设计的因素，例如非线性因素，外部干扰和参数扰动。离散滑模变结构控制由于企业自身的缺点，很难直接应用于精密伺服系统的设计上，由控制技术输出的高频振动会损坏在伺服系统中的电机和其他相关设备[13]。为了将数据离散滑模变结构内部控制技术应用到伺服信息系统中，以真正发挥其强大的鲁棒性，有必要对传统的离散滑模变结构控制问题进行管理和改进，并找到解决方法。颤动现象提高了对离散滑模控制器的研究，在一定程度上减少了有害的颤动，从而确保了滑模控制的不变性。因此，改进传统的离散滑模变结构控制并减少颤振[14]已成为研究的重点。1.3滑模控制理论研究方向1.3.1抖振产生的主要原因（1）时差开关：在开关表面附近，由于开关的时差，对状态的控制功能的确切变化延迟一定时间：此外，由于控制量的振幅随着状态量的振幅而逐渐减小，因此它由衰减的三角波在光滑滑动模具上的叠加表示。（2）空间发展滞后开关∶切换磁滞与工作空间量变化的状态空间中的“盲区”是处于等效状态的。因此，结果是叠加在平滑的滑动表面上的恒定振幅波形。（3）影响系统惯性:由于该系统的控制力不能是无穷的，任何物理系统的能量不能是无穷的，正因为如此，所以系统的加速度被限制。另外，始终存在着系统的惯性。因此，控制切换与时间滞后是相互依存的关系。（4）离散控制系统设计本身发展造成的抖振∶离散信息系统的滑动模式是“准滑动模式”。它的转换技术动作能力并不是在不断转换的表面上发生的，而是在以原点为顶点的圆锥体表面上发生的。因此，存在减弱的颤动。圆锥的大小与抖振的大小是相辅相成的。与采样周期有关的变量是椎体的大小。简言之，振动的原因是当系统的轨迹到达切换表面时，其速度有限且较大，惯性导致移动点穿过切换表面，从而最终形成震动，叠加在理想的滑动模式上。对于实际的计算机采样系统来说，计算机的高速逻辑变换和高准确度的数值计算，时间和空间滞后与开关本身几乎不存在关联。因此，抖动的根本原因是引起开关的切换行为的控制不连续性。在实际的管理系统中，滞后的空间信息，滞后的工作时间，系统的惯性，测量误差，系统的时延等因素，高速滑动模式下的频率振动与变结构控制相互依存。抖振不仅影响控制，提高能源资源消耗的准确性，并通过系统的高频未建模研究动态，很容易破坏系统的性能，甚至造成系统的设计振动或不稳定性，并损坏控制器组件。因此，可变结构控制的主要工作已经变成了消除变结构控制信号的抖动的研究。1.3.2消除抖振的方法国内外对滑模控制的抗抖振研究很多，许多学者从不同角度提出了解决方案。截至目前为止，具有代表性的研究工作如下所示：1.动态滑模方法在滑模控制的传统方法中，切换函数通常仅被系统状态所决定，与控制输入量几乎毫无关系，不连续项会直接传输到控制器中发挥作用。动态滑模方法是将常规变结构控制中的切换函数，通过微分教学环节的建立，使得新的切换函数σ被构建，此切换函数和系统内部控制信息输入的一阶甚至更高阶导数的研究息息相关，可以将作用不大的连续项向控制的一阶或更高阶导数中转移，从而使在时间上基础的连续的动态滑模控制率被获取。这使抖振有效的被减少。G.Bartolini等通过设计开关函数的二次导数，具有无模型动力学和不确定性的机械系统的无抖振滑模控制被实现，从而将该方法扩展到了多输入系统。动态滑动模式控制器被用来获得一个基本上连续的动态变结构控制，从而有效地消除抖振。该系统已成功地在仓库摩擦机械系统和机器人手臂控制系统中被应用。M.Hamerlain等使动态滑模控制被用于在机器人臂上，从而使抖振有效的被消除。晁红敏等采用动态滑模控制用于实现移动机器人的跟踪控制，从而使抖振现象明显的被消除。1.模糊方法一种是根据工作经验，以降低抖振来设计进行模糊数学逻辑结构规则，或采用基于模糊理论逻辑可以实现滑模控制技术参数的自调整，可有效地通过降低滑模控制的抖振;另一种是利用信息模糊管理系统的通用逼近特性来逼近外部环境的干扰和不确定性，并补偿或逼近滑模控制器的开关部分，即与控制不连续有关的信号处理成连续的，可以减少或避免滑模控制的抖动现象。在传统的模糊滑模控制中，控制目标中的滑模函数被跟踪误差所转化。对于模糊控制器来说，输入不是ⅇ,ⅇ，而是s,s，将滑模表面归零的做法是使模糊规则被设计。B.Yoo等。使用模糊系统从而使未知函数被近似。KYZhuang等人使用的信息模糊综合控制，分析上线估计和核算系统的不确定项，实现快速切换增益的模糊自我调整。在确保滑模达到可满足的条件的情况下，尽量减少开关增益，以减少抖振。与滑模控制有关的抖动指标被S.H.Ryu等建立，目的是为了减少抖动设计的模糊规则。当前振动指数的大小属于模糊规则的输入，而边界层厚度的变化属于模糊规则的输出。利用模糊推理，使得边界层厚度的自适应调整被形成。一种基于模糊逻辑的连续滑模控制方法被张天平等人提出，该方法避免抖动的原理是在滑模控制中采用连续模糊逻辑切换而不是不连续切换。一种基于模糊自学习的滑模变结构控制方法被孙宜标等人提出，控制器输出为u=u3.神经网络方法正因为神经网络具有一般逼近特性，所以我们可以很好地利用它。它可以使外部干扰和不确定性被逼近和补偿，或者使滑模控制器的开关部分被逼近，从而使控制信号由不连续变成连续，从而使滑模控制的颤振现象有效的被减少。H.森冈等人使用神经网络使线性系统非线性部分，不确定部分和未知外部扰动的在线估计被实现，并基于神经网络使得等效控制被实现，从而使抖振有效的被消除。开发新的神经网络滑模控制的一种研究方法被M.Ertugrul等人提出，此方法建议使用以下两个不同的神经网络来实现等效滑模控制管理部分并在不使用对象模型的情况下有效地切换滑模控制的现有部分消除除了通过控制器颤动，这种方法已被成功地应用到工业机器人的轨迹跟踪。S.J.Huang等正因为了解神经网络的逼近能力，所以利用它，使切换函数s被用作网络的输入端，基于RBF神经网络上的滑动模式控制器被设计，所述控制器被完全连续的RBF功能所实现，切换项被取消，并且抖动也被消除。达飞鹏等人使滑动模式控制器被分为两个部分，分别是是神经网络滑模控制器和线性反馈控制器，其采用了模糊神经网络的输出，从而使替换滑模控制中的符号函数被替换，以确保控制律的连续性。从而使抖振被清除的一干二净。1.3.3局限性（1）对于不同的问题，采用不同的方法是解决问题的核心。例如，在不确定性和水干扰的状态，趋近律方法将具有良好的抖振抑制效果，但是当不确定性或干扰比较大时，则需要更改其他的方法。（2）对于相同的问题，使用不同的方法是解决问题最好的建议。例如，对于外部扰动引起的抖振，可以采用干动态滑模方法消除抖振，也可以采用可变开关增益方法减小抖振。（3）局限性存在于每一种方法之中。针对复杂的控制管理的问题，有必要结合起来需要用到的方法，并使需要用到的方法互相配合，真正达到理想的无抖振滑模控制。例如，模糊或神经网络方法可以使摩擦被补偿，干扰观察器方法可以使由干扰引起的颤动被消除，滤波方法可以使未建模的动态能量颤动被消除，而准滑动模式方法可以进一步使抖振被减少。又如，通过遗传算法，优化完的模糊控制规则或设计完成的神经网络可以使消除抖动的最佳效果被展现。1.4滑模变结构控制的优缺点能够解决系统的不确定性是滑模控制的最主要的优点,对于干扰和未建模动态来说，具有很强的鲁棒性。滑模变结构方法被有些学者应用于空间机器人控制上。一类非线性系统的模糊滑模变结构控制方法被研究，滑模控制器和PI控制器的组合模糊逻辑控制器被设计，从而使各控制器的优点被有效的发挥出来。也使基于有限时间机理的快速滑模控制方法被提出，并给出了与普通滑模控制性能的比较，从而使得非奇异滑模控制方法也被提了出来，并使分等级控制结构以简化控制器设计被提出。尤其良好的控制效果在对非线性系统的控制上得到了极好的体现。变结构控制系统在机器人控制领域得到了广泛的应用的原因是算法很简单，响应速度快，对外界噪声干扰和参数摄动具有鲁棒性。滑模变结构方法被有些学者应用于空间机器人控制上。上述这些方法在实际系统中虽然已经得到了很好的应用，但无论是自适应滑模控制还是模糊神经网络控制，均使得系统复杂性与物理实现难度被增加。显然，我们需要寻找具有良好效能并易于实现的控制。产生抖振的原因是当状态轨迹到达滑动模态面后，沿着滑动模态面向平衡点滑动难以很精确的被实现，在两侧来回往返地靠近平衡点。这是滑模控制的缺点。1.5重要意义近些年来，滑模变结构方法受到越来越多的重视的原因是具有许多的优良特性[15]