第02章-滑模变结构控制基础

滑模变结构控制第2章滑模变结构控制基础第3章连续时间系统滑模变结构控制第4章离散时间系统滑模变结构控制第2章滑模变结构控制基础2.1滑模变结构控制简介2.2滑模变结构控制发展历史2.3滑模变结构控制基本原理2.4滑模变结构控制抖振问题2.5滑模变结构控制系统设计2.6滑模变结构控制应用2.1滑模变结构控制简介2.1.1变结构控制（VSC）概念本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制作用的不连续性。与其他控制策略的不同之处：系统的“结构”并不固定，而是在动态过程中，根据系统当前的状态有目的地不断变化。结构的变化若能启动“滑动模态”运动，称这样的控制为滑模控制。注意：不是所有的变结构控制都能滑模控制，而滑模控制是变结构控制中最主流的设计方法。所以，一般将变结构控制就称为滑模控制(SMC)，为了突出变结构这个特点，本书统称为滑模变结构控制。2.1.2滑动模态定义人为设定一经过平衡点的相轨迹，通过适当设计，系统状态点沿着此相轨迹渐近稳定到平衡点，或形象地称为滑向平衡点的一种运动，滑动模态的”滑动“二字即来源于此。2.1.3系统结构定义系统的一种模型，即由某一组数学方程描述的模型，称为系统的一种结构，系统有几种不同的结构，就是说它有几种(组)不同数学表达式表达的模型。2.1滑模变结构控制简介2.1.4滑模控制优点滑动模态可以设计且与对象参数和扰动无关，具有快速响应、对参数变化和扰动不灵敏（鲁棒性）、无须系统在线辨识、物理实现简单。2.1.5滑模控制缺点当状态轨迹到达滑动模态面后，难以严格沿着滑动模态面向平衡点滑动，而是在其两侧来回穿越地趋近平衡点，从而产生抖振——滑模控制实际应用中的主要障碍。2.1滑模变结构控制简介20世纪50年代：前苏联学者Utkin和Emelyanov提出了变结构控制的概念，研究对象：二阶线性系统。20世纪60年代：研究对象：高阶线性单输入单输出系统。主要讨论高阶线性系统在线性切换函数下控制受限与不受限及二次型切换函数的情况。1977年：Utkin发表一篇有关变结构控制方面的综述论文，系统提出变结构控制VSC和滑模控制SMC的方法。2.2滑模变结构控制发展历史此后各国学者开始研究多维滑模变结构控制系统，由规范空间扩展到了更一般的状态空间中。我国学者贡献：高为炳院士等首先提出趋近律的概念，首次提出了自由递阶的概念。滑模控制对系统的参数摄动和外部干扰的不变性是以控制量的高频抖振为代价。2.2滑模变结构控制发展历史2.3.1右端不连续微分方程一般地，具有右端不连续微分方程的系统可以描述为其中：是状态的函数，称为切换函数。满足可微分，即存在。微分方程的右端不连续，结构变化得到体现，即根据条件的正负改变结构（为一种系统结构，为另一种系统结构。从而满足一定的控制要求。2.3滑模变结构控制基本原理(,)fuxxnxu(,)(,),()0(,)(,)(,),()0fufusfxufufusxxxxxx12,,...,)()(nxxssxxxd()dstx()sx(,)fux(,)fux（2.3.1）(,)fux微分方程在上没有定义，因此需确定其上系统微分方程：独立变量变为n-1个，滑模面上方程较原方程阶数降低。我们称为不连续面、滑模面、切换面。它将状态空间分为两部分，如图2.3.1所示。2.3.1右端不连续微分方程()0sx()0sxABCs(x)0s(x)0s(x)=0图2.3.10(,)()=0fusxxx（2.3.2）在切换面上的运动点有3种情况。(1)常点——状态点处在切换面上附近时，从切换面上的这个点穿越切换面而过，切换面上这样的点就称做作常点，如图2.3.1中点A所示。(2)起点——状态点处在切换面上某点附近时，将从切换面的两边中的一边离开切换面上的这个点，切换面上这样的点就称做作起点，如图2.3.1中点B所示。(3)止点——状态点处在切换面上某点附近时，将从切换面的两边中的一边趋向该点，切换面上这样的点就称做作止点，如图2.3.1中点C所示。2.3.1右端不连续微分方程ABCs(x)0s(x)0s(x)=02.3.1右端不连续微分方程若切换面上某一区域内所有点都是止点，则一旦状态点趋近该区域，就会被“吸引”到该区域内运动。此时，称在切换面上所有的点都是止点的区域为“滑动模态”区域。系统在滑动模态区域中的运动就叫做“滑动模态运动”。按照滑动模态区域上的点都必须是止点这一要求，当状态点到达切换面附近时，必有：0000limlimssss（2.3.2）式（2.3.2）称为局部到达条件。2.3.1右端不连续微分方程对对局部到达条件扩展可得全局到达条件：相应地，构造李雅普诺夫型到达条件：满足上述到达条件，状态点将向切换面趋近，切换面为止点区。0ss2120VsV（2.3.3）（2.3.4）2.3.2滑模变结构控制的定义有一控制系统状态方程为需要确定切换函数求解控制作用滑模变结构控制三要素：(1)满足可达性条件，即在切换面以外的运动点都将在有限时间内到达切换面；(2)滑动模态存在性；(3)保证滑动模态运动的渐近稳定性并具有良好的动态品质。(,,)xfutxnxu()sxs(),()0(),()0ususxxxx（2.3.5）（2.3.6）（2.3.7）2.3.3二阶滑模变结构控制实例为了尽快使大家有关于滑模变结构控制系统的概貌，下面简述一个二阶系统例子。二阶系统用相平面方法进行研究，可以获得系统的全部的动力学特性。继电系统，以及更一般的分区线性化方法，实际上已蕴含着变结构控制的概念。特别有吸引力的是系统的结构可以有一个或两个本身是不稳定的，但通过适当切换，组成一个滑模变结构系统，可以赋予它良好的动态特性（第一章介绍的例子）。二阶系统的分区线性化相平面方法、继电系统的滑动运动等促成了滑模变结构控制理论的产生。2.3.3二阶滑模变结构控制实例设二阶系统的运动微分方程为2xyyyxuux其中：4,04,0xsxs0.5sxy,xy为状态变量由于控制作用的引入，系统从整体上看是一个非线性系统。4,04,0xxsuxxxs2.3.3二阶滑模变结构控制实例利用相平面知识和非线性系统分区线性化方法将系统相平面分成Ⅰ区：和Ⅱ区：。相应微分方程Ⅰ：Ⅱ：对于Ⅰ区：系统方程为：其特征根为，原点是不稳定焦点，相应的相图如图2.3.2所示,2425xyyyxxyx0xs0xs,2423xyyyxxyx250xxx1,212iⅠxy图2.3.22.3.3二阶滑模变结构控制实例对于Ⅱ区：系统方程可表示为：其特征根为，原点是不稳定焦点，相应的相图如图2.3.3所示230xxx1,21,3Ⅱxy图2.3.3将两个区域的相图叠加得到整个系统的相图，如图2.3.4所示。2.3.3二阶滑模变结构控制实例xyⅠⅡ图2.3.42.3.3二阶滑模变结构控制实例0.50sxy切换线为：不难看出切换线上的全部点都是止点，即是说，直线就是滑动模态区。当状态点到达切换线时，状态点将满足切换线方程：,带入可得滑动模态运动微分方程：0.50xyyx20xx其解为：0.50()etxtx表明：此处，滑动模态运动是按指数稳定。O()0sx0xA2.3.4滑模变结构控制的品质滑模变结构控制的整个控制过程由两部分组成：①正常运动段：位于切换面之外,如图2.3.5的段所示。②滑动模态运动段：位于切换面上的滑动模态区之内，如图2.3.5的段所示。0xAAO图2.3.5滑模变结构控制的品质取决于这两段运动的品质。由于尚不能一次性地改善整个运动过程品质，因而要求选择控制律使正常运动段的品质得到提高。选择切换函数使滑动模态运动段的品质改善。两段运动各自具有自己的高品质。选择控制律:使正常运动段的品质得到提高。选择切换函数:使滑动模态运动段的品质改善。此处，讨论正常运动段的品质问题（滑动模态运动段由其微分方程决定），要求趋近过程良好，可采用趋近律方法来保证品质。2.3.4滑模变结构控制的品质()ux()sx2.3.4滑模变结构控制的品质几种常见趋近律：（1）等速趋近律)sgn(ss（2）指数趋近律ksss)sgn(00,0k（3）幂次趋近律01)sgn(ssks（4）一般趋近律sgn()()ssfs0注：选取原则是保证系统状态点远离切换面时具有较快趋近速度，由于过大趋近速度会导致剧烈抖振，是以适当选择f(s)，使系统以适当速度趋近切换面。2.3.5滑模变结构控制的特点（1）是控制系统的一种综合方法。设计可变结构的反馈控制器u,使系统的运动引导或强迫到超面上，并选择这样的使滑模面上运动是渐近稳定的。（2）滑动模态运动具有完全自适应性。不受系统摄动和外界扰动的影响。滑模变结构控制系统的最突出的优点，成为它受到重视的最主要原因。（3）存在的问题—抖振。不可避免的惯性等原因使得系统在光滑滑动模态上叠加了一个自振，这是滑模变结构控制理论尚存在的一些问题中最突出的问题。()()xAxBxu()0sx()sx2.4滑模变结构控制抖振问题2.4.1抖振问题产生的原因（只能减轻，无法消除）1.时间滞后开关（控制作用对状态准确变化有滞后）2.空间滞后开关（状态空间中的状态量变化死区）3.系统惯性的影响4.离散时间系统本身造成的抖振2.4.2抖振问题的削弱方法1.准滑动模态方法（系统运动轨迹被限制在边界层）2.趋近律方法（保证动态品质、减弱控制信号抖振）3.观测器方法（补偿不确定项和外界干扰）4.动态滑模方法5.智能控制方法2.5滑模变结构控制系统设计包括两方面：(1)选择切换函数，或者说确定切换面；SISO系统线性切换函数（本书研究内容）：MIMO系统线性切换函数：其中，考虑有m个输入，。()0sx12121(),,,,1nnxxscccxxcx12()()()()msssxxsxCxxmnC2.5滑模变结构控制系统设计(2)求取控制律①采用到达条件，求得控制律的一个不等式，需要在满足此不等式的条件下选择合适的控制律。②采用趋近律方法，可直接求取等式型控制律。()uux0ss2.6滑模变结构控制的应用1.在电机中的应用2.在电力系统中的应用3.在机器人中的应用4.在航天器中的应用5.在伺服系统中的应用