滑模理论及其控制实例.ppt

滑模控制方法基本理论介绍 讲解:牛雪梅 2、设计思路 内容提要 1、滑模控制基本概念 3、设计实例 滑模控制(Sliding mode control, SMC)也称变结构控制，是前苏联学者Emelyanov于上世纪60年代提出的，经过Utkin等人的不断完善，于70年代已发展成为控制领域的一个相对独立的研究分支。滑模变结构控制本质上是一种特殊的非线性控制，其最大特点在于“结构”不固定，可以根据系统当前的状态不断切换控制量，使得系统状态到达滑动模态后沿着预先设定的滑模面运动到平衡点，且系统性能完全由滑模面决定，而与被控对象参数和扰动无关，该控制方法的大优点是能够克服系统的不确定性，对系统参数变化、外部干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性，在机器人、航空航天、电力系统、伺服系统等领域得到了广泛应用。 变结构控制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。 ， 基本概念 滑模控制在本质上是一种非线性控制方法，它的非线性表现在控制的不连续性上，基于滑模控制理论设计的控制器，其“结构”是不固定的，且在控制过程中将根据系统当前状态不断变化，以达到驱使系统按照预定的“滑动模态”状态轨迹运动的目的。 考虑一个一般的非线性系统： 若状态空间中存在一个超平面，即所谓的滑模面 将状态空间分成 和 两部分， 定义 s=0两侧的相轨线都引向切换线s=0。因此，状态轨线一旦到达此直线上，就沿着此直线收敛到原点，这种沿s=0滑动至原点的特殊运动称之为滑模运动。直线s=0称之为滑模面，相应的函数称之为切换函数。 在滑动模下，若系统系统的运动规律完全有滑模面函数决定。以二阶系统为例，其滑模面函数可设计为 ，其解为 。显然，此时方程的阶数比原系统低，而且仅与参数c有关，即不受系统参数变化或干扰的影响，故此时系统具有很强的鲁棒性。 图1 滑模控制示意图 滑模控制器的设计思想：设计一个控制器，将从任一点出发的状态轨线通过控制作用拉到滑模面上，然后沿着此滑模面滑动到原点。 根据所确定的滑模面函数 s(x)，设计如下形式控制律 其中 ，使得系统在任何初始点都能在有限时间内到达滑模面，并沿着预先设定的滑模面运动到平衡点。 该运动过程分为两个阶段：第一阶段为到达阶段或趋近阶段，该阶段完全位于滑模面之外，如图1的x0A段，其中x0点代表系统状态的任意初始位置，A点代表系统状态刚达到切换面的位置，第一阶段就是系统状态可从任意初始位置在有限时间内向切换面趋近的过程；第二阶段是位于切换面上的运动，称为滑动模态运动，或简称滑模运动，如图1中AO段。系统进入滑模运动阶段，才具有对系统参数变化、外部干扰和未建模动态的鲁棒性。 图1 滑模控制示意图 从定义中可以看出，设计变构控制的基本步骤，它包括两个相对部分，即寻求切换函数s(x)和寻求控制量 。 滑模控制的特性： 1）设计反馈u(x)，限定是变结构的，它能将系统的运动引导到一个超平面s(x)=0上。且系统在该滑模面上的运动是渐进稳定的。 2）滑动模相轨迹限制在维数低于原系统的子空间内，对离线分析和算法的在线实现都非常有利。 3）滑动模的原点与控制量的大小无关，仅由滑模面函数决定。 4）在一定条件下，滑动模对于干扰与参数的变化具有不变性，这正是鲁棒性控制要解决的问题。变结构系统的滑动模态具有完全自适应性。这成为变结构系统的最突出的优点。 5）什么条件下可以确保滑动模态运动的存在以及系统在进入滑动模态运动以后能具有良好的动态特性如渐近稳定等，是变结构控制理论所要研究的主要问题。 性质 滑模变结构控制三要素：存在性、可达性、稳定性 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 滑模存在条件是滑模控制应用的前提，如果系统的初始点不在滑模