低速摩擦伺服系统的滑模变结构控制研究
动力系统控制中的滑模变结构控制技术研究
动力系统控制中的滑模变结构控制技术研究随着现代科学技术和信息化水平的快速发展，控制理论和应用领域也得到快速发展和应用。
特别是在工业生产过程中，精确控制是保证产品质量的关键之一。
动力系统控制作为现代控制理论中的重要组成部分，在控制领域中扮演着至关重要的角色。
针对传统控制系统只能应对单一工况状态的不足，越来越多的研究致力于动力系统控制中滑模变结构控制技术的开发和应用。
一、滑模控制技术滑模控制技术是一种非线性控制方法，与传统控制方法不同，它不依赖于模型，而是基于控制误差和系统状态的实时监测来进行控制。
在滑模控制中，通过引入“滑模面”，将系统状态沿着滑模面滑动，使系统状态达到滑动稳定状态。
一般而言，滑模面的特征可以根据系统的特点进行选择。
滑模控制技术具有简单易实现、精度高、适应性强、应对系统非线性和不确定性的能力强等特点，因此在工业控制中得到了广泛的应用。
而滑模变结构控制技术则是基于滑模控制的基础之上进一步发展的一种方法，相较于滑模控制技术，其在实际应用中更加灵活。
二、滑模变结构控制技术滑模变结构控制技术是一种基于滑模理论和变结构控制理论相结合的一种控制方法。
其基本思想是在系统发生变化时，可以通过变换系统结构来适应变化，使得系统总体稳定性更加可靠。
通常情况下，滑模变结构控制技术可分为两个部分：一部分是针对不确定性或非线性的系统设计的滑模控制器，另一部分是针对外部扰动或变化的系统设计的变结构控制器。
滑模变结构控制技术具有非常好的鲁棒性，能在系统存在参数变化和不确定性时自适应调节；同时也能很好的解决系统存在外部扰动和干扰的情况，使得系统对于这些干扰具有非常良好的抗扰能力。
三、滑模变结构控制技术的优势滑模变结构控制技术能够有效的控制系统的动态性能，满足现代工业生产和高科技领域对精度、快速性和可靠性等指标的要求，具有以下优势：1.鲁棒性强：滑模变结构控制技术不受系统不确定性和非线性因素的限制，对于复杂非线性系统，也能够起到很好的控制作用。
滑模变结构控制研究综述
滑模变结构控制研究综述滑模变结构控制作为一种非线性控制，与常规控制的根本区别在于控制的不连续性。
它利用一种特殊的滑模控制方式，强迫系统的状态变量沿着人为规定的相轨迹滑到期望点。
由于给定的相轨迹与控制对象参数以及外部干扰变化无关，因而在滑模面上运动时系统具有比鲁棒性更加优越的不变性。
加之滑模变结构控制算法简单，易于工程实现，从而为复杂工业控制问题提供了一种较好的解决途径。
本文首先介绍了变结构理论，并着重描述了滑模面设计、滑模条件、抖动问题、离散变结构、状态观测等方面的原理和方法，然后介绍了其主要应用情况，最后对本研究工作的发展方向进行了展望。
1 变结构控制理论变结构控制是前苏联学者Emelyanov、Utkin和Itkin在二十世纪六十年代初提出的一种设计方法[1、2、3]。
当初研究的主要是二阶和单输入高阶系统，并用相平面法来分析系统特性。
进入二十世纪七十年代，则开始研究状态空间线性系统，使得变结构控制系统设计思想得到了不断丰富，也提出了多种变结构设计方法。
但这其中只有带滑动模态的变结构控制被认为是最有发展前途的。
所谓滑动模态是指系统的状态被限制在某一子流形上运动。
一般来说，系统的初始状态未必在该子流上，而变结构控制器的作用就在于把系统的状态在有限时间内驱动到并维持在该子流形上。
这一过程称为到达过程。
这里变结构控制体现在非线性控制，使得以下设计目标得以满足：（1）滑动模态存在（2）满足到达条件：在切换面0S i以外的相轨迹将于有限时间内到x)(达切换面（3）滑模运动渐近稳态并具有良好的动态品质而以上三个设计目标可归纳为下面两个设计问题：选择滑模面和求取控制律。
下面我们针对几个问题叙述变结构控制系统的发展情况。
1.1 滑模面设计变结构控制通常要求具有理想的滑动模态，良好的动态品质和较高的鲁棒性，这些性能要通过适当的滑模面来实现。
线性滑模面的设计有极点配置、几何、最优控制等多种方法，文献[4]中列举了较常见的。
永磁同步电机伺服系统的滑膜变结构控制研究
➢法国学者Laghrouche S,
Plestan F, Glumineau A, et al.[7]等设计了一个二阶 SMC调节器控制 PMSM调 速系统。
➢I.俄Ut罗ki斯n.学[9]者提V出ad了im滑模变结
构控制器在交流传动系统中 的设计方法和原则，详细分 析降阶、参数扰动的不敏感 性以及功率变换器实现方法。
建模并进行仿真
3
分析，撰写硕士
论文初稿
4
2014.1-2014.3 总结并完成硕士
论文的撰写
进度安排及参考文献
参考文献
[1]唐任远等.现代永磁电机[M].机械工业出版社.1997. [2]郭庆鼎等.交流伺服系统[M].机械工业出版社.1994. [3]王丰尧.滑模变结构控制[M].机械工业出版社.1998. [4]陈志梅.滑膜变结构控制理论及应用[M].电子工业出版社.2012. [5]高为炳.变结构控制理论基础[M].中国科学技术出版社.1990. [6]In Cheol Baik, Kyeong Hwa Kim. Robust nonlinear speed control of PM
课题的国内、外研究现状
拟选课题在该领域目前存在的问题
（1）永磁同步电机滑模设计主要来解决运动点到达滑模 状态后的收敛速度，即动态快速性问题。 （2）抖振问题是阻碍滑模变结构控制在永磁同步电机交
访谈结果流与伺析服系统中应用的突出障碍，解决抖振问题实际上是
解决系统稳态的稳定性和精度问题。
课题拟研究内容
[11]童克文,张兴,等.基于新型趋近律的永磁同步电动机滑模变结构控制[J]. 中国电机工程学报,2008,28(21):102-106.
[12]葛宝明,郑琼林,蒋静坪,等.基于离散时间趋近率控制与内模控制的永 磁同步电动机传动系统[J].中国电机工程学报,2004,24(11):106-111.
滑模控制和滑膜变结构控制
滑模控制和滑膜变结构控制1. 引言滑模控制和滑膜变结构控制是现代控制理论中重要的控制策略，广泛应用于各个领域的控制系统中。
滑模控制通过引入一个滑模面来实现系统的稳定性和鲁棒性；滑膜变结构控制通过在线调整系统的结构以适应不确定性和外部扰动。
2. 滑模控制滑模控制最早由俄罗斯科学家阿莫斯特芬于1968年提出，并在1974年得到了进一步的发展。
滑模控制通过引入一个滑模面，将系统状态从非线性区域滑到线性区域，从而实现系统的稳定性和鲁棒性。
2.1 滑模面滑模面是滑模控制的核心概念之一，它通常由一个超平面表示，可以用数学方程描述为：s=Sx其中，s为滑模面，S为一个可逆矩阵，x为系统的状态变量。
2.2 滑模控制律滑模控制律用于调节系统状态，以使系统状态滑到滑模面上。
滑模控制律的一般形式可以表示为：u=−S−1B Tλ(s)其中，u为控制输入，B为输入矩阵，λ(s)为滑模曲线。
2.3 滑模控制的优点滑模控制具有以下几个优点：•鲁棒性强：滑模控制能够在面对参数扰动和外部干扰时保持系统的稳定性。
•快速响应：由于滑模面能够将系统状态快速滑到线性区域，使得系统具有快速响应的特性。
•无需精确模型：滑模控制不需要系统的精确模型，因此对于复杂系统的控制较为便捷。
3. 滑膜变结构控制滑膜变结构控制（SMC）由美国科学家丹尼尔·尤斯托曼在20世纪90年代末提出，是一种基于滑模控制的新型控制策略。
滑膜变结构控制通过在线调整系统的结构以适应不确定性和外部扰动，从而提高系统的鲁棒性和性能。
3.1 滑膜设计滑膜变结构控制的关键是设计一个合适的滑膜来响应系统的不确定性和扰动。
滑膜通常由一个或多个滑模面组成，通过在线调整滑膜的参数，可以适应不同的工作条件和控制要求。
3.2 滑膜变结构控制律滑膜变结构控制律的一般形式可以表示为：u=−K(θ)s−δ(θ)sign(s)其中，u为控制输入，K(θ)和δ(θ)分别为滑膜参数和输出增益，θ为参数向量，s为滑模曲线。
含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究
含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究摘要：本文旨在分析含摩擦环节的伺服系统，并探讨相应的控制补偿方法。
首先，介绍了伺服系统的基本原理和组成结构。
随后，以含摩擦环节的伺服系统为研究对象，分析摩擦环节对系统的影响。
并针对摩擦带来的不稳定性问题，提出相应的控制补偿方法。
最后通过仿真实验验证了控制方法的可行性和有效性。
关键词：伺服系统；摩擦环节；控制补偿；稳定性；摩擦模型1. 引言伺服系统作为一种重要的控制系统，广泛应用于机械、电子和自动化等领域。
伺服系统的目标是根据输入信号精确控制输出信号，使得输出信号能够准确追踪输入信号的变化。
然而，在实际应用中，伺服系统往往会受到各种干扰因素的影响，其中包括摩擦力。
摩擦是阻碍物体相对运动的力，存在于伺服系统的传动环节中，如轴承、滑动副等。
摩擦力的存在会对伺服系统的性能产生显著的影响，例如导致系统的不稳定、迟滞和非线性等问题。
因此，对于含摩擦环节的伺服系统，深入分析其影响因素，并采取相应的控制补偿措施，对于提高伺服系统的性能和稳定性至关重要。
2. 伺服系统的基本原理和组成结构伺服系统由输入端、控制器、执行机构和反馈元件组成。
输入端接收输入信号，经控制器的处理后，通过执行机构产生相应的输出信号。
反馈元件将输出信号与输入信号进行比较，并将比较结果反馈给控制器，用于调整控制器的输出。
3. 含摩擦环节的伺服系统的分析含摩擦环节的伺服系统具有一定的非线性特性，主要表现为摩擦力随速度和方向的变化而变化。
根据摩擦力的特点，一般将其分为静摩擦力和动摩擦力。
静摩擦力是指物体在静止状态下受到的摩擦力，其大小与施加在物体上的压力成正比。
动摩擦力是指物体在运动状态下受到的摩擦力，其大小和方向与物体的速度和运动方向相关。
由于摩擦力的存在，伺服系统会产生迟滞现象和不稳定性，严重影响系统的动态响应和精度。
4. 摩擦力的建模与分析为了更好地理解和控制含摩擦环节的伺服系统，需要准确建立摩擦力的数学模型。
转台伺服摩擦系统模糊滑模控制仿真
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Ｍａ ｈｉ ｅ ｙ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｎ ｒ ｓｇ
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Ｍａ ｕ ａ ｔ ｅ ｎ ｆ ｃｕｒ
第 ３期 ２１ ０ ２年 ３月
文章 编号：０ １３ ９ （０ ２ ０ — １４ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）３ ０ ７ — ３
转 台伺服摩擦 系统模糊滑模控制仿真 术
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张 虎 忽海娜 王 武 （ 昌学 院 许 昌 ，４ １ ０ ） 许 ６ ０ ０ Ｓｉ ｕａ ｉ ｆ ｕ ｚ ｌ ｉ ｇ ｍｏ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｏ ｅｒｏ ｔ ｒ ｔ ｂｅ ｆｉｔ ｎ ｓ ｓｅ ｍ ｌｔ ｏ ｚ ｙ ｓｉ ｎ ｄ ｏ ｔｏ ｒ ｖ ｕ ｎ ａ ｌ ｒ ｉ ｙ ｔ ｍ ｏｎ ｆ ｄ ｆ ｓ ｃｏ
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滑模变结构控制方法
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。同时，在1992年详细讨论了滑模技术。
正常运动段：位于切换面之外, 如图的 段所示。
滑模变结构控制的整个控制过程由两部分组成：
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。
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。 海洋运载器方面的应用： Yoerger and Slotine (1985), Slotine and Li(1991), Healey and Lienard (1993) and Mc Gookin et al. (2000a, 2000b）
定义1：系统结构 系统的一种结构为系统的一种模型，即由某一组数学方程描述的模型。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。 定义2 ：滑动模态 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。
滑模变结构控制对象研究
ｏｊｃ ｏ￣ Ｈ ｄｂ ｅＳ Ｃ， ｎ ｎ ｌ ｅｂ ｓ ａ ａ ｔ ｉｔ ｆ ＭＣｉ ｐｅｅ ｔ ． ｂｅｔ ｃｎ ｏ ｅ ｙｔ Ｍ ａ ｄｆ ａ ｙｔ ｅｔ ｄ ｐ ｂｌｙｏ Ｓ ｒｓｎｅ ｓ ｈ ｉ ｌｈ ａ ｉ ｒ ｓ ｄ Ｋｅ ｏ ｄ ：ｓｄｎ ｏ ｅ ｓ ｄ ｇｍ ｄ ａｉ ｌ ｓ ｕｔｒ ； ｏ ｔ ｌ ｄｏｊｃ ｓ ｄ ｙｗ ｒ ｓ ｌ ｉｇｍ ｄ ； ｌ ｉ ｏ ｅｖ ａ ｅ ｔ ｃ ｅ ｃｎｒ ｌ ｂ ｔ ｔ ｙ ｉ ｉｎ ｒ ｂ ｒ ｕ ｏｅ ｅ ｕ
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交会 、 远程 自主水下航 行器 、 机器人 、 导弹 、 船姿态 飞
的跟踪 控制 、 天 器具 有 的柔 性 附件 （ 括太 阳帆 航 包 板 、 线等 ） 天 的振动抑 制 、 文望 远镜 的伺 服 驱 动系 天 统 、 压系统 的控制 、 空 发动 机 控制 系 统 、 车 防 液 航 汽
０ 引言
滑模变结 构 控 制 （ 称 Ｓ Ｃ） 变结 构 控 制 方 简 Ｍ 是 法 中的一种控 制策 略 ， 种控 制 策 略与 常 规控 制 的 这 根本 区别在 于控制 的不连 续 性 ， 即呈 现 出一种 使 系 统 “ 构 ” 时 变化 的开关 特性 。该 控 制 特 性 可 以 结 随
２ 控制对象概述
对于传递函数 ：
控机床、 泵机、 采掘运输机械等控制领域 ， 在模型跟 踪 系统 、 自适应 系统 、 确定 系统 等 复杂系统 中的应 不 用具有 良好效果 。更具体地讲 ， 可进行高精度伺服 系统、 电液伺服系统 、 坦克伺服 系统等 的控制、 导弹 寻的制导和 目 标拦截的应用 、 着陆小天体的导航、 制 导和控制问题 、 飞行器的轨道机动、 姿态控制和附着
滑模变结构控制理论及其算法研究与进展_刘金琨
第24卷第3期2007年6月控制理论与应用Control Theory&ApplicationsV ol.24No.3Jun.2007滑模变结构控制理论及其算法研究与进展刘金琨1,孙富春2(1.北京航空航天大学自动化与电气工程学院,北京100083;2.清华大学智能技术与系统国家重点实验室,北京100084)摘要:针对近年来滑模变结构控制的发展状况,将滑模变结构控制分为18个研究方向,即滑模控制的消除抖振问题、准滑动模态控制、基于趋近律的滑模控制、离散系统滑模控制、自适应滑模控制、非匹配不确定性系统滑模控制、时滞系统滑模控制、非线性系统滑模控制、Terminal滑模控制、全鲁棒滑模控制、滑模观测器、神经网络滑模控制、模糊滑模控制、动态滑模控制、积分滑模控制和随机系统的滑模控制等.对每个方向的研究状况进行了分析和说明.最后对滑模控制的未来发展作了几点展望.关键词:滑模控制;鲁棒控制;抖振中图分类号:TP273文献标识码:AResearch and development on theory and algorithms ofsliding mode controlLIU Jin-kun1,SUN Fu-chun2(1.School of Automation Science&Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing100083,China;2.State Key Laboratory of Intelligent Technology and Systems,Tsinghua University,Beijing100084,China)Abstract:According to the development of sliding mode control(SMC)in recent years,the SMC domain is character-ized by eighteen directions.These directions are chattering free of SMC,quasi SMC,trending law SMC,discrete SMC, adaptive SMC,SMC for mismatched uncertain systems,SMC for nonlinear systems,time-delay SMC,terminal SMC, global robust SMC,sliding mode observer,neural SMC,fuzzy SMC,dynamic SMC,integral SMC and SMC for stochastic systems,etc.The evolution of each direction is introduced and analyzed.Finally,further research directions are discussed in detail.Key words:sliding mode control;robust control;chattering文章编号：1000−8152(2007)03−0407−121引言(Introduction)滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性,这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是可以在动态过程中根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动.由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识,物理实现简单等优点.该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后,难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动,而是在滑模面两侧来回穿越,从而产生颤动.滑模变结构控制出现于20世纪50年代,经历了50余年的发展,已形成了一个相对独立的研究分支,成为自动控制系统的一种一般的设计方法.以滑模为基础的变结构控制系统理论经历了3个发展阶段.第1阶段为以误差及其导数为状态变量研究单输入单输出线性对象的变结构控制;20世纪60年代末开始了变结构控制理论研究的第2阶段,研究的对象扩大到多输入多输出系统和非线性系统;进入80年代以来,随着计算机、大功率电子切换器件、机器人及电机等技术的迅速发展,变结构控制的理论和应用研究开始进入了一个新的阶段,所研究的对象已涉及到离散系统、分布参数系统、滞后系统、非线性大系统及非完整力学系统等众多复杂系统,同时,自适应控制、神经网络、模糊控制及遗传算法等先进方法也被应用于滑模变结构控制系统的设计中.2滑模变结构控制理论研究进展(Develop-ment for SMC)2.1消除滑模变结构控制抖振的方法研究(Research on chattering elimination of SMC) 2.1.1滑模变结构控制的抖振问题(Problems ofSMC chattering)从理论角度,在一定意义上,由于滑动模态可以收稿日期:2005−10−19;收修改稿日期:2006−02−23.基金项目:国家自然科学基金资助项目(60474025,90405017).408控制理论与应用第24卷按需要设计,而且系统的滑模运动与控制对象的参数变化和系统的外干扰无关,因此滑模变结构控制系统的鲁棒性要比一般常规的连续系统强.然而,滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性将会引起系统的抖振.对于一个理想的滑模变结构控制系统,假设“结构”切换的过程具有理想开关特性(即无时间和空间滞后),系统状态测量精确无误,控制量不受限制,则滑动模态总是降维的光滑运动而且渐近稳定于原点,不会出现抖振.但是对于一个现实的滑模变结构控制系统,这些假设是不可能完全成立的.特别是对于离散系统的滑模变结构控制系统,都将会在光滑的滑动模态上叠加一个锯齿形的轨迹.于是,在实际上,抖振是必定存在的,而且消除了抖振也就消除了变结构控制的抗摄动和抗扰动的能力,因此,消除抖振是不可能的,只能在一定程度上削弱它到一定的范围.抖振问题成为变结构控制在实际系统中应用的突出障碍.抖振产生的主要原因有:①时间滞后开关:在切换面附近,由于开关的时间滞后,控制作用对状态的准确变化被延迟一定的时间;又因为控制量的幅度是随着状态量的幅度逐渐减少的,所以表现为在光滑的滑动模台上叠加一个衰减的三角波.②空间滞后开关:开关滞后相当于在状态空间中存在一个状态量变化的“死区”.因此,其结果是在光滑的滑模面上叠加了一个等幅波形.③系统惯性的影响:由于任何物理系统的能量不可能是无限大,因而系统的控制力不能无限大,这就使系统的加速度有限;另外,系统惯性总是存在的,所以使得控制切换伴有滞后,这种滞后与时间滞后效果相同.④离散系统本身造成的抖振：离散系统的滑动模态是一种“准滑动模态”,它的切换动作不是正好发生在切换面上,而是发生在以原点为顶点的一个锥形体的表面上.因此有衰减的抖振,而且锥形体越大,则抖振幅度越大.该锥形体的大小与采样周期有关.总之,抖振产生的原因在于:当系统的轨迹到达切换面时,其速度是有限大,惯性使运动点穿越切换面,从而最终形成抖振,叠加在理想的滑动模态上.对于实际的计算机采样系统而言,计算机的高速逻辑转换以及高精度的数值运算使得切换开关本身的时间及空间滞后影响几乎不存在,因此,开关的切换动作所造成控制的不连续性是抖振发生的本质原因.在实际系统中,由于时间滞后开关、空间滞后开关、系统惯性、系统延迟及测量误差等因素,使变结构控制在滑动模态下伴随着高频振动,抖振不仅影响控制的精确性、增加能量消耗,而且系统中的高频未建模动态很容易被激发起来,破坏系统的性能,甚至使系统产生振荡或失稳,损坏控制器部件.因此,关于控制信号抖振消除的研究成为变结构控制研究的首要工作.2.1.2消除滑模变结构控制抖振的几种方法(Several methods for eliminating chatteringin SMC)国内外针对滑模控制抗抖振问题的研究很多,许多学者都从不同的角度提出了解决方法.目前这些方法主要有:1)滤波方法.通过采用滤波器,对控制信号进行平滑滤波,是消除抖振的有效方法.文[1]为了消除离散滑模控制的抖振,设计了两种滤波器:前滤波器和后滤波器,其中前滤波器用于控制信号的平滑及缩小饱和函数的边界层厚度,后滤波器用于消除对象输出的噪声干扰.文[2]在边界层内,对切换函数采用了低通滤波器,得到平滑的信号,并采用了内模原理,设计了一种新型的带有积分和变边界层厚度的饱和函数,有效地降低了抖振.文[3]利用机器人的物理特性,通过在控制器输出端加入低通滤波器,设计了虚拟滑模控制器,实现了机器人全鲁棒变结构控制,并保证了系统的稳定,有效地消除了抖振.文[4]设计了带有滤波器的变结构控制器,有效地消除了控制信号的抖振,得到了抑制高频噪声的非线性控制器,实现了存在非建模动态的电液伺服马达的定位控制.文[5]为了克服未建模动态特性造成的滑动模态抖振,设计了一种新型滑模控制器,该控制器输出通过一个二阶滤波器,实现控制器输出信号的平滑,其中辅助滑动模面的系数通过滑模观测器得到.文[6]提出了一种新型控制律,即,该控制律由3部分构成,即等效控制、切换控制和连续控制,在控制律中采用了两个低通滤波器,其中通过一个低通滤波器得到切换项的增益,通过另一个低通滤波器得到等效控制项,并进行了收敛性和稳定性分析,有效地抑制了抖振,实现了多关节机器手的高性能控制.2)消除干扰和不确定性的方法.在常规滑模控制中,往往需要很大的切换增益来消除外加干扰及不确定项,因此,外界干扰及不确定项是滑模控制中抖振的主要来源.利用观测器来消除外界干扰及不确定性成为解决抖振问题研究的重点.文[7]为了将常规滑模控制方法应用于带有较强强外加干扰的伺服系统中,设计了一种新型干第3期刘金琨等:滑模变结构控制理论及其算法研究与进展409扰观测器,通过对外加干扰的前馈补偿,大大地降低了滑模控制器中切换项的增益,有效地消除了抖振.文[8]在滑模控制中设计了一种基于二元控制理论的干扰观测器,将观测到的干扰进行前馈补偿,减小了抖振.文[9]提出了一种基于误差预测的滑模控制方法,在该方法中设计了一种观测器和滤波器,通过观测器消除了未建模动态的影响,采用均值滤波器实现了控制输入信号的平滑,有效地消除了未建模动态造成的抖振.文[10]设计了一种离散的滑模观测器,实现了对控制输入端干扰的观测,从而实现对干扰的有效补偿,相对地减小了切换增益.3)遗传算法优化方法.遗传算法是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自适应概率性搜索算法,在解决非线性问题时表现出很好的鲁棒性、全局最优性、可并行性和高效率,具有很高的优化性能.文[11]针对非线性系统设计了一种软切换模糊滑模控制器,采用遗传算法对该控制器增益参数及模糊规则进行离线优化,有效地减小了控制增益,从而消除了抖振.针对不确定性伺服系统设计了一种积分自适应滑模控制器,通过该控制器中的自适应增益项来消除不确定性及外加干扰,如果增益项为常数,则会造成抖振,为此,文[12]设计了一种实时遗传算法,实现了滑模变结构控制器中自适应增益项的在线自适应优化,有效地减小了抖振.文[13]采用遗传算法进行切换函数的优化,将抖振的大小作为优化适应度函数的重要指标,构造一个抖振最小的切换函数.4)降低切换增益方法.由于抖振主要是由于控制器的不连续切换项造成,因此,减小切换项的增益,便可有效地消除抖振.文[14]根据滑模控制的Lypunov稳定性要求,设计了时变的切换增益,减小了抖振.文[15]对切换项进行了变换,通过设计一个自适应积分项来代替切换项,实现了切换项增益的自适应调整,有效地减小了切换项的增益.文[16]针对一类带有未建模动态系统的控制问题,提出了一种鲁棒低增益变结构模型参考自适应控制新方法,使系统在含未建模动态时所有辅助误差均可在有限时间内收敛为零,并保证在所有情况下均为低增益控制.文[17]提出了采用模糊神经网络的切换增益自适应调节算法,当跟踪误差接近于零时,切换增益接近于零,大大降低了抖振.5)扇形区域法.文[18]针对不确定非线性系统,设计了包含两个滑动模面的滑动扇区,构造连续切换控制器使得在开关面上控制信号是连续的.文[19]采用滑动扇区法,在扇区之内采用连续的等效控制,在扇区之外采用趋近律控制,很大程度地消除了控制的抖振.6)其他方法.文[20]针对滑模变结构控制中引起抖振的动态特性,将抖振看成叠加在理想滑模上的有限频率的振荡,提出了滑动切换面的优化设计方法,即通过切换面的设计,使滑动模态的频率响应具有某种希望的形状,实现频率整形.该频率整形能够抑制滑动模态中引起抖振的频率分量,使切换面为具有某种“滤波器”特性的动态切换面.文[21]设计了一种能量函数,该能量函数包括控制精度和控制信号的大小,采用LMI(linear matrix inequality)方法设计滑动模面,使能量函数达到最小,实现了滑动模面的优化,提高了控制精度,消除了抖振.2.2准滑动模态滑模控制(Quasi-sliding modecontrol)80年代在滑动模态控制的设计中引入了“准滑动模态”和“边界层”的概念[22],实现准滑动模态控制,采用饱和函数代替切换函数,即在边界层以外采用正常的滑模控制,在边界层内为连续状态的反馈控制,有效地避免或削弱了抖振,为变结构控制的工程应用开辟了道路.此后,有许多学者对于切换函数和边界层的设计进行了研究.①连续函数近似法.文[23]采用Sigmoid连续函数来代替切换函数.文[24]针对直流电机伺服系统的未建模动态进行了分析和描述,设计了基于插补平滑算法的滑模控制器,实现了非连续切换控制的连续化,有效地消除了未建模动态对直流电机伺服系统造成的抖振.②边界层的设计.边界层厚度越小,控制效果越好,但同时又会使控制增益变大,抖振增强;反之,边界层厚度越大,抖振越小,但又会使控制增益变小,控制效果差.为了获得最佳抗抖振效果,边界层厚度应自适应调整.文[25]提出了一种高增益滑模控制器,设控制信号输入为u,切换函数为s(t),将|˙u|作为衡量抖振的指标,按降低控制抖振来设计模糊规则,将|s|和|˙u|作为模糊规则的输入,模糊推理的输出为边界层厚度的变化,实现了边界层厚度的模糊自适应调整.文[26]针对不确定性线性系统,同时考虑了控制信号的降抖振与跟踪精度的要求,提出了一种基于系统状态范数的边界层厚度在线调整算法.文[27]提出了一种新型的动态滑模控制,采用饱和函数方法,通过设计一种新型非线性切换函数,消除了滑模到达阶段的抖振,实现了全局鲁棒滑模控制,有效地解决了一类非线性机械系统的控制抖振问题.文[28]为了减小边界层厚度,在边界层内采用了积分控制,既获得了稳态误差,又避免了抖振.边界层的方法仅能保410控制理论与应用第24卷证系统状态收敛到以滑动面为中心的边界层内,只能通过较窄的边界层来任意地接近滑模,但不能使状态收敛到滑模.2.3基于趋近律的滑模控制(Sliding mode controlbased on trending law)高为炳利用趋近律的概念,提出了一种变结构控制系统的抖振消除方法[29].以指数趋近律˙s=−ε·sgn s−k·s为例,通过调整趋近律的参数κ和ε,既可以保证滑动模态到达过程的动态品质,又可以减弱控制信号的高频抖振,但较大的ε值会导致抖振.文[30]分析了指数趋近律应用于离散系统时趋近系数造成抖振的原因,并对趋近系数与抖振的关系进行了定量的分析,提出了趋近系数ε的自适应调整算法.文[31]提出了将离散趋近律与等效控制相结合的控制策略,离散趋近律仅在趋近阶段起作用,当系统状态到达准滑模模态阶段,采用了抗干扰的离散等效控制,既保证了趋近模态具有良好品质,又降低了准滑动模态带,消除了抖振.文[32]将模糊控制应用于指数趋近律中,通过分析切换函数与指数趋近律中系数的模糊关系,利用模糊规则调节指数趋近律的系数,其中切换函数的绝对值|s|作为模糊规则的输入,指数趋近律的系数κ和ε作为模糊规则的输出,使滑动模态的品质得到了进一步的改善,消除了系统的高频抖振.2.4离散系统滑模变结构控制(Sliding mode con-trol for discrete system)连续时间系统和离散时间系统的控制有很大差别.自80年代初至今,由于计算机技术的飞速发展,实际控制中使用的都是离散系统,因此,对离散系统的变结构控制研究尤为重要.对离散系统变结构控制的研究是从80年代末开始的,例如,Sarpturk等于1987年提出了一种新型离散滑模到达条件,在此基础上又提出了离散控制信号必须是有界的理论[33],Furuta于1990年提出了基于等效控制的离散滑模变结构控制[34],高为炳于1995年提出了基于趋近律的离散滑模变结构控制[35].他们各自提出的离散滑模变结构滑模存在条件及其控制方法已被广泛应用.然而,传统设计方法存在两方面不足：一是由于趋近律自身参数及切换开关的影响,即使对名义系统,系统状态轨迹也只能稳定于原点邻域的某个抖振;二是由于根据不确定性上下界进行控制器设计,可能会造成大的反馈增益,使控制抖振加剧.近年来国内外学者一方面对离散系统滑模变结构控制的研究不断深入.文[36]提出了基于PR型的离散系统滑模面设计方法,其中P和R分别为与系统状态有关的正定对称阵和半正定对称阵,在此基础上设计了稳定的离散滑模控制器,通过适当地设计P和R,保证了控制器具有良好的性能.文[37]针对离散系统提出了一种新型滑模存在条件,进一步拓展了离散滑模控制的设计,在此基础上设计了一种新型滑模控制律.针对离散系统中滑模控制的不变性和鲁棒性难以有效保证,文[38]提出了3种解决方法,在第1种方法中,采用了干扰补偿器和解耦器消除干扰,在第2种方法中,采用回归切换函数方法来消除干扰,在第3种方法中,采用回归切换函数和解耦器相结合的方法来消除干扰,上述3种方法已成功地应用于数控中.文[39]针对数字滑模控制的鲁棒性进行了系统的研究,提出了高增益数字滑模控制器.文[40]针对带有干扰和未知参数的多输入多输出离散系统的滑模控制进行了研究,并采用自适应律实现了未知项的估计.2.5自适应滑模变结构控制(Adaptive slidingmode control)自适应滑模变结构控制是滑模变结构控制与自适应控制的有机结合,是一种解决参数不确定或时变参数系统控制问题的一种新型控制策略.文[41]针对线性化系统将自适应Backsteping与滑模变结构控制设计方法结合在一起,实现了自适应滑模变结构控制,文[42]针对一类最小相位的可线性化的非线性系统,设计了一种动态自适应变结构控制器,实现了带有不确定性和未知外干扰的非线性系统鲁棒控制.在一般的滑模变结构控制中,为了保证系统能够达到切换面,在设计控制律时通常要求系统不确定性范围的界已知,这个要求在实际工程中往往很难达到,针对具有未知参数变化和干扰变化的不确定性系统的变结构控制,文[43]设计了一种新型的带有积分的滑动模面,并采用一种自适应滑模控制方法,控制器的设计无需不确定性及外加干扰的上下界,实现了一类不确定伺服系统的自适应变结构控制.针对自适应滑模控制中参数估计值无限增大的缺点,文[44]提出了一种新的参数自适应估计方法,保证了变结构控制增益的合理性.近年来,变结构模型参考自适应控制理论取得了一系列重要进展,由于该方法具有良好的过渡过程性能和鲁棒性,在工程上得到了很好的应用.文[45]设计了一种新型动态滑动模面,滑动模面参数通过采用自适应算法估计得到,从而实现了非线性系统的模型参考自适应滑模控制.文[46]针对一类不确定性气压式伺服系统,提出了模型参考自适应滑模控制方法,并在此基础上提出了克服控制抖振的有效方法.第3期刘金琨等:滑模变结构控制理论及其算法研究与进展4112.6非匹配不确定性系统的滑模变结构控制(Sliding mode control for systems with mis-matched uncertainties)由于大多数系统不满足变结构控制的匹配条件,因此,存在非匹配不确定性系统的变结构控制是一个研究重点.文[47]利用参数自适应控制方法,构造了一个变参数的切换函数,对具有非匹配不确定性的系统进行了变结构控制设计.采用基于线性矩阵不等式LMI的方法,为非匹配不确定性系统的变结构控制提供了新的思路,Choi针对不匹配不确定性系统,专门研究了利用LMI方法进行变结构控制设计的问题[48∼50].Backstepping设计方法通过引入中间控制器,使控制器的设计系统化、程序化,它对于非匹配不确定性系统及非最小相位系统的变结构控制是一种十分有效的方法.采用Backstepping设计方法,文[51]实现了对于一类具有非匹配不确定性的非线性系统的变结构控制.将Backstepping设计方法、滑模控制及自适应方法相结合,文[52]实现了一类具有非匹配不确定性的非线性系统的自适应滑模控制.2.7针对时滞系统的滑模变结构控制(Slidingmode control for time-delay system)由于实际系统普遍存在状态时滞、控制变量时滞,因此,研究具有状态或控制时滞系统的变结构控制,对进一步促进变结构控制理论的应用具有重要意义.文[53]对于具有输入时滞的不确定性系统,通过状态变换的方法,实现了滑模变结构控制器的设计.文[54]研究了带有关联时滞项的大系统的分散模型跟踪变结构控制问题,其中被控对象的时滞关联项必须满足通常的匹配条件.文[55]采用趋近律的方法设计了一种新型控制器,采用了基于LMI的方法进行了稳定性分析和切换函数的设计,所设计的控制器保证了对非匹配不确定性和匹配的外加干扰具有较强的鲁棒性,解决了非匹配参数不确定性时滞系统的变结构控制问题.文[56]针对带有输出延迟非线性系统的滑模控制器的设计进行了探讨,在该方法中,将延迟用一阶Pade近似的方法来代替,并将非最小相位系统转化为稳定系统,在存在未建模动态和延迟不确定性条件下,控制器获得了很好的鲁棒性能.国内在时滞系统的滑模变结构控制方面也取得了许多成果,针对时滞系统的变结构控制器设计问题和时滞变结构控制系统的理论问题进行了多年的研究,取得了许多成果[57∼59].2.8非线性系统的滑模变结构控制(Sliding modecontrol for nonlinear system)非线性系统的滑模变结构控制一直是人们关注的热点.文[60]研究了具有正则形式的非线性系统的变结构控制问题,为非线性系统变结构控制理论的发展奠定了基础.目前,非最小相位非线性系统、输入受约束非线性系统、输入和状态受约束非线性系统等复杂问题的变结构控制是该领域研究的热点.文[61]将Anti-windup方法与滑模控制方法相结合,设计了输入饱和的Anti-windup算法,实现当输出为饱和时的高精度变结构控制,文[62]利用滑模变结构控制方法实现了一类非最小相位非线性系统的鲁棒控制,文[63]利用输入输出反馈线性化、相对度、匹配条件等非线性系统的概念,采用输出反馈变结构控制方法实现了一类受约束非线性系统的鲁棒输出跟踪反馈控制.文[64]利用Backstepping方法,实现了非线性不确定性系统的变结构控制.2.9Terminal滑模变结构控制(Terminal slidingmode control)在普通的滑模控制中,通常选择一个线性的滑动超平面,使系统到达滑动模态后,跟踪误差渐进地收敛为零,并且渐进收敛的速度可以通过选择滑模面参数矩阵任意调节.尽管如此,无论如何状态跟踪误差都不会在有限时间内收敛为零.近年来,为了获得更好的性能,一些学者提出了一种Terminal(终端)滑模控制策略[65∼67],该策略在滑动超平面的设计中引入了非线性函数,使得在滑模面上跟踪误差能够在有限时间内收敛到零.Ter-minal滑模控制是通过设计一种动态非线性滑模面方程实现的,即在保证滑模控制稳定性的基础上,使系统状态在指定的有限时间内达到对期望状态的完全跟踪.例如,文[68]将动态非线性滑模面方程设计为s=x2+βx q/p1,其中p>q,p和q为正的奇数,β>0.但该控制方法由于非线性函数的引入使得控制器在实际工程中实现困难,而且如果参数选取不当,还会出现奇异问题.文[69]探讨了非奇异Termianl滑模控制器的设计问题,并针对N自由度刚性机器人的控制进行了验证.文[70]采用模糊规则设计了Terminal滑模控制器的切换项,并通过自适应算法对切换项增益进行自适应模糊调节,实现了非匹配不确定性时变系统的Terminal滑模控制,同时降低了抖阵.文[71]中只对一个二阶系统给出了相应的Terminal滑模面,滑模面的导数是不连续的,不适用于高阶系统.文[72]设计了一种适用于高阶非线性系统的Terminal滑模面,克服了文[71]中的滑模面导数不连续的缺点,并消除了滑模控制的到达阶段,确保了系统的全局鲁棒性和稳定性,进一步地,庄开宇等[73]又针对系统参数摄动和外界扰动等不确定性因素上界的未知性,实现了MIMO系统的自适应Terminal控制器设计,所设计的滑模面方程既保。
滑模变结构控制在交流伺服系统中的应用
３１ 变 结构 － Ｐ Ｄ控 制 ． １
１ 问题 的提 出
复杂伺服系统具有非线性 和不确定性 ， 存在很多 不利于系统性能提
高 的因素 ， 如非线性 因素 、 参数 变化 、 机械谐 振及高频未建 模动态 、 测量
延迟及测量噪声 。由于上述 因素 的存 在 ， 建立精确的数学模 型是很困难 的， 只能建立一个近似的数学模 型。在 建模 时 ， 要做合适 的近似 处理 ， 要
模糊规 则来 确定模糊 控制量 ，即直接把 开关 函数 和它 的微 分作 为输 入 量， 利用模糊推理束获得滑模控制量 。 方法具有直接 、 该 简单且保持系统 稳定性的优点 。二是利用模糊规则 自适应地调整符号 函数的幅度 。
３３ 变结构一 神经网络控 制 －
特定值为零 ） ， 时 变结构系统 的控制输 出由一种形式 切换到另一 种形式 ，
ＰＤ控制 器通过 可变的加权 因子组 合起来 而构成的 。 １
３２ 变结构一模糊控制 、
制在交济 服系统中得到 了广泛 的研究 ， 涧 并获得 了 许多成功的应 用。
模糊控制是一种设计 变结构平 滑控制器的可行方 法 ， 糊控制和 将模
变结构控制集成起来 。 这样 的控制器不但保持 了变结构控制对参数摄动
忽 略对象中的不确定因素 ， 诸如参数误差 、 未建模动态 、 测量 噪声以及 不
确定的外干扰等。由近似模型 出发设计控 制器 ， 设计 中被忽 略的不 确定
因素会引起控制系统品质的变化 ， 至导致 系统不稳定 。 甚 因此 ， 考虑对 象
的不确定性 ， 使所设 计的控制器在不确定性对 系统品质 的破坏最严重 时
２ 滑模变 结构 控 制及 其特点
滑模控制改善液压仿真转台低速性能
维普资讯
《 装备制造技术）０ ８ ２ ０ 年第 ７ 期 ２ 滑模变结构控制器的设计
滑模控 制是 一种非连续控 制技术 ，它是 根据系统状 态偏
代人具体数值后 （ 暂取 ｃ ＝４ 计算从略 ）可得 ： ， ，
一
合适 的趋 近率来保 证 。根据滑模理论 ，趋近律必须 满足 ｓ＜ ；０ 这个条 件 ， 但这 只是一个一 般的条件 ， 据此 只能估计控制参数 的大致 范围 。本文确 定 的趋近 律为一种与 全部 状态 向量 的模
的和成 比例的变速趋 近律 ，并 由此可 以确定控 制量 “的具体 形式 。对二 阶系统来 说 ， 该趋 近率可表示为 ：
＞０ ２ ．４ ＞０ ２ ２
改善系统 的低 速平滑性 ，另一方 面也 有助 于提高伺服 系统 的
整体性能。 ２１ 控 制器的初步设计 ．
２２ 动 态品质的提高 ．
２２１ 趋 近 律 的 确 定 ．．
变 结构控制系统 的运动 ，由正常运动段 和滑动模态段组 成， 两段运动都 会影响 系统 的过渡过 程 。滑动模态 的品质 ， 可 由滑动模态微分方 程决定 ， 而正 常运动段 的品质 ， 则要靠选择
系统的抖 振 ； 如果 ｓ 和 ｓ 太小 ， ： 则趋进 速度缓慢 。 到达切换面
“ ：
／
需很长时间 ，加大 了调节 时间。本系统 中着重低速性 能的提
Ｂ ， 争ｌ ｓ ， １ △ ） ｘ－ａ △ ＋ ＋ ｔ ） ￣
】
高， 且信号变 化缓慢 ， 。 ＩＩ ｘ ＋ 不会 太大 ， 由此 ｓ 和 Ｂ 可适 当 ２ 取大 些。由 Ｏ ＜０ 求 出 ６＞ ３３ ｒ ， ２ ２７ ．取 ＝１ ０ 相应取 ｓ＝８ ， ， ０， ｌ ０ 则 结果 可进一步修正为 ：
滑模变结构控制系统的抖振抑制方法研究
滑模变结构控制系统的抖振抑制方法研究滑模变结构控制（Sliding Mode Control, SMC）是一种非线性控制技术，其特点是对系统的非线性特性不敏感，并且具有鲁棒性和抗干扰能力强等优点。
在实际应用中，滑模控制系统存在抖振现象，即系统的输出会产生快速震荡，影响控制系统的性能和稳定性。
因此，对于滑模控制系统的抖振抑制方法进行研究具有重要意义。
滑模控制系统的抖振抑制方法可以从以下几个方面进行研究：1.控制参数的选择：抖振抑制的一种方法是通过合理选择滑模控制器的参数来实现。
调节滑模控制器的参数可以改变系统的动态响应特性，从而实现抖振的抑制。
通常可以通过试探法或者经验法来选择合适的参数。
2.引入饱和非线性：饱和非线性是一种广泛应用于滑模控制中的方法。
通过引入饱和非线性可以实现控制系统的分段线性特性，从而减小抖振现象的出现。
饱和非线性可以根据系统的特性进行设计，可以基于系统的频率响应、积分饱和性等因素。
3.自适应滑模控制：自适应滑模控制是一种引入自适应机制的滑模控制方法。
该方法可以根据系统的状态和外部扰动的变化实时调整滑模控制器的参数，从而实现对抖振的抑制。
自适应滑模控制可以通过引入自适应律、自适应辨识方法等实现。
4. 非线性饱和补偿控制：非线性补偿控制是一种通过引入补偿器来抑制抖振的方法。
通过引入补偿器可以根据系统的非线性特性实时调整滑模控制器的参数，从而实现对抖振的抑制。
非线性饱和补偿控制可以通过Lyapunov函数分析等方法进行设计。
5.基于优化算法的方法：优化算法是一种通过优化目标函数来求解最优控制参数的方法。
通过优化算法可以求得一个最优的滑模控制器参数，从而实现抖振的抑制。
常用的优化算法有遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
在实际应用中，综合考虑以上方法的优缺点和适用性，选择合适的抖振抑制方法进行研究。
为了提高滑模控制系统的抖振抑制效果，可以采用多种方法进行组合或者结合其他控制方法进行增强，以实现更好的控制性能。
滑模变结构控制系统的超调问题研究
滑模变结构控制系统的超调问题研究摘要:文章以船舶机舱的温度、转速和实验室的倒立摆系统为例,分析滑模变结构控制的效果,通过与其他方法控制的仿真效果相比,得出滑模变结构控制系统几乎无超调的结论。
这对实际的大惯性的系统的控制有非常重大的指导意义。
标签：滑模变结构超调大惯性我国的造船量虽然已跃居全球第二位,但是科学技术水平非常落后,尤其是轮机自动化系统和控制设备与国外还有非常大的差距。
本文将以船舶锅炉、柴油机和供油系统等为被控对象,以转速、水温、汽压、油温和粘度等为被控量,分别建立起它们的数学模型,然后分析以上系统的特征,最后进行滑模变结构控制器的设计和MATLAB/Simulink软件仿真,以得到如下结论:只要建立起系统的数学模型,就可用滑模变结构的控制算法代替船舶轮机自动化系统普遍使用的PID或模糊-PID控制算法,并且有超调较小、抗干扰能力强和鲁棒性好的优点,尤其是对非线性系统而言,滑模变结构可以达到精确控制的效果。
一、我国造船业现状在全球经济危机的冲击下,我国的造船行业也必须注重科学技术含量的提高,以缓解国内造船附加值低,大量设备依赖进口的现状。
而目前国内还有大量营运船舶和部分新造船舶的轮机自动化设备使用的是电气控制系统,使用计算机控制系统的船舶机舱自动化设备主要依赖进口或者国外的领先技术。
而且,在全球大力倡导节约能源、减少排放和保护环境的大背景下,在船舶的入级规范越来越严格的情况下,随着科学技术的不断进步,对营运和新造船舶的要求必然会越来越高。
所以,船舶机舱将会向数字化和网络化方向发展,即计算机控制系统会遍布船舶机舱的每一个角落。
本文正是在这种背景下,进行计算机控制软件系统的很重要的一个部分,即控制算法的分析。
二、滑模变结构算法的提出滑模变结构控制自20世纪50年代提出来后就一直引起足够的重视,并且形成了一套成熟的滑模线性控制系统理论,而且在众多的工程领域都有广泛的应用,如基于低阶线性模型的电机转速控制系统和水位、水温控制系统;基于高阶线性模型的倒立摆控制系统。
基于摩擦补偿的交流伺服工作台爬行控制
模型。设计了一种变结构控制和基于摩擦模型前馈补偿相结合 的综合控制策略 ，用 于减小交流伺 服工作台爬行对定位精 度的影响 。仿真和实验结果表明，采用提 出的控制策略可以明显降低爬行产生的跟踪误差 。
关键 词 ：爬 行 ；摩擦 补 偿 ；变 结 构控 制
中图分 类 号 ：Ｔ １． 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章编 号 ：０ ５ ０５ （０７ Ｈ１７ １ ２ ４— １０ ２ ０ ）９— ８ ４ ０４—
ｔｅ ｔａ ｋ ｎ ｒ ｃｓｏ ｆｗ ｒ ｔｂ ｅ， ｏ ｔ ｌｓ ａ ｅ ｙ ｗａ ｕｌ ｗｈ ｃ ｏ ｉｅ ｈ ｌ ｉｇ ｍｏ ｅ ｃ ｎｒ ｌｗｉ ｈｅｆｅ ｆｒ ｈ ｒｃ ｉｇ ｐ ｅ ｉｉｎ ｏ ｏ ｋａ ｌ ａｃ ｎｒ ｔ ｔｇ ｓｂ ｉ ｉｈ ｃ ｍｂｎ ｄ ｔｅ ｓｉ ｎ ｄ ｏ ｔｏ ｔ ｔ ｅ ｄｏ － ｏ ｒ ｔ ｄ ｈ ｗａ ｄ ｃ ｍｐ ｎ ａｉｎ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｒｅ ｉｎ ｍｏ ｅ． ｉ ｌｔ ｎ ａ ｄ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｔａ ｈ ｓｃ ｎｒ ｌｓｒ ｔｇ ａ ｆ ｒ ｏ ｅ ｓｔｏ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｆｉｔ ｄ １ Ｓｍｕ ａｉ ｎ ｘ ｅｉ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔｉ ｏ ｔｏ ｔａｅ ｃ ｎ ｅ－ ｏ ｏ ｙ
张 涛 路 长 厚 潘 伟
（ ．山 东 建筑 大学 信 息 与 电 气 工程 学 院 山 东 济南 ２０ ０ ；２ １ ５ １ １ ．山东 大 学 机械 工 程 学 院 山 东 济南 ２０ ６ ） ５０ １ 摘 要 ：低 速 工况 下 由摩 擦 引起 的爬 行 现象 是影 响 机械 加 工精 度 的 重要 因 素 。建 立 了 Ｘ ｓｉ ｎ ｒ ｌ０ ｉ ｋ． ｌ Ｃｏ ｔ ｏ ｆＡＣ ｒ ｏ Ｗ ｏ ｋ ａ ｌ ｓ ｄ ｏ ｐ Ｓｅ ｖ ｒ ｔ ｂ ｅ Ｂａ ｅ ｎ Ｆｒ ｃ ｉ ｎ Ｃｏ ｐ ｎ ａ ｉ ｎ ｉｔｏ ｍ ｅ ｓ ｔｏ
变结构控制-滑模控制PPT
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
3) 线性系统的相轨迹
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
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。
第一节 变结构控制简介
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。
4) 奇点和奇线
1.奇点 --同时满足 x 0 和 f (x, x) 0 的点。
dx 0
dx 0
➢奇点一定位于相平面的横轴上； ➢相轨迹在奇点处切线斜率不定，表明系统在奇点处可以按任意 方向趋近或离开奇点，因此相轨迹族曲线在奇点处发生相交； ➢经过奇点的相轨迹有多条，而经过普通点的相轨迹只有一条； ➢在奇点处，系统运动的速度和加速度同时为零，对二阶系统而 言，系统不再发生运动，处于平衡状态，因此相平面上的奇点也 称为平衡点。
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
解：描述系统自由运动的微分方程式为
《泵控电液位置伺服系统的滑模控制方法研究》
《泵控电液位置伺服系统的滑模控制方法研究》一、引言泵控电液位置伺服系统（Pump-Controlled Electro-hydraulic Position Servo System）作为工业生产过程中的关键部分，具有高效、精准的控制特性，是现代化机械自动化不可或缺的一环。
而随着对控制精度和响应速度要求的日益提高，传统的控制方法逐渐难以满足复杂多变的工作环境需求。
滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）作为一种非线性控制方法，其能够在系统参数变化和外部扰动下保持稳定的控制性能，因此成为研究热点。
本文旨在研究泵控电液位置伺服系统的滑模控制方法，以期提高系统的控制精度和稳定性。
二、泵控电液位置伺服系统概述泵控电液位置伺服系统主要由液压泵、执行机构、传感器及控制系统等部分组成。
其中，控制系统是系统的核心，负责接收反馈信号并输出控制指令，以实现对执行机构的精确控制。
然而，由于系统中的非线性和不确定性因素，如液压泵的泄漏、执行机构的摩擦力等，使得系统的控制变得复杂。
因此，研究有效的控制方法，提高系统的性能，成为亟待解决的问题。
三、滑模控制方法原理及特点滑模控制是一种变结构控制方法，其基本思想是根据系统当前的状态，有目的地进行系统结构的改变，使得系统状态轨迹在特定设计的滑模面上滑动。
由于滑模控制对参数变化和外部扰动具有较强的鲁棒性，因此被广泛应用于各类非线性系统中。
在泵控电液位置伺服系统中，滑模控制能够有效地处理系统中的非线性和不确定性因素，提高系统的控制精度和稳定性。
四、泵控电液位置伺服系统的滑模控制方法研究针对泵控电液位置伺服系统的特点，本文提出了一种基于滑模控制的控制方法。
首先，通过建立系统的数学模型，明确系统的状态空间描述。
然后，设计适当的滑模面，使得系统状态能够在该滑模面上滑动，达到稳定状态。
在滑模面的设计过程中，考虑到系统的非线性和不确定性因素，采用自适应滑模控制方法，以适应系统参数的变化和外部扰动。
滑模变结构控制方法
控制律的设计
01
控制律的形式
控制律是变结构控制中的关键部 分，它决定了系统状态在滑模面 上的运动方式和轨迹。
02
控制律的求解
03
控制律的调整
控制律的求解可以采用多种方法 ，如解析法、优化算法和智能算 法等。
控制律的调整可以通过调整控制 参数，以改善系统的跟踪性能和 减小超调。
滑模运动的稳定性
1 2 3
滑模变结构控制方法对外部干扰的抑制能力有限，如果干扰较大， 可能会影响系统的性能。
改进方向
减小抖振
通过改进滑模变结构控制方法的设计，减小切换过程中的抖振现象 ，提高系统的稳定性和性能。
增强对系统参数的鲁棒性
通过改进滑模变结构控制方法的设计，提高其对系统参数变化的鲁 棒性，减小参数变化对系统性能的影响。
THANKS
感谢观看
04
CATALOGUE
滑模变结构控制方法的优缺点
优点
响应速度快
滑模变结构控制方法能够在短时间内 快速响应，对于系统的快速变化具有 较好的适应性。
设计简单
滑模变结构控制方法的设计过程相对 简单，易于实现，特别适合于处理不 确定性和非线性问题。
鲁棒性强
滑模变结构控制方法对系统参数的变 化和外部干扰具有较强的鲁棒性，可 以在一定程度上减小参数变化和外部 干扰对系统性能的影响。
02
CATALOGUE
滑模变结构控制方法的基本理论
滑模面的设计
滑模面的定义
滑模面是变结构控制中的 核心部分，它决定了系统 状态到达滑模面的方式和 时间。
滑模面的选择
滑模面的选择应满足可达 性、可达性条件和不变性 条件，以保证系统状态能 够稳定地到达滑模面。
滑模面的优化
滑模控制
滑模变结构理论一、引言滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性,这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是可以在动态过程中根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。
由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识,物理实现简单等优点。
该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后,难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动,而是在滑模面两侧来回穿越, 从而产生颤动。
滑模变结构控制出现于20世纪50年代,经历了 50余年的发展,已形成了一个相对独立的研究分支,成为自动控制系统的一种一般的设计方法。
以滑模为基础的变结构控制系统理论经历了 3个发展阶段.第1阶段为以误差及其导数为状态变量研究单输入单输出线性对象的变结构控制; 20世纪60年代末开始了变结构控制理论研究的第2阶段, 研究的对象扩大到多输入多输出系统和非线性系统;进入80年代以来, 随着计算机、大功率电子切换器件、机器人及电机等技术的迅速发展, 变结构控制的理论和应用研究开始进入了一个新的阶段, 所研究的对象已涉及到离散系统、分布参数系统、滞后系统、非线性大系统及非完整力学系统等众多复杂系统, 同时,自适应控制、神经网络、模糊控制及遗传算法等先进方法也被应用于滑模变结构控制系统的设计中。
二、基本原理带有滑动模态的变结构控制叫做滑模变结构控制(滑模控制)。
所谓滑动模态是指系统的状态被限制在某一子流形上运动。
通常情况下,系统的初始状态未必在该子流形上,变结构控制器的作用在于将系统的状态轨迹于有限时间内趋使到并维持在该子流形上,这个过程称为可达性。
系统的状态轨迹在滑动模态上运动并最终趋于原点,这个过程称为滑模运动。
滑模运动的优点在于,系统对不确定参数和匹配干扰完全不敏感。
下图简要地描述了滑模变结构控制系统的运动过程,其中S(t)为构造的切换函数(滑模函数), S(t)=0为滑模面。
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维普资讯
第２ ７卷 第 ３期
弹 箭 与 制 导 学 报
・ ７ ７ ・
低 速 摩 擦 伺 服 系 统 的 滑 模 变 结构 控 制 研 究
马 娟 丽 ， 永 哲 ， 晓 波 唐 职
（ １西 北 工 业 大 学 自动 化 学 院 ． 安 西 ７０７ ； １ ０ ２ ２淮 海 工 学 院 ． 苏 连 云 港 江 ２ ２０ ） ２ ０ ５
而低 速下 具有 较 强 的摩擦 现 象 ， 时 控制 对 象 变 此
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该 方 法 具 有 良好 的 跟源自踪 特 性 和较 强 的 鲁 棒 性 。
［ 键 词 ］ 低 速 摩 擦 伺 服 系 统 ； 模 变 结 构 控 制 ； 数 趋 近 律 ； 振 关 滑 指 抖 ［ 图分 类 号 ］Ｔ ２ ３ １ 中 Ｐ ７ ． ［ 献标 志码］Ａ 文
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｒ ａ ｌ ｔ ｕ ｔ ｒ ｎ ｒ ｌｗｉｈ Ｓ ｉ ｎｇ ｍ ｏ ｔ ｄ ｆ Ｖａ ｉ ｂ ｅ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ Ｃｏ ｔ ｏ ｔ ｌｄｉ － ｄｅ
［ 要 ］ 针 对 低 速 摩 擦 伺 服 系 统 ， 出 采 用 指 数 趋 近 率 的 滑 模 控 制 方 法 ， 保 证 运 动 点 在 有 限 时 间 到 达 平 衡 摘 提 以 点 ， 短 了趋 近 时 间 。并 且 通 过 引 入 饱 和 函数 以 削 弱 抖 振 。最 后 运 用 Ｍａｌｂ Ｓｍｕｉｋ软 件 平 台仿 真 ， 证 了 缩 ｔ ／ｉ ｌ ａ ｎ 验
ｌ 引 言
对于伺 服 系统 来 说 ， 摩擦 是 影 响 系统 低 速性 能 的重要 因 素 ， 不 但 造 成 系 统 的 稳 态 误 差 ， 它 而
２ 系统 描 述
文 中以 飞机 模 拟 转 台伺 服 系 统 为 例 。该 系 统 在 正常情 况 下 可简 化 为线 性 二 阶环 节 的 系统 ，
ｂ ｓ ｄｏ ｈ ａｌｂ Ｓｍ ｕｉｋ ｐａｆ ｒ ． ｉ ｌ ｋ ｉｄｃ ｔｓｔ ａ ｈ ｏ ｔｏ ｔ ｏ ｍｐ ｏ ｅ ｈ ｒｃ ｉｇａ ｃ ｒｃ ｏ — ａ ｅ ｎ ｔ ｅＭ ｔａ ／ ｉ ｌ ｌｔｏ ｍ Ｓｍｕｉ ｎ ｉａｅ ｈ ｔｔ ｅｃ ｎ ｒｌｍｅｈ ｄ ｉ ｒ ｖ ｓｔ ｅｔａ ｋｎ ｃｕ ａ ｙｃ ｎ ｎ ｎ
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