滑模变结构控制

滑模变结构控制作为一种特殊的鲁棒控制方法【原理，优点，意义，步骤，特点】

变结构控制系统的特征是具有一套反馈控制律和一个决策规则，该决策规则就是所谓的切换函数，将其作为输入来衡量当前系统的运动状态，并决定在该瞬间系统所应采取的反馈控制律，结果形成了变结构控制系统。该变结构系统由若干个子系统连接而成，每个子系统有其固定的控制结构且仅在特定的区域内起作用。引进这种变结构特性的优势之一是系统具有每一个结构有用的特性，并可进一步使系统具有单独每个结构都没有的新的特性，这种新的特性即是变结构系统的滑动模态。滑动模态的存在，使得系统在滑动模态下不仅保持对系统结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰等不确定性因素的鲁棒性，而且可以获得较为满意的动态性能。迄今为止，变结构控制理论已经历了50年的发展历程，形成了自己的体系，成为自动控制系统中一种一般的设计方法。它适用的控制任务有镇定与运动跟踪等。

滑模控制(sliding mode control, SMC)也叫变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他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,这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。

原理：

滑模变结构控制的原理，是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系，所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。所设计的切换超平面需满足达到条件，即系统在滑模平面后将保持在该平面的条件。现在以N维状态空间模型为例，采用极点配置方法得到M(N

优点：

滑模控制的优点是能够克服系统的不确定性, 对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性, 尤其是对非线性系统的控制具有良好的控制效果。。由于变结构控制系统算法简单 , 响应速度快 , 对外界噪声干扰和参数摄动具有鲁棒性，在机器人控制领域得到了广泛的应用。变结构控制作为非线性控制的重要方法近年来得到了广泛深入的研究 ,其中一个重要的研究分支是抑制切

换振颤 ,这方面已取得了不小的进展，提出了等效控制、切换控制与模糊控制的组合模糊调整控制方法,其中等效控制用来配置极点 ,切换控制用来保

证不确定外扰存在下的到达过程 ,模糊调整控制则用来提高控制性能并减少振颤.研究了一类非线性系统的模糊滑模变结构控制方法 ,设计了滑模控制

器和 PI控制器的组合模糊逻辑控制器,充分发挥了各控制器的优点.提出了

基于有限时间机理的快速 Terminal 滑模控制方法并给出了与普通

Terminal 滑模控制性能的比较.

重要意义：

受到越来越多的重视.该方法通过自行设计所需的滑模面和等效控制律 ,能快速响应输入的变换 ,而对参数变换和扰动不敏感 ,具有很好的鲁棒性 ,且物理制作简单。其最大优点是滑动模态对加在系统上的干扰和系统的摄动具有完全的自适应性,而且系统状态一旦进入滑模运动,便快速地收敛到控制目标,为时滞系统、不确定性系统的鲁棒性设计提供了一种有效途径，但其最大的问题是系统控制器的输出具有抖动。

设计步骤：

在系统控制过程中,控制器根据系统当时状态,以跃变方式有目的地不断变换,迫使系统按预定的“ 滑动模态” 的状态轨迹运动。变结构是通过切换函数实现的,特别要指出的是,通常要求切换面上存在滑动模态区,故变结

构控制又常被称为滑动模态控制。设计变结构控制系统基本可分为两步[ 2 ]:

(1)确定切换函数 S ( x)

即开关面,使它所确定的滑动模态渐近稳定且有良好的品质,开关面代表了系统的理想动态特性。

(2)设计滑模控制器

设计滑模控制器,使到达条件得到满足,从而使趋近运动 (非滑动模态 )于有限时间到达开关面,并且在趋近的过程中快速、抖振小。

特点：

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 ,并且收敛的速度可以通过选择滑模面参数矩阵来调节。但理论上讲 ,无论如何状态跟踪误差都不会在有限的时间内收敛为零。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。