《滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)發(fā)展5100字》

滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)發(fā)展綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u22271滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)發(fā)展綜述 1213221.1滑模變結(jié)構(gòu)控制簡介 1327351.2滑模變結(jié)構(gòu)控制發(fā)展史 212718①1957—1962年 225035②1962—1970年 231818③1970年以后 2312221.3滑?？刂评碚撗芯糠较?4287741.3.1抖振產(chǎn)生的主要原因 4312071.3.2消除抖振的方法 595691.3.3局限性 8244911.4滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)缺點(diǎn) 9318941.5重要意義 91.1滑模變結(jié)構(gòu)控制簡介在50年代末，前蘇聯(lián)Emelyanov等人最先提出滑模變結(jié)構(gòu)的控制的理論，之后經(jīng)Utkin等人進(jìn)一步討論研究從而使一類非線性控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)方法被完善，它屬于變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的控制策略的其中之一。通過不連續(xù)性的控制，即隨時(shí)間不斷變化的系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”的開關(guān)特性是這種管理控制發(fā)展策略與常規(guī)進(jìn)行控制的根本區(qū)別。該控制技術(shù)特性分析的特點(diǎn)是可以通過強(qiáng)迫管理系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沿規(guī)定的狀態(tài)進(jìn)行低幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)就叫“滑動(dòng)模態(tài)”或者“滑?！边\(yùn)動(dòng)。這是一種可以改變的滑模，系統(tǒng)參數(shù)和擾動(dòng)都是與它毫無關(guān)系的。這樣，較好的魯棒性就被滑模的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所擁有?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是指存在這樣一個(gè)(或幾個(gè))切換函數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)可以夠到切換函數(shù)的數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)就可以其中一個(gè)結(jié)構(gòu)被另外一個(gè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)所取代。1.2滑模變結(jié)構(gòu)控制發(fā)展史滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在20世紀(jì)50年代被提出。歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，相對獨(dú)立的分支已經(jīng)形成，而且也產(chǎn)生了一種適用任何自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。并且在實(shí)際進(jìn)行的項(xiàng)目中循序漸進(jìn)的發(fā)展從而被推廣使用。舉個(gè)例子，例如電機(jī)與電力管理系統(tǒng)的內(nèi)部控制、機(jī)器人控制、飛機(jī)的控制、衛(wèi)星姿態(tài)控制等。這種管理控制研究方法可以通過切換內(nèi)部控制量，從而使系統(tǒng)工作狀態(tài)沿著滑模面滑動(dòng)。因此，滑模變結(jié)構(gòu)在學(xué)術(shù)界和科技研究領(lǐng)域流行起來。變結(jié)構(gòu)控制的發(fā)展過程大致可分為三個(gè)階段∶1957—1962年這期間是屬于研究的初級(jí)階段。在20世紀(jì)50年代，變結(jié)構(gòu)控制的概念由前蘇聯(lián)的學(xué)者Utkin和Emelyanov提出，二階線性系統(tǒng)是當(dāng)時(shí)基本的研究對象。1962—1970年20世紀(jì)60年代，高階線性系統(tǒng)開始被學(xué)者進(jìn)行研究。研究了在線性切換函數(shù)下，高階線性系統(tǒng)的控制問題。1970年以后在線性空間中，線性系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制被研究。主變結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制對攝動(dòng)及干擾技術(shù)具有不變性成為了主要研究的結(jié)論。1977年，一篇有關(guān)變結(jié)構(gòu)方面的綜述論文[10]由V.1.Utkin發(fā)表，溶模有關(guān)變結(jié)構(gòu)控制VSC和滑?？刂芐MC的方法被提出。由此往后，變結(jié)構(gòu)控制的研究興趣成倍的增長，多維變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及多維滑模被各國學(xué)者開始研究?；颇Ｊ娇刂票粡墓こ虒W(xué)角度進(jìn)行精準(zhǔn)的分析和評價(jià)，而且連續(xù)系統(tǒng)抑制抖動(dòng)的七種解決方案也被分析，離散系統(tǒng)三種情況的滑動(dòng)模具設(shè)計(jì)被分析，為滑動(dòng)模式控制在工程中的實(shí)際應(yīng)用提供了使人受益匪淺的理論指導(dǎo)[11]。在變結(jié)構(gòu)控制的研究中，滑動(dòng)模態(tài)上主要存在著焦點(diǎn)問題。中國學(xué)者高為炳院士等首先提出了趨近律的概念[12]。變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理論作為一種求解復(fù)雜非線性系統(tǒng)綜合問題的綜合方法，越來越受到人們的重視。然而，滑模變結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和外部攝動(dòng)的不變性是通過被控量的高頻抖振來交換的。在實(shí)際應(yīng)用中，高頻抖動(dòng)在理論上是無限快并且沒有執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)它。與此同時(shí)，該高頻輸入可以很容易地激發(fā)該系統(tǒng)的未建模特性，從而影響系統(tǒng)的控制性能。因此，抖振現(xiàn)象給變結(jié)構(gòu)控制在系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來了經(jīng)濟(jì)上的困難。由于變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的滑模的不變性被人們認(rèn)識(shí)并了解，這種理想的魯棒性對于工程應(yīng)用來說，非常的有吸引力。精密伺服系統(tǒng)具有許多不利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的因素，例如非線性因素，外部干擾和參數(shù)擾動(dòng)。離散滑模變結(jié)構(gòu)控制由于企業(yè)自身的缺點(diǎn)，很難直接應(yīng)用于精密伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，由控制技術(shù)輸出的高頻振動(dòng)會(huì)損壞在伺服系統(tǒng)中的電機(jī)和其他相關(guān)設(shè)備[13]。為了將數(shù)據(jù)離散滑模變結(jié)構(gòu)內(nèi)部控制技術(shù)應(yīng)用到伺服信息系統(tǒng)中，以真正發(fā)揮其強(qiáng)大的魯棒性，有必要對傳統(tǒng)的離散滑模變結(jié)構(gòu)控制問題進(jìn)行管理和改進(jìn)，并找到解決方法。顫動(dòng)現(xiàn)象提高了對離散滑模控制器的研究，在一定程度上減少了有害的顫動(dòng)，從而確保了滑?？刂频牟蛔冃?。因此，改進(jìn)傳統(tǒng)的離散滑模變結(jié)構(gòu)控制并減少顫振[14]已成為研究的重點(diǎn)。1.3滑模控制理論研究方向1.3.1抖振產(chǎn)生的主要原因（1）時(shí)差開關(guān)：在開關(guān)表面附近，由于開關(guān)的時(shí)差，對狀態(tài)的控制功能的確切變化延遲一定時(shí)間：此外，由于控制量的振幅隨著狀態(tài)量的振幅而逐漸減小，因此它由衰減的三角波在光滑滑動(dòng)模具上的疊加表示。（2）空間發(fā)展滯后開關(guān)∶切換磁滯與工作空間量變化的狀態(tài)空間中的“盲區(qū)”是處于等效狀態(tài)的。因此，結(jié)果是疊加在平滑的滑動(dòng)表面上的恒定振幅波形。（3）影響系統(tǒng)慣性:由于該系統(tǒng)的控制力不能是無窮的，任何物理系統(tǒng)的能量不能是無窮的，正因?yàn)槿绱?，所以系統(tǒng)的加速度被限制。另外，始終存在著系統(tǒng)的慣性。因此，控制切換與時(shí)間滯后是相互依存的關(guān)系。（4）離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身發(fā)展造成的抖振∶離散信息系統(tǒng)的滑動(dòng)模式是“準(zhǔn)滑動(dòng)模式”。它的轉(zhuǎn)換技術(shù)動(dòng)作能力并不是在不斷轉(zhuǎn)換的表面上發(fā)生的，而是在以原點(diǎn)為頂點(diǎn)的圓錐體表面上發(fā)生的。因此，存在減弱的顫動(dòng)。圓錐的大小與抖振的大小是相輔相成的。與采樣周期有關(guān)的變量是椎體的大小。簡言之，振動(dòng)的原因是當(dāng)系統(tǒng)的軌跡到達(dá)切換表面時(shí)，其速度有限且較大，慣性導(dǎo)致移動(dòng)點(diǎn)穿過切換表面，從而最終形成震動(dòng)，疊加在理想的滑動(dòng)模式上。對于實(shí)際的計(jì)算機(jī)采樣系統(tǒng)來說，計(jì)算機(jī)的高速邏輯變換和高準(zhǔn)確度的數(shù)值計(jì)算，時(shí)間和空間滯后與開關(guān)本身幾乎不存在關(guān)聯(lián)。因此，抖動(dòng)的根本原因是引起開關(guān)的切換行為的控制不連續(xù)性。在實(shí)際的管理系統(tǒng)中，滯后的空間信息，滯后的工作時(shí)間，系統(tǒng)的慣性，測量誤差，系統(tǒng)的時(shí)延等因素，高速滑動(dòng)模式下的頻率振動(dòng)與變結(jié)構(gòu)控制相互依存。抖振不僅影響控制，提高能源資源消耗的準(zhǔn)確性，并通過系統(tǒng)的高頻未建模研究動(dòng)態(tài)，很容易破壞系統(tǒng)的性能，甚至造成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)振動(dòng)或不穩(wěn)定性，并損壞控制器組件。因此，可變結(jié)構(gòu)控制的主要工作已經(jīng)變成了消除變結(jié)構(gòu)控制信號(hào)的抖動(dòng)的研究。1.3.2消除抖振的方法國內(nèi)外對滑模控制的抗抖振研究很多，許多學(xué)者從不同角度提出了解決方案。截至目前為止，具有代表性的研究工作如下所示：1.動(dòng)態(tài)滑模方法在滑?？刂频膫鹘y(tǒng)方法中，切換函數(shù)通常僅被系統(tǒng)狀態(tài)所決定，與控制輸入量幾乎毫無關(guān)系，不連續(xù)項(xiàng)會(huì)直接傳輸?shù)娇刂破髦邪l(fā)揮作用。動(dòng)態(tài)滑模方法是將常規(guī)變結(jié)構(gòu)控制中的切換函數(shù)，通過微分教學(xué)環(huán)節(jié)的建立，使得新的切換函數(shù)σ被構(gòu)建，此切換函數(shù)和系統(tǒng)內(nèi)部控制信息輸入的一階甚至更高階導(dǎo)數(shù)的研究息息相關(guān)，可以將作用不大的連續(xù)項(xiàng)向控制的一階或更高階導(dǎo)數(shù)中轉(zhuǎn)移，從而使在時(shí)間上基礎(chǔ)的連續(xù)的動(dòng)態(tài)滑?？刂坡时猾@取。這使抖振有效的被減少。G.Bartolini等通過設(shè)計(jì)開關(guān)函數(shù)的二次導(dǎo)數(shù)，具有無模型動(dòng)力學(xué)和不確定性的機(jī)械系統(tǒng)的無抖振滑?？刂票粚?shí)現(xiàn)，從而將該方法擴(kuò)展到了多輸入系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)滑動(dòng)模式控制器被用來獲得一個(gè)基本上連續(xù)的動(dòng)態(tài)變結(jié)構(gòu)控制，從而有效地消除抖振。該系統(tǒng)已成功地在倉庫摩擦機(jī)械系統(tǒng)和機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)中被應(yīng)用。M.Hamerlain等使動(dòng)態(tài)滑?？刂票挥糜谠跈C(jī)器人臂上，從而使抖振有效的被消除。晁紅敏等采用動(dòng)態(tài)滑?？刂朴糜趯?shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的跟蹤控制，從而使抖振現(xiàn)象明顯的被消除。1.模糊方法一種是根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，以降低抖振來設(shè)計(jì)進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)邏輯結(jié)構(gòu)規(guī)則，或采用基于模糊理論邏輯可以實(shí)現(xiàn)滑?？刂萍夹g(shù)參數(shù)的自調(diào)整，可有效地通過降低滑?？刂频亩墩?另一種是利用信息模糊管理系統(tǒng)的通用逼近特性來逼近外部環(huán)境的干擾和不確定性，并補(bǔ)償或逼近滑?？刂破鞯拈_關(guān)部分，即與控制不連續(xù)有關(guān)的信號(hào)處理成連續(xù)的，可以減少或避免滑?？刂频亩秳?dòng)現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的模糊滑?？刂浦?，控制目標(biāo)中的滑模函數(shù)被跟蹤誤差所轉(zhuǎn)化。對于模糊控制器來說，輸入不是?,?，而是s,s，將滑模表面歸零的做法是使模糊規(guī)則被設(shè)計(jì)。B.Yoo等。使用模糊系統(tǒng)從而使未知函數(shù)被近似。KYZhuang等人使用的信息模糊綜合控制，分析上線估計(jì)和核算系統(tǒng)的不確定項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)快速切換增益的模糊自我調(diào)整。在確?；＿_(dá)到可滿足的條件的情況下，盡量減少開關(guān)增益，以減少抖振。與滑?？刂朴嘘P(guān)的抖動(dòng)指標(biāo)被S.H.Ryu等建立，目的是為了減少抖動(dòng)設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則。當(dāng)前振動(dòng)指數(shù)的大小屬于模糊規(guī)則的輸入，而邊界層厚度的變化屬于模糊規(guī)則的輸出。利用模糊推理，使得邊界層厚度的自適應(yīng)調(diào)整被形成。一種基于模糊邏輯的連續(xù)滑?？刂品椒ū粡?zhí)炱降热颂岢?，該方法避免抖?dòng)的原理是在滑?？刂浦胁捎眠B續(xù)模糊邏輯切換而不是不連續(xù)切換。一種基于模糊自學(xué)習(xí)的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法被孫宜標(biāo)等人提出，控制器輸出為u=u3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法正因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具有一般逼近特性，所以我們可以很好地利用它。它可以使外部干擾和不確定性被逼近和補(bǔ)償，或者使滑?？刂破鞯拈_關(guān)部分被逼近，從而使控制信號(hào)由不連續(xù)變成連續(xù)，從而使滑模控制的顫振現(xiàn)象有效的被減少。H.森岡等人使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使線性系統(tǒng)非線性部分，不確定部分和未知外部擾動(dòng)的在線估計(jì)被實(shí)現(xiàn)，并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使得等效控制被實(shí)現(xiàn)，從而使抖振有效的被消除。開發(fā)新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑?？刂频囊环N研究方法被M.Ertugrul等人提出，此方法建議使用以下兩個(gè)不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)等效滑?？刂乒芾聿糠植⒃诓皇褂脤ο竽Ｐ偷那闆r下有效地切換滑?？刂频默F(xiàn)有部分消除除了通過控制器顫動(dòng)，這種方法已被成功地應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人的軌跡跟蹤。S.J.Huang等正因?yàn)榱私馍窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力，所以利用它，使切換函數(shù)s被用作網(wǎng)絡(luò)的輸入端，基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的滑動(dòng)模式控制器被設(shè)計(jì)，所述控制器被完全連續(xù)的RBF功能所實(shí)現(xiàn)，切換項(xiàng)被取消，并且抖動(dòng)也被消除。達(dá)飛鵬等人使滑動(dòng)模式控制器被分為兩個(gè)部分，分別是是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑?？刂破骱途€性反饋控制器，其采用了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，從而使替換滑?？刂浦械姆?hào)函數(shù)被替換，以確?？刂坡傻倪B續(xù)性。從而使抖振被清除的一干二凈。1.3.3局限性（1）對于不同的問題，采用不同的方法是解決問題的核心。例如，在不確定性和水干擾的狀態(tài)，趨近律方法將具有良好的抖振抑制效果，但是當(dāng)不確定性或干擾比較大時(shí)，則需要更改其他的方法。（2）對于相同的問題，使用不同的方法是解決問題最好的建議。例如，對于外部擾動(dòng)引起的抖振，可以采用干動(dòng)態(tài)滑模方法消除抖振，也可以采用可變開關(guān)增益方法減小抖振。（3）局限性存在于每一種方法之中。針對復(fù)雜的控制管理的問題，有必要結(jié)合起來需要用到的方法，并使需要用到的方法互相配合，真正達(dá)到理想的無抖振滑?？刂?。例如，模糊或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以使摩擦被補(bǔ)償，干擾觀察器方法可以使由干擾引起的顫動(dòng)被消除，濾波方法可以使未建模的動(dòng)態(tài)能量顫動(dòng)被消除，而準(zhǔn)滑動(dòng)模式方法可以進(jìn)一步使抖振被減少。又如，通過遺傳算法，優(yōu)化完的模糊控制規(guī)則或設(shè)計(jì)完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以使消除抖動(dòng)的最佳效果被展現(xiàn)。1.4滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)缺點(diǎn)能夠解決系統(tǒng)的不確定性是滑?？刂频淖钪饕膬?yōu)點(diǎn),對于干擾和未建模動(dòng)態(tài)來說，具有很強(qiáng)的魯棒性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)方法被有些學(xué)者應(yīng)用于空間機(jī)器人控制上。一類非線性系統(tǒng)的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制方法被研究，滑?？刂破骱蚉I控制器的組合模糊邏輯控制器被設(shè)計(jì)，從而使各控制器的優(yōu)點(diǎn)被有效的發(fā)揮出來。也使基于有限時(shí)間機(jī)理的快速滑?？刂品椒ū惶岢?，并給出了與普通滑?？刂菩阅艿谋容^，從而使得非奇異滑?？刂品椒ㄒ脖惶崃顺鰜?，并使分等級(jí)控制結(jié)構(gòu)以簡化控制器設(shè)計(jì)被提出。尤其良好的控制效果在對非線性系統(tǒng)的控制上得到了極好的體現(xiàn)。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在機(jī)器人控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用的原因是算法很簡單，響應(yīng)速度快，對外界噪聲干擾和參數(shù)攝動(dòng)具有魯棒性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)方法被有些學(xué)者應(yīng)用于空間機(jī)器人控制上。上述這些方法在實(shí)際系統(tǒng)中雖然已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，但無論是自適應(yīng)滑?？刂七€是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，均使得系統(tǒng)復(fù)雜性與物理實(shí)現(xiàn)難度被增加。顯然，我們需要尋找具有良好效能并易于實(shí)現(xiàn)的控制。產(chǎn)生抖振的原因是當(dāng)狀態(tài)軌跡到達(dá)滑動(dòng)模態(tài)面后，沿著滑動(dòng)模態(tài)面向平衡點(diǎn)滑動(dòng)難以很精確的被實(shí)現(xiàn)，在兩側(cè)來回往返地靠近平衡點(diǎn)。這是滑?？刂频娜秉c(diǎn)。1.5重要意義近些年來，滑模變結(jié)構(gòu)方法受到越來越多的重視的原因是具有許多的優(yōu)良特性[15]