滑模變結(jié)構(gòu)控制在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

高旺（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318）

滑模變結(jié)構(gòu)控制在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

高旺（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318）

變結(jié)構(gòu)控制經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為用來(lái)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種非常重要的方法。變結(jié)構(gòu)控制是一個(gè)具有相對(duì)獨(dú)立性的研究分支。普遍適用性、抗干擾的魯棒性、控制方法的簡(jiǎn)單實(shí)用性等巨大優(yōu)勢(shì)使得變結(jié)構(gòu)控制在相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用。60年代到70年代這一電子學(xué)發(fā)展的黃金時(shí)期，控制理論、信息論、濾波理論以及電力電子學(xué)的最新成就極大的促進(jìn)了滑動(dòng)模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制的研究和實(shí)現(xiàn)。這些最新成果使得滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理論成為各大學(xué)者研究的重點(diǎn)。

滑模變結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)；自動(dòng)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制屬于一種特殊的非線性控制,控制的不連續(xù)性是其最明顯的非線性特征。系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”具有的不固定性使得這種控制策略區(qū)別于其他控制。不固定性表現(xiàn)為在動(dòng)態(tài)過(guò)程中根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)(如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等)有目的進(jìn)行變化,迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。由于滑動(dòng)模態(tài)可以排除對(duì)象參數(shù)及擾動(dòng)的干預(yù),這就使得變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏、無(wú)需系統(tǒng)在線辯識(shí)、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等巨大優(yōu)勢(shì)。該方法也有缺點(diǎn)，缺點(diǎn)表現(xiàn)為：沿著狀態(tài)軌跡到達(dá)滑模面后,很難精準(zhǔn)的沿著滑模面滑向平衡點(diǎn),而是來(lái)回穿越于滑模面兩側(cè),以致發(fā)生顫動(dòng)[1]。

1 離散時(shí)間系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制的理論基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制已經(jīng)發(fā)展壯大，逐漸應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中各個(gè)行業(yè)，這類控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)進(jìn)行離散化和采樣處理，然后再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。對(duì)于滑?？刂葡到y(tǒng)，由于其控制量本身具有非連續(xù)特征，使得離散系統(tǒng)的角度成為了進(jìn)行研究其特性和相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法時(shí)必須的切入點(diǎn)。

離散時(shí)間系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制的基本原理分為兩個(gè)基本內(nèi)容，和連續(xù)系統(tǒng)如出一轍。

（1）選擇切換函數(shù)s(x((k))，使得切換面上存在滑動(dòng)模態(tài)，并保持滑動(dòng)模態(tài)全局漸進(jìn)穩(wěn)定;

(2)求解變結(jié)構(gòu)控制u=u±(k),使得從任意初始點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面s(k)=0。

但是，離散時(shí)間系統(tǒng)與連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)在狀態(tài)x的取值上有著明顯的區(qū)別，區(qū)別具體表現(xiàn)在時(shí)間序列上，時(shí)間序列：x(t):t=0,Δ,2Δ,?,kΔ,?。其中Δ表示時(shí)間間隔即采樣周期，且假定Δ為常數(shù)。于是在相平面（相空間）上，表示系統(tǒng)狀態(tài)的點(diǎn)，從初始狀態(tài)出發(fā)后給出的不是一條連續(xù)的曲線，而是一個(gè)點(diǎn)列。這就決定了系統(tǒng)狀態(tài)幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)在某個(gè)時(shí)刻到達(dá)切換面并一直在其。將連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制的概念和方法推廣到離散情形時(shí)，離散化帶來(lái)的新特點(diǎn)重新研究要優(yōu)先考慮[2]。

2 滑模變結(jié)構(gòu)控制基本原理

在非線性控制領(lǐng)域，魯棒控制的典型代表是滑模變結(jié)構(gòu)控制。它的突出優(yōu)點(diǎn)是滑動(dòng)模態(tài)對(duì)于參數(shù)攝動(dòng)和外界擾動(dòng)等不確定因素具有不敏感性，并且滑動(dòng)模態(tài)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)是可以預(yù)先設(shè)計(jì)的。變結(jié)構(gòu)控制方法以其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且具有優(yōu)越的魯棒性這一獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而成為控制理論領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

80年代后期,滑?？刂评碚撘鹆宋覈?guó)學(xué)者的重視，高為炳、姚瓊薈、王豐堯、胡躍明等人在這方面作了大量的研究。隨著計(jì)算機(jī)和高新電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成熟，滑模變結(jié)構(gòu)控制器更易于實(shí)現(xiàn)?；？刂蒲芯恳焉婕暗诫x散系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)、時(shí)滯系統(tǒng)等眾多復(fù)雜的系統(tǒng)[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然變結(jié)構(gòu)控制理論近年來(lái)取得了一定的研究進(jìn)展，但仍有許多理論問(wèn)題尚待解決。在應(yīng)用研究方面，目前局限于機(jī)器人、電機(jī)及航天器等對(duì)象。特別對(duì)變結(jié)構(gòu)控制與有關(guān)智能控制方法如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法等先進(jìn)控制技術(shù)的綜合應(yīng)用還處于起步階段迫切需要開(kāi)展系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究工作。

[1]Emelyanov S V.Automatic Control Systems of Variable Structure.Moscow:Nauka,1967,5(2):12-22.

Variable structure control after decades of develop?ment,has become used to design automatic control system is a very important method.Variable structure control is a relatively in?dependent branch of research.Universal applicability,robustness of anti-jamming,simple and practical advantages of control method,so that variable structure control has been widely studied and applied in related fields.From the 1960s to the 1970s,the golden age of the development of electronics,control theory,in?formation theory,filtering theory and the latest achievements in power electronics greatly promoted the study and realization of sliding mode variable structure control.These latest achievements make the sliding mode variable structure system theory become the focus of the major scholars.

sliding mode variable structure;system;automatic control

高旺（1992-），男，吉林省德惠市人，在讀研究生，研究方向：控制工程。