非線性電力系統(tǒng)中的滑模變結(jié)構(gòu)控制

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滑模變結(jié)構(gòu)控制是近年來(lái)受到廣泛歡迎的一種控制方法，現(xiàn)已成為自動(dòng)控制領(lǐng)域一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究分支。因此，本論文主要介紹滑模變結(jié)構(gòu)控制理論的發(fā)展及典型特征。

1 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論的建立和發(fā)展

變結(jié)構(gòu)控制理論是在20世紀(jì)60年代初期，由三位前蘇聯(lián)學(xué)者首次提出，這一理論的提出更多地是通過(guò)相平面法分析二階系統(tǒng)以及單輸入高階系統(tǒng)的特性。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念不斷豐富，多種變結(jié)構(gòu)控制方法應(yīng)運(yùn)而生。變結(jié)構(gòu)控制實(shí)際是一種特殊的非線性控制方法，該控制具有不連續(xù)性，這是與其他控制方法的本質(zhì)區(qū)別。所謂不連續(xù)性，是指在這種控制方法中，系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不是始終不發(fā)生變化的，而是可以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)等的變化進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的改變。變結(jié)構(gòu)控制方法中較為典型的即為滑動(dòng)模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制，簡(jiǎn)稱滑模變結(jié)構(gòu)控制，如今已成為變結(jié)構(gòu)控制理論中的重要組成部分[1]。

滑模變結(jié)構(gòu)控制則是通過(guò)改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)在某一個(gè)固定的子流層上運(yùn)動(dòng)，即按照“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。這種控制方法具有魯棒性強(qiáng)、對(duì)外部干擾敏感性低、動(dòng)態(tài)品質(zhì)佳以及響應(yīng)速度快等典型特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域[2,3]。

滑模變結(jié)構(gòu)控制是在控制過(guò)程中先將系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變到滑模層上，這一過(guò)程稱為“到達(dá)”，變結(jié)構(gòu)的作用就是要使系統(tǒng)在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)限定的子流層上，一旦到達(dá)該切換面后，系統(tǒng)將不受到外界擾動(dòng)和對(duì)象參數(shù)變化的影響，并會(huì)沿著該平面到達(dá)原點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性只與滑模面的選擇和其參數(shù)有關(guān)?；谝陨咸卣?，滑模變控制方法具有魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)品質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域[4]。

2 滑模變結(jié)構(gòu)控制基本原理

3 滑模變結(jié)構(gòu)控制的抖振產(chǎn)生原因

抖振是滑模變結(jié)構(gòu)控制中的一種典型的問題，它普遍存在于滑模變控制系統(tǒng)內(nèi)。傳統(tǒng)的控制率常選擇符號(hào)函數(shù)，這種函數(shù)只有在理想情況下才會(huì)有無(wú)延遲的開關(guān)特性。但對(duì)于一個(gè)實(shí)際的物理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的加速度是有限的，系統(tǒng)的滑動(dòng)模態(tài)是不可能始終進(jìn)行光滑的降維運(yùn)動(dòng)而達(dá)到原點(diǎn)的，因此必定將在滑模面上增加“額外”的一個(gè)鋸齒波，繼而產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，而減小抖振的同時(shí)又會(huì)降低控制系統(tǒng)的魯棒性。故而在工程應(yīng)用中，我們需要綜合考慮各種因素，選擇合適的滑模面。

抖振產(chǎn)生的主要原因大體分為以下幾類：（1）系統(tǒng)慣性：對(duì)于任一實(shí)際的物理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的能量都是有限的，即系統(tǒng)控制量是有限的，因此系統(tǒng)的加速度也是有限的，而這種慣性的存在勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致切換滯后，進(jìn)而產(chǎn)生抖振。（2）開關(guān)時(shí)間滯后：延遲了控制作用在滑模面附件對(duì)狀態(tài)變化的時(shí)間，控制量的幅值將隨著狀態(tài)量幅值的減小而減小，這就會(huì)導(dǎo)致在光滑的滑模面上出現(xiàn)一個(gè)衰減的三角波。（3）開關(guān)空間滯后：在狀態(tài)空間中，狀態(tài)量變化的“死區(qū)”是實(shí)際存在的，因此相當(dāng)于滑模面上疊加一個(gè)等幅的波形。（4）系統(tǒng)自身屬性：通常情況下，控制系統(tǒng)本身所在的時(shí)間和空間滯后要遠(yuǎn)大于開關(guān)的時(shí)間和空間滯后，因此將會(huì)導(dǎo)致更大的抖振現(xiàn)象產(chǎn)生，更需引起控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的重視。

4 抑制抖振的主要方法

簡(jiǎn)言之，產(chǎn)生抖振的原因就在于系統(tǒng)在到達(dá)我們所設(shè)定的切換面時(shí)，它的速度是有限的，因此系統(tǒng)必定會(huì)因?yàn)閼T性而穿過(guò)此滑模面，最終產(chǎn)生抖振現(xiàn)象[5-6]。而為了合理控制這種抖振現(xiàn)象，近年來(lái)也提出多種解決方法，主要包括：（1）趨近律法：這是最常用的消除抖振的方法，一般情況下，通過(guò)選取相對(duì)理想的滑模面，使得系統(tǒng)狀態(tài)向滑模面的趨近速度發(fā)生改變，進(jìn)而控制系統(tǒng)狀態(tài)的到達(dá)速度，實(shí)現(xiàn)抑制系統(tǒng)抖振的目標(biāo)。利用這種方法，可以使得運(yùn)動(dòng)軌跡在趨近于滑模面時(shí)，速度可逐步降低為零，而當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡遠(yuǎn)離滑模面時(shí)，趨向速度增大，加快系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)態(tài)響應(yīng),進(jìn)而起到減小抖振的效果。（2）將繼電特性替換為飽和特性：即采用飽和函數(shù)替代符號(hào)函數(shù)。因符號(hào)函數(shù)將產(chǎn)生瞬時(shí)的階躍，導(dǎo)致系統(tǒng)在切換面附近產(chǎn)生較高的增益，但利用飽和特性將其替代，可以很好地緩解結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，減小抖振的發(fā)生。（3）利用干擾觀測(cè)器：通過(guò)設(shè)計(jì)合適的干擾觀測(cè)器對(duì)外界干擾進(jìn)行補(bǔ)償。（4）積分函數(shù)滑模面法：該方法中的滑模面本身具有積分成分，而不是在系統(tǒng)中增加積分器再設(shè)計(jì)滑模面，這樣可使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差有效降低。（5）多種控制理論結(jié)合：若僅利用滑?？刂?，受控制理論本身的限制，系統(tǒng)很難達(dá)到優(yōu)良的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，因此與先進(jìn)的控制方法融合，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在增強(qiáng)魯棒性的同時(shí)，減小抖振。例如遺傳控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，在非線性電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制中，滑模變結(jié)構(gòu)控制方法雖有抖振現(xiàn)象，但因其魯棒性強(qiáng)，通過(guò)多種理論結(jié)合等方式可以很好地消除抖振，在后續(xù)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制研究中具有較好的應(yīng)用前景。