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滑模控制(1)

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忆风 发表于 2020-11-7 22:56:08 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
本帖最后由 忆风 于 2020-11-7 23:00 编辑

滑模变结构控制的简介及发展史
       滑模控制(sliding mode control, SMC)也叫变结构控制,其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。   
       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设计方法,适用于线性与非线性系统、连续与离散系统、确定性与不确定性系统、集中参数与分布参数系统、集中控制与分散控制等。并且在实际工程中逐渐得到推广应用,如电机与电力系统控制、机器人控制、飞机控制、卫星姿态控制等。这种控制方法通过控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动,使系统在受到参数摄动和外干扰时具有不变性,正是这种特性使得变结构控制方法受到各国学者的重视。
       变结构控制的发展过程大致可分为三个阶段:
(1)1957——1962年
       此阶段为研究的初级阶段。前苏联的学者 Utkin和Emelyanov在20世纪50年代提出了变结构控制的概念,其基本研究对象为二阶线性系统。
(2)1962——1970年
       50年代的学者开始针对高阶线性系统进行研究。但仍然限于单输入、单输出系统。主要讨论了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。
(3)1970年以后
       在线性空间上研究线性系统的变结构控制。主要结论为变结构控制对摄动及干扰具有不变性。1977年.V.I.Utkin发表了一篇有关变结构控制方面的综述论文, 提出了滑模变结构控制VSC和滑模控制SMC的方法。此后.各国学者对变结构控制的研究兴趣急剧上升,开始研究多维变结构系统和多维滑动模态,对变结构控制系统的研究由规范空间扩展到更一般的状态空间。K.D.Young等从工程的角度,对滑模控制进行了全面的分析,并对滑模控制所产生的抖振进行了精确的分析和评估,针对连续系统中的抑制抖振给出了上种解决方法,并针对离散系统在三种情况下的滑模设计进行了分析,为滑模控制在工程上的应用提供了有益的指导。
       对变结构控制的研究大多集中在滑动模态上,而对进人切换面之前的运动,即正常的运动段研究较少。中国学者高为炳院士等首先提出了趋近律的概念,列举了诸如等速趋近律、指数趋近律、幂次趋近律直到一般趋近律,高氏等还首次提出了自由递阶的概念。
       在解决十分复杂的非线性系统的综合问题时,变结构系统理论作为一种综合方法得到重视。但是滑模变结构对系统的参数摄动和外部干扰的不变性是以控制量的高频抖振换取的,由于在实际应用中,这种高频抖振在理论上是无限快的,没有任何执行机构能够实现;同时,这样的高频输入很容易激发系统的未建模特性,从而影响系统的控制性能。因而抖振现象给变结构控制在实际系统中的应用带来了困难。
      由于人们认识到变结构系统中的滑动模态具有不变性,这种理想的鲁棒性对工程应用也是很有吸引力的。高精度伺服系统存在着许多不利于控制系统设计的因素,如非线性因素、外干扰及参数摄动等。由于离散滑模变结构控制自身的缺点,将其直接应用到高精度的伺服系统中将会有一定的困难,因为控制输出的高频抖振会损坏伺服系统中的电机和其他设备。要将离散滑模变结构控制应用到伺服系统中,使其真正发挥它的强鲁棒性,必须对传统的离散滑模变结构控制进行改进,并针对抖振现象改进离散滑模控制器,将有害的抖振减小到一定程度,并且又要保证滑模控制的不变性。因此,对传统的离散滑模变结构控制的改进、抖振的削弱成为研究的重点。

参考文献:滑模变结构控制MATLAB仿真——基本理论与设计方法(第4版)   刘金琨  著

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