滑模变结构控制在工业控制领域的应用

高旺（东北石油大学，黑龙江大庆163318）

滑模变结构控制在工业控制领域的应用

高旺（东北石油大学，黑龙江大庆163318）

变结构控制经过几十年的发展，已经成为用来设计自动控制系统的一种非常重要的方法。变结构控制是一个具有相对独立性的研究分支。普遍适用性、抗干扰的鲁棒性、控制方法的简单实用性等巨大优势使得变结构控制在相关领域得到了广泛的研究与应用。60年代到70年代这一电子学发展的黄金时期，控制理论、信息论、滤波理论以及电力电子学的最新成就极大的促进了滑动模态变结构控制的研究和实现。这些最新成果使得滑模变结构系统理论成为各大学者研究的重点。

滑模变结构；系统；自动控制

滑模变结构控制属于一种特殊的非线性控制,控制的不连续性是其最明显的非线性特征。系统的“结构”具有的不固定性使得这种控制策略区别于其他控制。不固定性表现为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)有目的进行变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以排除对象参数及扰动的干预,这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识、物理实现简单等巨大优势。该方法也有缺点，缺点表现为：沿着状态轨迹到达滑模面后,很难精准的沿着滑模面滑向平衡点,而是来回穿越于滑模面两侧,以致发生颤动[1]。

1 离散时间系统变结构控制的理论基础

计算机实时控制已经发展壮大，逐渐应用于工业控制领域中各个行业，这类控制系统需要实现进行离散化和采样处理，然后再利用计算机进行实时控制。对于滑模控制系统，由于其控制量本身具有非连续特征，使得离散系统的角度成为了进行研究其特性和相应的设计方法时必须的切入点。

离散时间系统的变结构控制的基本原理分为两个基本内容，和连续系统如出一辙。

（1）选择切换函数s(x((k))，使得切换面上存在滑动模态，并保持滑动模态全局渐进稳定;

(2)求解变结构控制u=u±(k),使得从任意初始点的运动在有限时间内到达切换面s(k)=0。

但是，离散时间系统与连续时间系统在状态x的取值上有着明显的区别，区别具体表现在时间序列上，时间序列：x(t):t=0,Δ,2Δ,ℑ,kΔ,ℑ。其中Δ表示时间间隔即采样周期，且假定Δ为常数。于是在相平面（相空间）上，表示系统状态的点，从初始状态出发后给出的不是一条连续的曲线，而是一个点列。这就决定了系统状态几乎无法实现在某个时刻到达切换面并一直在其。将连续时间系统变结构控制的概念和方法推广到离散情形时，离散化带来的新特点重新研究要优先考虑[2]。

2 滑模变结构控制基本原理

在非线性控制领域，鲁棒控制的典型代表是滑模变结构控制。它的突出优点是滑动模态对于参数摄动和外界扰动等不确定因素具有不敏感性，并且滑动模态的动态品质是可以预先设计的。变结构控制方法以其设计简单且具有优越的鲁棒性这一独特的优势而成为控制理论领域研究的热点之一。

80年代后期,滑模控制理论引起了我国学者的重视，高为炳、姚琼荟、王丰尧、胡跃明等人在这方面作了大量的研究。随着计算机和高新电子产业的发展成熟，滑模变结构控制器更易于实现。滑模控制研究已涉及到离散系统、分布参数系统、时滞系统等众多复杂的系统[3]。

3 结语

虽然变结构控制理论近年来取得了一定的研究进展，但仍有许多理论问题尚待解决。在应用研究方面，目前局限于机器人、电机及航天器等对象。特别对变结构控制与有关智能控制方法如模糊控制、神经网络及遗传算法等先进控制技术的综合应用还处于起步阶段迫切需要开展系统的应用开发研究工作。

[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，在读研究生，研究方向：控制工程。