非线性电力系统中的滑模变结构控制

2018-12-06

商品与质量 2018年39期

中核辽宁核电有限公司辽宁葫芦岛 125112

滑模变结构控制是近年来受到广泛欢迎的一种控制方法，现已成为自动控制领域一个相对独立的研究分支。因此，本论文主要介绍滑模变结构控制理论的发展及典型特征。

1 滑模变结构控制理论的建立和发展

变结构控制理论是在20世纪60年代初期，由三位前苏联学者首次提出，这一理论的提出更多地是通过相平面法分析二阶系统以及单输入高阶系统的特性。经过多年的发展，变结构控制系统的设计理念不断丰富，多种变结构控制方法应运而生。变结构控制实际是一种特殊的非线性控制方法，该控制具有不连续性，这是与其他控制方法的本质区别。所谓不连续性，是指在这种控制方法中，系统的“结构”并不是始终不发生变化的，而是可以根据系统参数等的变化进行相对应的改变。变结构控制方法中较为典型的即为滑动模态变结构控制，简称滑模变结构控制，如今已成为变结构控制理论中的重要组成部分[1]。

滑模变结构控制则是通过改变系统的结构使得系统在某一个固定的子流层上运动，即按照“滑动模态”的状态轨迹运动。这种控制方法具有鲁棒性强、对外部干扰敏感性低、动态品质佳以及响应速度快等典型特点，因此被广泛应用于自动控制领域[2,3]。

滑模变结构控制是在控制过程中先将系统的运动状态改变到滑模层上，这一过程称为“到达”，变结构的作用就是要使系统在最短的时间内到达限定的子流层上，一旦到达该切换面后，系统将不受到外界扰动和对象参数变化的影响，并会沿着该平面到达原点，此时系统的动态稳定性只与滑模面的选择和其参数有关。基于以上特征，滑模变控制方法具有鲁棒性强、动态品质优良等优点，因此被广泛应用于自动控制领域[4]。

2 滑模变结构控制基本原理

3 滑模变结构控制的抖振产生原因

抖振是滑模变结构控制中的一种典型的问题，它普遍存在于滑模变控制系统内。传统的控制率常选择符号函数，这种函数只有在理想情况下才会有无延迟的开关特性。但对于一个实际的物理系统来说，它的加速度是有限的，系统的滑动模态是不可能始终进行光滑的降维运动而达到原点的，因此必定将在滑模面上增加“额外”的一个锯齿波，继而产生抖动现象，而减小抖振的同时又会降低控制系统的鲁棒性。故而在工程应用中，我们需要综合考虑各种因素，选择合适的滑模面。

抖振产生的主要原因大体分为以下几类：（1）系统惯性：对于任一实际的物理系统来说，它的能量都是有限的，即系统控制量是有限的，因此系统的加速度也是有限的，而这种惯性的存在势必会导致切换滞后，进而产生抖振。（2）开关时间滞后：延迟了控制作用在滑模面附件对状态变化的时间，控制量的幅值将随着状态量幅值的减小而减小，这就会导致在光滑的滑模面上出现一个衰减的三角波。（3）开关空间滞后：在状态空间中，状态量变化的“死区”是实际存在的，因此相当于滑模面上叠加一个等幅的波形。（4）系统自身属性：通常情况下，控制系统本身所在的时间和空间滞后要远大于开关的时间和空间滞后，因此将会导致更大的抖振现象产生，更需引起控制系统设计人员的重视。

4 抑制抖振的主要方法

简言之，产生抖振的原因就在于系统在到达我们所设定的切换面时，它的速度是有限的，因此系统必定会因为惯性而穿过此滑模面，最终产生抖振现象[5-6]。而为了合理控制这种抖振现象，近年来也提出多种解决方法，主要包括：（1）趋近律法：这是最常用的消除抖振的方法，一般情况下，通过选取相对理想的滑模面，使得系统状态向滑模面的趋近速度发生改变，进而控制系统状态的到达速度，实现抑制系统抖振的目标。利用这种方法，可以使得运动轨迹在趋近于滑模面时，速度可逐步降低为零，而当运动轨迹远离滑模面时，趋向速度增大，加快系统对运动轨迹的动态响应,进而起到减小抖振的效果。（2）将继电特性替换为饱和特性：即采用饱和函数替代符号函数。因符号函数将产生瞬时的阶跃，导致系统在切换面附近产生较高的增益，但利用饱和特性将其替代，可以很好地缓解结构的不连续性，减小抖振的发生。（3）利用干扰观测器：通过设计合适的干扰观测器对外界干扰进行补偿。（4）积分函数滑模面法：该方法中的滑模面本身具有积分成分，而不是在系统中增加积分器再设计滑模面，这样可使系统的稳态误差有效降低。（5）多种控制理论结合：若仅利用滑模控制，受控制理论本身的限制，系统很难达到优良的静态和动态指标，因此与先进的控制方法融合，可实现优势互补，在增强鲁棒性的同时，减小抖振。例如遗传控制、神经网络控制、模糊控制等。