滑模变结构控制方法.ppt
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1、滑模变结构控制问题:什么是变结构系统?问题:什么是变结构系统?变结构控制(variable.structure control,VSC)本质上是一类特殊的非线性控制非线性控制,其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,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,所以又常称变结构控制为滑动模态控制(sliding mode control,SMC),即滑模变结构控制。变结构系统定义1:系统结构 系统的一种结构为系统的一种模型,即由某一组数学方程描述的模型。系统有几种不同的
2、结构,就是说它有几种(组)不同数学表达式表达的模型。定义2:滑动模态人为设定一经过平衡点的相轨迹,通过适当设计,系统状态点沿着此相轨迹渐近稳定到平衡点,或形象地称为滑向平衡点的一种运动,滑动模态的”滑动“二字即来源于此。注意:不是所有的变结构控制都能滑模控制,而滑模控制是变结构控制中最主流的设计方法。通俗说法:如果存在一个(或几个)切换函数,当系统的状态达到切换函数值时,系统从一个结构自动转换成另一个确定的结构,那么这种结构称之为变结构系统。以以右右端不连续端不连续微分方程为例:微分方程为例:具有具有右端不连续微分方程的系统可以描述为右端不连续微分方程的系统可以描述为其其中中:是是状状态态的的
3、 函函数数,为为切切换换函函数数。满满足足可可微微分分,即即 存存在在。微微分分方方程程的的右右端端 不不连连续续,结结构构变变化化得得到到体体现现,即即根根据据条条件件 的的正正负负改改变变结结构构(为为一一种种系系统统结结构构,为为另另一一种种系系统统结结构构。从从而而满满足足一一定的控制要求。定的控制要求。20世纪50年代:前苏联学者Utkin和Emelyanov提出了变结构控制的概念,研究对象:二阶线性系统。20世纪60年代:研究对象:高阶线性单输入单输出系统。主要讨论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函数的情况。1977年:Utkin发表一篇有关变结构
4、控制方面的综述论文,系统提出变结构控制VSC和滑模控制SMC的方法。同时,在1992年详细讨论了滑模技术。滑模变结构控制发展历史此后 各国学者开始研究多维滑模变结构控制系统,由规范空间扩展到了更一般的状态空间中。我国学者贡献:高为炳院士等首先提出趋近律的概念,首次提出了自由递阶的概念。海洋运载器方面的应用:Yoerger and Slotine(1985),Slotine and Li(1991),Healey and Lienard(1993)and Mc Gookin et al.(2000a,2000b)有一控制系统状态方程为有一控制系统状态方程为需要确定切换函数需要确定切换函数 求解求
5、解控制作用控制作用其中切换函数其中切换函数 应满足以下条件应满足以下条件:(1)可微可微;(2)过原点,即过原点,即滑模变结构控制的定义(1)满足可达性条件,即在切换面以外的运动点都将在有限时间内到达切换面;(2)滑动模态存在性;(3)保证滑动模态运动的稳定性;(4)达到控制系统的动态系统要求。上面的前三点是滑模变结构控制的三个基本问题,只有满足了这三个条件的控制才叫滑模变结构控制。考虑一般的情况,在系统的状态空间中,有一个切换面它将状态空间分成上下两部分 及 。我们称 为不连续面、滑模面、切换面。在在切换面上的运动点有切换面上的运动点有3种情况。种情况。(1)通常通常点点状态点处在切换面上附
6、近时,从切换面上的这个点状态点处在切换面上附近时,从切换面上的这个点穿越切换面而过,切换面上这样的点就称做作常点,穿越切换面而过,切换面上这样的点就称做作常点,如图中点如图中点A所所示。示。(2)起始点起始点状态点处在切换面上某点附近时,将从切换面的两状态点处在切换面上某点附近时,将从切换面的两边中的一边离开切换面上的这个点,切换面上这样的点就称做作起边中的一边离开切换面上的这个点,切换面上这样的点就称做作起点,如点,如图中点图中点B所示。所示。(3)终止终止点点状态点处在切换面上某点附近时,将从切换面的两状态点处在切换面上某点附近时,将从切换面的两边中的一边趋向该点,切换面上这样的点就称做作
7、止点,如边中的一边趋向该点,切换面上这样的点就称做作止点,如图中点图中点C所示。所示。在滑模变结构中,通常点和起止点无多大意义,但终止点却有特殊的含义。若切换面上某一区域内所有点都是止点,则一旦状态点趋近该区域,就会被“吸引”到该区域内运动。此时,称在切换面上所有的点都是止点的区域为“滑动模态”区域。系统在滑动模态区域中的运动就叫做“滑动模态运动”。按照滑动模态区域上的点都必须是止点这一要求,当状态点到达切换面附近时,必有:称为局部到达条件。对局部对局部到达条件扩展可得到达条件扩展可得全局到达条件全局到达条件:相应相应地,构造地,构造李雅普诺夫型到达条件李雅普诺夫型到达条件:V正定,正定,半负
8、定,且不恒为半负定,且不恒为0,系统在,系统在s=0处渐近稳定。处渐近稳定。满足满足上述到达条件,状态点将向切换面趋近,切换面为上述到达条件,状态点将向切换面趋近,切换面为止点区。止点区。滑滑模变结构控制的整个控制过程由两部分组成:模变结构控制的整个控制过程由两部分组成:正常运动段正常运动段:位于切换面之外:位于切换面之外,如如图的图的 段段所所示。示。滑动模态运动段滑动模态运动段:位于切换面上的滑动模态区之:位于切换面上的滑动模态区之内,如内,如图图 段所示。段所示。滑模变结构控制的品质 滑模变结构控制的品质取决于这两段运动的品质。由滑模变结构控制的品质取决于这两段运动的品质。由于尚不能一次
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- 滑模变 结构 控制 方法
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