湖南工业大学：滑模变结构控制原理与应用详解

滑模变结构控制是一种独特的非线性控制理论，起源于上世纪六十年代初的苏联，由Emelyanov、Utkin和Itkin等人提出。该控制方法的核心理念是通过一个切换函数作为决策规则，动态地改变闭环系统的结构，以优化不同工作状态下的性能。它的核心概念包括到达过程和滑模运动： 1. 到达过程：滑模控制的目标是在有限时间内引导系统状态达到并保持在一个预设的超平面上，这个超平面被称为滑模面。一旦系统进入滑模运动，它将在该面上进行稳定的滑动。 2. 滑模运动：滑模面的稳定性对于控制效果至关重要。当系统状态位于滑模面之外时，控制律会促使系统状态迅速接近并最终滑入滑模面，这一过程称为滑模运动。 滑模变结构控制的主要优点在于其不变性和简单性。在滑模面上，系统表现出比传统鲁棒控制更优越的不变性，使得在面对不确定性和扰动时，系统的性能更为稳定。此外，由于其简单的算法和易于工程实现的特点，使其在控制系统设计中备受欢迎。 该理论的应用领域已经非常广泛，不仅局限于最初的控制问题，还扩展到状态观测器设计、系统辨识，特别是在故障诊断领域，如国外的Edwards C. 和Leicester的研究，以及国内姜斌（南京航空大学）等学者的工作。滑模变结构控制已被应用于各种复杂系统，如离散系统、分布参数系统、存在滞后的系统、非线性大系统甚至非完整力学系统。 设计滑模变结构控制时，关键在于确定滑模面和控制律。滑模面的选择直接影响控制性能，通常选择线性结构以便于稳定性分析、参数设计和工程实现。为了确保滑动模态的存在，控制律的设计需要满足一定的滑模条件，如高为炳提出的滑动模态趋近律，其形式为sgn(S-s) * fs = S。 滑模变结构控制是一种强大的工具，它通过动态结构变化来增强系统的性能和鲁棒性，特别适用于处理非线性系统中的复杂动态行为。随着理论的不断发展和完善，滑模变结构控制在多个领域的应用前景广阔。