（电力电子与电力传动专业论文）交流电机矢量控制系统滑模变结构控制策略研究.pdf

a b s t r a c t t h ev e 斌o rc o n t r o l l e da cm o t o rd r i v ei sam u l t i - v a r i a b l es y s t e mf e a t u r i n gt i m e - v a r i a n t , n o n l i n e a ra n ds t r o n g l yc o u p l e dp a p a m e t e r s w i t ht h ea d d i t i o no fs o m en o n l i n e a ra n dr a n d o mf a c t o t _ s s u c ha sm e c h a n i c a lf r i c t i o n ，v i b r a t i o na n dl a r g el o a df l u c t u a t i o nd u r i n gi t so p e r a t i o nt h es y s t e m m a t h e m a t i c a lm o d e li sd i f f i c u l tt ob ee x a c t l yd e d u c e d t h e r e f o r em o d e mc o n t r o lt h e o r ya n d a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g ys h o u l db ea p p l i e dt oo v e r c o m et h ea b o v em e n t i o n e di n f l u e n c e st om a k e t h es y s t e mr o b u s ta n dt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h em e t h o do fs l i d e - m o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o li ss u c has t r a t e g yt h a ti sc h a r a c t e r i z e do fl o wm a t h e m a t i c a lm o d e lp r e c i s i o n , i n s e n s i t i v e n e s st os y s t e mp a r a m e t e rv a r i a t i o ne n de x t e r n a ld i s t u r b a n c e s , o m i s s i o no fp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n s ，f a s td y n a m i cr e s p o n s ea n de a s yi m p l e m e n t a t i o n t h e s ea d v a n t a g e sm a k ei ts u i t a b l e t 0h i g hp e r f o r m c ev e c t o rc o n t r o l l e da cm o t o rd r i v e s t h ed i s s e r t a t i o na i m sa tt h ea p p l i c a t i o no f s l i d e - m o d ev a r i 曲l es t r u c t u r ec o n t r o lt ov e c t o rc o n t r o l l e da cm o t o rd r i v e s a n 酬u c t i o ni sm a d eb e f o r e h a n do nt h eo 伽k e 呻场jb a s i so f s l i d i n g - m o d ev a r i a b l es t n l c r l r e c o n t r o li n c l u d i n gi t sd e s i g ng o a l ，m e t h o d , a sw e l la st h ep r o b l e m so f i n v a r i a b i l i t ya n dc h a t t e r i n ge t e t h es c h e m eo fav e c t o rc o n t r o l l e di n d u c t i o nm o t o rd r i v i n gs y s t e mi st h e na n a l y z e d a n da s l i d i n g - m o d es t r u c t u r ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt oo v e r c o m et h ed r a w b a c k so ft r a d i t i o n a lp io rp i d s c h e m e a i m e d 砒t h es e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nd r i v i n gs y s t e m , t h es t u d yi sf o c u s e do n t h em e t h o do f r o t o rs p e e di d e n t i f i c a t i o nb ys l i d i n gm o d eo b s e r v e r an o v e lv a r i a b l es t r u c t u r em r a s o b s e r v e ri sp r o p o s e da n da p p l i e df o rt h es p e e di d e n t i f i c a t i o n t h et h u sc o n s t r u c t e ds e n s o r l e s sv e c t o r c o n t r o l l e di n d u c t i o nm o t o rd r i v ei ss t u d i e db ys i m u l a t i o n w i t ht h es t u d yo nt h es t r a t e g yo fv e c t o rc o n t r o lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ，an u m b e ro f s p e e x lc o n t r o l l e r sb a s e do na d v a n c e dc o n t r o la r ea n a l y z e da n das l i d i n g - m o d e v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l l e rf o rt h es p e e dc o n t r o lo fv e c t o rc o n t r o l l e dp m s md r i v ei sd e s i g n e d a i m e da tt h es a n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lo f p m s md r i v i n gs y s t e m , t h es t u d yi sf o c u s e do nt h em e t h o d o f s p e e di d e n t i f i c a t i o nb ys l i d i n gm o d eo b s e r v e r am e t h o df o rs p e e di d e n t i f i c a t i o nb a s e do nv a r i a b l e s t r u c t u r em r a si sp r o p o s e d t h et h u sc o n s 1 1 l c t e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l l e dp m s md r i v ei s s t u d i e db ys i m u l a t i o n al a b o r a t o r yp l a t f o r mo f a cd r i v i n gs y s t e md e s i g n e da r o u n dt i sd s pc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i sc o n s t r u c t e da n dt h ea b o v em e n t i o n e dc o n t r o ls t r a t e g i e s 狮t e s t e da n ds t u d i e do ni l k c v o r d s ：a cm o t o r ；v e c t o rc o n t r o l ：s l i d e - m o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t m hp e m m a e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ；v a r i a b l es t r u c t u r em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e mls p e e d i d e n t i f i c a t i o n 插图清单 图2 1 滑动模态的存在条件1 3 图2 - 2 滑模变结构控制系统的运动组成1 6 图2 - 3 时间滞后开关切换方式2 0 图2 - 4 空问滞后开关切换方式2 0 图3 - l 在三相感应电机的物理模型2 3 图3 - 2a b c ( a b o 、o1 3 及由坐标系2 3 图3 - 3 转子磁场定向砌坐标系3 0 图3 _ 4 间接矢量控制系统3 2 图3 - 5 直接矢量控制系统3 3 图3 缶滑模变结构速度控制器简化动态结构图3 5 图3 - 7 参考值补偿的磁链计算法3 7 图3 8 观测值补偿的磁链计算法3 7 图3 - 9 电压模和电流模型构成的m r a s 3 8 图3 1 0 基于反电势的m r a s 方法3 8 图3 11 基于无功功率的m r a s 3 8 图3 1 2 基于观测器的m r a s 3 9 图3 - 1 3 扩展卡尔曼滤波器3 9 图3 1 4v s m r a s 速度辨识算法4 7 图3 1 5 交流感应电机的变结构m r a s 无速度传感器控制原理4 8 圈3 1 6 交流感应电机变结构m r a s 无速度传感器控制系统仿真平台4 9 图3 - 1 7 负载扰动时速度及磁链曲线5 0 图3 1 8 转速突变时速度及磁链曲线5 l 圈3 1 9 参数变化时速度及磁链曲线5 l 图3 - 2 0 低速时速度及磁链曲线5 2 圈4 - 1p m s m 转子结构形式5 5 图4 2p m s m 等效结构坐标图5 7 图4 - 3p m s m 的由旋转坐标系5 7 图4 _ 4p m s m 的磁链模型6 1 图4 5p m s m 的电压等效电路6 l 图4 6i , e o 控制的p m s m 矢量控制系统硒 图4 7 白校正控制系统的结构6 7 图4 8 速度环滑模变结构控制器结构图 图4 - 9 变结构l v l r a s 速度辨识算法7 8 图4 - 1 0 永磁同步电机的变结构m r a s 无速度传感器控制原理7 8 图4 - 1 | 永磁同步电机变结构m r a s 无速度传感器控制系统仿真平台7 9 图4 - 1 2 负载扰动时的速度及误差曲线8 0 图4 - 1 3 参数变化时的速度及误差曲线 图4 - 1 4 转速突变时时的速度及误差曲线 图5 1 交流电机矢量控制系统数字控制结构图8 3 图5 - 2 交一直一交电压型逆变器一- 8 4 图5 3 智能功率模块的功能结构图髓 图5 - 4d s p 电源管理、复位电路8 7 图5 - 5 交流电流采样电路8 8 图5 - 6 交流电压采样电路“鹋 图5 - 7 直流电压采样电路羽 图5 - 8 光电编码器接口电路8 9 图5 - 9i o 输出接口电路9 0 图5 1 0 c a n 总线接口电路9 0 图5 - 1 1r s 4 8 5 串行通讯接口电路9 l 图5 1 2 驱动控制电路9 1 图5 1 3 主程序流程图 图5 - 1 4 定时器t l 下溢中断服务子程序流程图9 4 图5 - 1 5 子程序流程图 图5 - 1 6s v p w m 子程净流程 图5 - 1 7 功率保护中断子程序 图5 1 8 空载启动时转速辨识曲线9 7 图5 ，1 9 转速阶跃变化时的转速辨识曲线9 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金起王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 靴敝储躲歹，幺谚签字隰节鳓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目墨王 些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 2 ，矢影 导师签名：学位论文作者签名： 2 以彩 导师签名： 签字日期：却严严月形日 学位论文作者毕业执为多锄唆 工作单位；匀，d 孑例 通：刍砂多所讼尹锻压 辩醐岬年 月摩 l l ， 电话： 郎缠： 啊t 识噜确、 护知t 致谢 本论文是在导师张崇巍教授的精心指导下完成的。在三年的博士研究生学习过程中，导 师在学习、科研和生活等方面给予了学生无微不致的关怀导师在电力电子、运动控制等方 面的深厚造诣、严谨的治学态度、广博的理论知识，丰富的工作经验、务实的工作作风对学 生影响至深。值此论文完成之际，谨向导师表示衷心的感谢和诚挚的敬意 感谢张兴教授三年来的指导和教诲张教授严谨治学的态度、开拓进取的精神给我留下 了深刻的印象 感谢所有关心、鼓励和支持过我的朋友们，你们是我人生道路上最为宝贵的财富 最后。感谢我的家人，他们给我在精神上的鼓励和生活上的照顾，使我得以顺利完成本 论文。 王庆龙 2 0 0 7 年3 月于合肥工业大学 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 交流电机具有多变量，强藕合、非线性的特点，它的动态方程是由高阶、非线性、多变 量状态方程来描述的，因而其控制相当复杂在工业应用中，基于电压源或电流源型逆变器 传动系统的标量控制技术比较容易实现，但是电机内在的耦合效应( 即转矩和磁链均为电压 或电流和频率的函数) 导致系统响应缓慢，且因系统是高阶( 五阶) 的，使得控制系统容易失 稳，因而系统性能不令人满意”“ 矢量控制技术可以解决上述问题。2 0 世纪7 0 年代初发明的矢量控制技术采用参数重构和 状态重构的现代控制概念。实现了电机定子电流的励磁分量与转矩分量之间的解偶，使得交 流电机能同直流电机一样分别对其励磁分量及转矩分量进行独立控制，从而使得交流电机的 性能可与直流电机相媲美。目前矢量控制技术在国内外已进入实用阶段“川 传统的交流电机矢量控制系统广泛采用p i 或p i d 调节器进行控制。但它存在易受系统参 数变化影响、对负载变化的适应能力差和抗干扰能力弱等显著缺点，不适台控制性能要求高 的场合瞰”而交流电机本身是一个多变量、非线性、强耦合的时变参数系统很难用精确 的数学模型来描述，而且交流电机矢量控制系统在运行过程中常因机械传动机构带来诸如间 隙、机械磨擦变形，振动等非线性问题，负载又经常大范围地变化因此，要得到高性能 的交流电机矢量控制系统就必须应用现代控制理论和先进控制策略使系统具有强鲁棒性，以 克服参数变化、负载变化及非线性因素对系统性能的影响滑模变结构控制是一种强鲁棒性 的控制方法，对系统数学模型的精度要求不高，且具有响应速度快、对参数变化及外部扰动 不敏感，无需系统在线辨识实现简单。易于计算机实现等优点，很适合交流电机矢量控制 系统” 1 2 矢量控制技术的发展现状和趋势 1 2 1 矢量控制技术出现前的电气传动控制的状况 矢量控制( v e c t o rc o n 廿0 1 ) 又称为磁场定向控制( f i e l do r i e n t e dc o n a v d ，即把交流电 机空问磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向将电机定子电流矢量正变分解为与磁场方向 一致的激磁电流分量和与磁场方向垂直的转矩电流分量，通过对激磁电流分量和转矩电流分 量分别控制，使得交流电机能象他励直流电机一样控制m “1 矢量控制的发明和发展对电 力电子技术和交流调速系统带来了巨大的变化 自1 9 5 7 年美国通用电气公司发明s c k | ；【来，以s c r 整流器为电塬的直流传动方 式非常普及，但直流调速系统存在电机容量、最高转速，环境条件受到限制及换相器、电刷 维护不便等缺点p p ”】促使人们探索新型交流调速方案。在1 9 7 0 年前后。由于快速s c r 的出现，基于s c r 变频调速系统的研究进展很快，并进入实用化阶段，如用于风机、水泵、 合花工业大学博士学位论文 传送带、轧钢辊道，纺织机、造纸机等生产设备特别是1 9 7 3 年发生的石油危机，使社会 上对变频调速的风机、水泵等生产设备节能效果的事实评价很高，但s c r 易产生误触发而 引起换相失败，造成短路，引起停机事故i 【”i 。后来改用电流型逆变器，增加电流反馈闭 环，保护短路的功能有所改善但总得来说。当时交流调速的技术水平不高处于有限调速 范围内，外部几乎无干扰才能稳定运转的状态。它只是一种单纯的调速装置，在比较复杂的 如轧钢机可逆传动方面尚不能应用 最初的变频调速是用开环u f 恒定控制。后来增加了电流环( 称为转差频率控制) 改善 了性能并已实用化。但系统只是从稳态公式推倒出的平均值控制，完全不考虑过度过程，因 而其交流调速系统的稳定性、起动及低速时的转矩动态响应与用瞬时值控制的直流调速系统 相比就略逊一等此外。交流调速系统主电路采用半导体开关电路，使得转矩脉动、谐波、 无功功率增大在2 0 世纪7 0 年代，用交流电机代替直流电机几乎是不可能的。 不管是电流型还是电压型逆变器，必须用换相电路用电容和电抗组成的换相电路。存 在体积大，重量重、换相时问长的缺点，故希望开发出不用换相电路的自励式逆变器1 9 7 1 年，器件厂做出高压g t r ，可用于2 0 0 v 的系统。这样，载波频率为3 k h z 的p w m 逆变器 开始登场可以说，这是矢量控制研究的必由之路。其后，又开发出g t r 、i g b t 模块从 此，交流传动进入了伺服控制的高精度领域选择器件为突破1 3 无疑是正确的方向 1 2 2 矢量控制技术的国内外发展现状 矢量控制理论是1 9 6 8 年首先由d a f m s h l d e r 工科大学的h a s s e 博士提出1 9 1 年 s i e m e n s 公司的b l a c h k e 又将这种一般化的概念形成系统理论，以磁场定向控制的名称在 s i e m e n sr e v i e w 上发表，并申请了专利。矢量控制的提出赋予了交流电机新的生机，大大拓 宽了交流电机的应用范围，其在理论上的新意和实用方面的前景是不容置疑的。但在当时， 矢量控制并没有很快进入实用化，主要有以下原因： i ) 矢量控制刚刚提出，理论上并没有完全成熟，需要针对具体应用不断完善理论l 2 ) 矢量控制包括坐标变换和矢量运算以及含非线性的复杂运算，其运算处理的规模比 直流调速大若干倍，若要进行实时控制必须有运算速度极快的控制系统。但在7 0 年代，计 算机技术还不发达，当时的计算机由于运算速度低、价格昂贵及体积庞大而不能广泛应用于 工业控制领域。只能用复杂的模拟电路来完成矢量控制系统，但模拟控制电路硬件结构复杂、 可靠性低且价格昂贵因而制约了矢量控制技术的实用化 3 ) 当时的电力电子技术还不足以使矢量控制技术进入实用化在7 0 年代，虽然p w m 逆变器已经出现，但g t o 和g t r 尚未完全进入实用，p w m 技术实现起来成本很高而普 通晶闸管由于本身的特点，不能利用门极关断信号使其关断，由普通晶闸管构成的逆变器必 须有复杂的换流电路才能工作，这样一方面降低了系统的可靠性，另方面，由于逆变器的 开关频率很低。不能适应矢量控制中电压、电流的快速变化。因而矢量控制技术的初期只能 应用于普通晶闸管交一交变频器 2 第一章绪论 矢量控制技术起源于德国，该技术被提出之后得到世界许多国家学者和研究机构的关 注，在其发展过程中，德、美、英、法、意、加拿大及日本等国都做了大量的研究工作欧 洲各国对矢量控制技术相当重视，在从8 0 年代中期到9 0 年代中期的欧洲电力电子会议( e p e l 论文集中，涉及到矢量控制的论文占有很大的比例。在这当中，德国的s i e m e n s 公司、 a a c h e n 技术大学电力电子和电气传动研究院和a r a u n c h w e i g 技术大学以w l e o n a r d 教授为 首的研究人员更是为矢量控制的应用作出了突出贡献，在应用微处理器的矢量控制研究中取 得了许多重大进展，促进了矢量控制的实用化。尤其是w l e o n a r d 教授。他的有关矢量控 制的文献被大量引用 日本在矢量控制技术研究方面起步也较早。早在1 9 7 2 年富士时报就发表了b l a s c h k e 的译文，之后各大学和研究机构开始着手进行研究，1 9 7 5 年前后陆续有研究论文发表和专 利申请。至8 0 年代初，日本厂家竞相研究矢量控制技术，三菱电机公司、安川电机公司和 东芝公司在这方面尤为出色1 9 9 4 年，日本电气学会特邀最早开发矢量控制产品的三菱电 机公司的中野孝良和安川电机公司的岩金以“矢量控制的幕后话”为主题开了一个座谈会， 全面生动阐述了矢量控制发展史l l q 在矢量控制技术方面，德国、日本和美国走在了世界的前列日本在研究无速度传感器 方面较为先进，主要应用于通用变频器【1 7 1 ，j ；美国的研究人员在电机参数识别方面研究比 较深入。并且将神经网络控制、模糊控制等一些最新的技术应用到这方面，在 e e e 的会议 和期刊上发表了许多论文1 2 0 ”2 1 1 而德国在将矢量控制技术应用于大功率系统方面的实力很 强，s i e m e n s 公司已经开始将矢量控制技术应用于交流传动电力机车等兆瓦级功率场合阎 我国学者对矢量控制技术进行研究的时间也比较早在8 0 年代初即有关于矢量控制的 文章发表但限于当时的技术手段和工业基础，发展并不迅速进入9 0 年代，随着国际交 流的逐渐增多，以及国外电气公司对中国市场的进入，国内学者对矢量控制技术的了解逐濒 深入。矢量控制技术的研究逐渐成为电气传动领域的热点，有关矢量控制的文章也多起来 目前，国内的研究工作主要集中在无速度传感器和电机参数识别方面 1 2 3 矢量控制技术的发展方向 目前，矢量控制技术的发展方向有以下几个方面【l q ： 1 高压大容量矢量控制装置的研制一般的6 单元p w m 逆变器输出电压只有正负两 种电平，称为双电平逆变器但利用器件的不同组合，可以做到3 电平、5 电平等多电平逆 变器其优点是可以提高逆变器容量并降低谐波。可适用于轧钢机主传动应用6 k v 、4 5 k a 的g t o 器件，已可做出总容量1 0 m v a 的逆变器，为大容量矢量控制打下基础 2 数字电流控制系统的高速化当用i g b t 代替g t r 后，由于提高了p w m 载波频率、 减少了电流纹波、提高了检测精度及缩短了上下桥背间隔使电压精度提高，从而使电流控翻 特性更优良 数字电流控制系统应用d s p 后运算速度提高，使电流采样周期大大缩短，电流检测及 3 合肥工业大学博士学位论文 反馈加上运算只需1 0 0 ps 因而就有可能在电源一周期内进行电流控制运算，转矩的高速 响应目标便能达到。 高速化的另一因素是固体驱动电路的采用。这种新型电路简称为“h w ”，可以说是一 种数字电路和模拟电路高度结合的产物。例如，p w m 信号的发生已由过去的模拟电路改为 数字电路，而a d 转换又由原来的纯软件处理变成固体电路的一部分新型固体驱动电路 的开发，实现了全心的控制思想，即由原始模拟电路( a ，w ) 一数字电路一新型混合式 电路( i - i w ) 3 电动机的非线性补偿若希望把转矩误差控制在3 以内，需要对磁通变化作修正， 即要补偿励磁电抗引起的饱和以及定子铁耗的变化i 若希望把转矩误差控制在l 以内。刖 要分别对转子和定子铁耗进行补偿 4 最大效率的控制由于矢量控制使转矩控制性能提高。且磁通的设定可变，故可在 任何负载条件下进行最大效率的控制 5 调速范围的扩大矢量控制要想达到直流调速的水平，在极低速与高速领域还存在 若干问题。因为磁通、速度观测器及转子电阻的补偿需检测电压，而在极低速时，由于输出 电压低，加之p w m 调制，容易产生误差 6 参数的自检测 自检测技术分为力学系统参数和电动机电气参数自检测两类以电 动机转动惯量为代表的力学系统参数的白检测，一般采用自适应控制和观测器理论可取得良 好的结果电气参数测定也从用空载，堵转试验改为由逆变器本身自检测，利用电动机过渡 过程曲线用模糊或人工神经网络控制加以整定 7 无速度传感器矢量控制系统的速度观测模型在建立数学模型方面，有若干方法， 综合起来有两大类： ( 1 ) 根据电动机电压、电流进行磁遥运算，并进行反馈和调整； ( 2 ) 模型参考自适应系统从理论上能保证稳定性，但运算与控制较复杂 1 3 滑模变结构控制的研究与进展 1 3 1 滑模变结构控制的发展史 根据u t l d n 的看法，变结构系统的研究历史可划分为三个时期和两个阶段 2 3 。2 4 1 ； 第一时期，1 9 5 卜1 9 6 2 年基本上研究的是二阶线性系统，以误差或其导数进行反 馈并假定反馈系数可以在两个可能的值当中取一个。系统的行为是在误差或其导数构成的 相平面内进行研究的； 第二时期，1 9 6 2 - - 1 9 7 0 年开始研究任意阶线性( 定常或时变) 系统，该系统的控 制和被调量是标量，研究方法采用误差及其导数的坐标空间( 或称规范空间) ，控制由相坐 标的作用和构成，每个相坐标都有自己的跳变系数。倘若对象受到外部扰动的作用，在辅助 装置中有输出量及其导数的局部反馈，这些反馈也带有分块定常的作用系数通常。在规范 空间中选某些平面作为主反馈和局部反馈的切换面。或者在近似实现误差导数的滤波嚣的输 出坐标的扩展空间中选切换面因此，这一时期研究的是规范空间中具有标量控制和被调量 4 第一章绪论 的分块线性系统： 第三时期，1 9 7 0 年以后，研究的问题发生了质的扩充。由规范空间转变到更一般的 状态空问，设计的系统带有向量控制，而且研究的对象是状态空间中带有非线性切换面的本 质非线性系统。 在变结构系统理论的发展过程中滑动模态起着关键作用。滑动模态早已应用在继电系 统之中，正是对继电系统的研究，引发了变结构控制的概念和方法与滑动模态变结构控制 一道。还出现过切换模态变结构控制和沿退化轨迹运动模态变结构控制后两种构造变结构 系统的方法，因其应用受限而被放弃了，只有滑动模态变结构控制站住了脚 滑动模态变结构控制系统理论的形成，经历了两个发展阶段， 第一阶段滑动模态对对象算子的不变性性质形成了第一阶段大多数研究的基础 在这一阶段，几乎有十年时间，所研究的系统仅仅是标量控制和标量被调量系统，并且是在 误差及其导数的坐标空问( 规范空间) 中进行系统的数学描述 第二阶段起始于年代和7 0 年代之交，人们不再把规范空间中的综合步骤视为 理所当然，一般形式的系统i = f ( x , u ，f ) ，砧取酊和町( j = l 。2 ，朋) 成了研究对 象，多维变结构系统和多维滑动模态构成了变结构系统理论发展第二阶段的研究课题 1 3 2 滑模变结构控制的研究进展 变结构控制是前苏联学者e m e l y a n o v 、u t k i n 和l t k i n 在2 0 世纪年代初提出的一种设计方 法当初的研究对象为二阶和单输入高阶系统，采用相平面法来分析系统特性进入7 睥代， 开始研究状态空间线性系统，使得变结构控制系统设计思想得到了不断丰富并提出了多种 变结构设计方法但这其中只有带滑动模态的变结构控制被认为是最有发展前途近年来滑 模变结构控制理论研究备受关注，研究方向主要集中在如下几个方面。 1 滑模面设计 理论上，只要使系统在滑动模态稳定，并且保留滑模变结构控制系统的各种性质。滑模 面可以有不同的结构因此，许多学者提出了各种各样的滑模面 线性滑模面的设计方法很多。较常见的有极点配置法、几何法、最优控制法制u t k i n 提出按闭环系统的稳定性和快速性来选择滑模面”；g h e z a w i 用广义逆矩阵法，根据闭环特 征根的要求来设计滑模面嗍和d o d i n g 选择二次型函数为目标函数，从而得到最优滑 模面r 2 9 - ，o i 线性滑模面能充分满足线性系统控制性能的设计要求，使得系统处于滑动模态 时稳定性分析简洁、方便，其参数设计也容易直到目前许多关于滑模控制的研究仍然采用 线性滑模面但是线性的滑模通常在复杂非线性系统面前无能为力。在处理抖振问题时也没 有太大益处 为了进一步提高系统的性能，许多新的滑模面设计方法被提出来y o u n g 提出了一种基 于频域整形的滑模设计方法 3 1 】。为避免未建模误差对系统性能的的影响，文献 3 2 】采用频 域整形风的滑模面设计方法文献【3 3 】提出采用双滑模面减少一类非线性系统的稳态误差 5 合肥工业大学博士学位论文 文献【3 4 】提出了积分滑模面，分析结果表明，这种滑模面能保证由初始时刻到最终时刻系统 都具有鲁棒性文献【3 5 j 研究了一种状态变量中含有噪声的变结构控制，提出了随机滑模面 的概念。文献【3 6 提出对不确定非线性系统采用分段滑模面，并分别对每段滑模面提出了一 种模糊控制。 与静态滑模面的设计相对应。文献1 3 7 3 8 提出了旋转和移动滑模面的概念文献f 3 9 4 0 针对= 阶非线性系统，提出了一种时变滑模面的设计方法，使得系统刚开始运动就处于 滑模面上，避免了滑模控制中的趋近运动但这两种方法的收敛速度还必须迸一步提高文 献【4 l 】针对二阶系统也提出了一种时变滑模面方法，它首先将滑模面设置为经过初始点，然 后通过改变其斜率和截距，使其向期望滑模面移动但该方法计算量大，难以应用到高阶系 统文献 4 2 1 针对高阶系统提出了一种基于模糊理论的移动滑模面方法，但它仅对期望滑模 面的特征方程有重根的情况进行了分析 2 抖振问题 控制结构切换具有理想开关特性的变结构系统，能在切换面上生成滑动模态滑动模态 是降维的光滑运动，且渐近趋向原点。但在实际滑模交结构系统中，由于开关器件的时滞及 惯性等因素的影响，使得滑动模态呈抖动形式，在光滑的滑动上叠加了白振，这种现象称为 抖振抖振不仅影响控制的精确性，增加能量消耗，而且容易激发系统中的高频未建模部分， 破坏系统性能，甚至使系统产生振荡或失稳，因而削弱或消除抖振是变结构控制在实际应用 中必须解决的首要问题田内外学者从不同的角度提出了解决方法 1 ) 准滑动模态法s l o t i n e 等在滑动控制的设计中引入了“准滑动模态”和。边界层” 的概念，实现准滑动模态控制，采用饱和函数代替切换函数，即在边界层外采用正常的滑模 控制，在边界层内为连续状态的反馈控制，有效地避免或削弱了抖振，为变结构控制的工程 应用开辟了道路p ”此后。有许多学者对切换函数和边界层的设计进行了研究i 州q 2 ) 趋近律方法高为炳利用趋近律的概念。提出了一种变结构控制系统的抖振消除方 法1 7 1 以指数趋近律j = - s s g n ( s ) 一b 为例，通过调整趋近律的参数k 和茸，既可保证滑动 模态到达过程的动态品质，又可以减弱控制信号的高频抖振，但较大的占值会导致抖振 3 ) 滤波方法通过采用滤波器。对控制信号进行平滑滤波，是消除抖振的有效方法 1 - 4 q 4 ) 观溺器方法在常规的滑模控制中，往往需要很大韵切换增益来消除外加干扰及不 确定项因此，外界干扰及不确定项是滑模控制中抖振的主要来源文献 5 0 - 5 2 提出了利 用观测器来消除外界干扰及不确定项，从而解决滑模控制中的抖振问题 5 ) 动态滑模方法传统的滑模控制方法中切换函数一般只依赖于系统状态，与控制输 入无关，不连续项会直接转移到控制器中。动态滑模方法将常规变结构控制中的切换函数通 过微分环节构成新的切换函数，该切换函数与系统控制输入的阶或高阶导数有关，可将不 连续项转移到控制的一阶或高阶导致中去，得到在时问上本质连续的动态滑模控翻律，有效 地降低了抖振口捌1 6 第一章绪论 6 ) 模糊方法根据经验，以降低抖振来设计模糊规则，可有效的降低滑模控制的抖振。 原因是模糊滑模控制柔化了控制信号，即将不连续信号连续化，从而减轻或避免一般滑模控 制的抖振现象此外，模糊逻辑还可以实现滑模控制参数的自调整1 5 ”。 7 ) 神经网络方法神经网络具有逼近任意连续有界非线性函数的能力，s j h u a n g 利 用神经网络的逼近能力，设计了一种基于r b f 神经网络的滑模控制器，将切换函数作为网 络的输入。控制器完全由连续的r b f 函数实现，取消了切换项，消除了抖振闱文献 5 9 - - 6 0 1 也都针对不同的对象利用神经网络与变结构的有机结合，有效地消除了抖振 8 ) 遗传算法优化方法遗传算法是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自 适应概率性搜索算法，在解决非线性问题时表现出很好的鲁棒性、全局最优性和高效率，具 有很高的优化性将遗传算法与滑模控制进行有机整合。可有效地避免或削弱抖振1 6 0 喇 9 ) 切换增益方法由于抖振主要是由控制器的不连续切换项造成的，因而减小切换项 的增益。便可有效的消除抖振删 1 0 ) 其它方法文献【6 5 】针对不确定非线性系统，设计了包含两个滑动模面的滑动扇区， 构造连续切换控制器，使得在开关面上控制信号是连续的，消除了控制的抖动文献断】针 对滑模变结构中引起抖振的动态特性，将抖振看成叠加在理想滑模上的有限频率振荡，提出 了滑动切换面的肌优化设计方法文献 6 r l 设计了种能量函数该能量函数包括控制精 度和控制信号大小，采用线性矩阵不等式的方法设计滑模面，使能量函数达到最小，实现了 滑动模面的优化，提高了控制精度，降低了抖振 上述各种方法中。每种方法都有各自的优点和局限性，针对具体问题需要进行具体分析 3 离散系统的滑模变结构控翻 从理论上来说，滑模变结构控制主要是针对连续系统模型因为只有理想的连续滑模变 结构控制，才可由具有切换逻辑的交结构控制产生等效滑模控制对于离散系统。变结构控 制不能产生理想滑模的等效滑模控铡，只能产生准滑模( q u a s i - s l i d i n gm o d e ) 控制嘲然而， 在实际设计控制系统时，常常需要建立对象的离散时间模型。如采样控制系统、计算机控制 系统等，因此离散时问系统变结构控制的研究与设计，就成为变结构控制理论与应用的一个 重要组成部分 早期对离散系统的变结构控制设计，一般采用连续系统变结构控制的设计方法，对此设 计方法研究比较深入的代表作是文献 6 8 该文提出了离散变结构控制系统滑模存在的充分 条件指出了将连续系统变结构控制的设计方法用于离散系统时。其采样周期允许的范围 随着计算机技术在控制领域的广泛应用，专门针对离散系统的变结构控制的理论与设计的文 献逐渐增多，对离散变结构控制的特有性质的研究也逐步深入文献【】首次考虑了寓教时 问系统的变结构控制。并提出了与连续时问系统相对应的到达条件i 文献 7 0 提出了准滑动 模态的思想。进而指出上述条件并不充分；文献【7 l 】研究了不确定性满足匹配条件情况下离 散线性时不变系统的稳定性。并进一步给出了严格的到达条件；文献 7 2 】则以李雅普诺夫函 数形式给出了新的到达条件所有这些到达条件都未完全描述出离散滑动模态的令人蔫意的 7 合肥工业大学博士学位论文 特征。我国学者高为炳给出了准滑动模态的定义及其详细的物理解释，并提出了更一般的到 达条件即离散趋近律，在揭示离散变结构控制的运动机理方面前进了一大步” 如何提高控制系统的鲁棒性并有效消除抖振，一直是离散变结构控制的研究热点文献 7 4 、7 5 1 采用引入不确定性上界的方法以保证系统鲁棒性。但这样的设计过于保守且加剧抖 振，只能适用于扰动量比较小的情况；文献 7 6 、7 7 ) 采用扰动估计器补偿系统的不确定性， 但要求扰动的变化律是有界的；文献 7 8 采用在边界层内用饱和函数代替符号函数的方法研 究不确定不匹配非线性系统的离散滑模控制，在满足一定条件的情况下可以保证系统的鲁棒 稳定性，但研究结果只能应用于单输入系统；文献 7 9 将积分控制引入到离散变结构控制的 设计中，用以削弱抖振，但只研究了常值干扰的情况l 文献【】研究了采样，保持效应并应用 于离散滑模控制设计，利用以前信息估计干扰值，所设计的系统不发生切换，在保证鲁棒性 的同时，不出现抖振；文献【8 l 】提出。轨迹连续性”的概念，使得离散滑模设计与连续系统 相似，所提出的滑模概念使所设计的系统对干扰具有不变性；文献【8 2 】提出了。滑动扇形区” 的概念，所设计的变结构控制律保证系统状态从区外进入区内，给定的状态范数或某个李雅 普诺夫函数在状态空间持续衰减，不会产生抖振，但只研究了单输入单输出的情况；文献e 8 3 剐进一步完善了基于“等效控制”的设计思想 与自适应控制相结合以提高系统鲁棒性并消除抖振是目前离教变结构研究的热点。文献 8 4 j 采用带死区函数的自适应算法，对参数摄动和外干扰进行在线估计，所设计的无抖振离 散准滑模自适应控制器可以保证所有信号保持有界意义下的稳定性；文献 8 5 】对含有时不变 不确定性的系统进行研究表明结合自适应控制的滑模控制可以产生与理想离散滑模相近的 滑动运动 文献 采用神经阿络在线辨识建模误差，对非线性离散时间系统设计了自适应 滑模控制器：c h a r tc y 在自适应离散准滑模控制方面作了大量研究工作，分别对采用输入 输出模型和状态