理论教育 变结构控制方法优化:从1.3.1到更高效

变结构控制方法优化:从1.3.1到更高效

时间:2023-06-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:苏联学者邬特金和我国的高为炳教授比较系统地介绍了变结构控制的基本理论。以滑动模态为基础的变结构控制,早期的工作主要由苏联学者完成,这一阶段主要以误差及其导数为状态变量,研究SISO线性对象的变结构控制和二阶线性系统。目前的主要研究内容大都集中在受限系统变结构控制、模型跟踪问题的变结构控制、离散时间系统的变结构控制、模糊变结构控制等方面。

变结构控制方法优化:从1.3.1到更高效

苏联学者邬特金和我国的高为炳教授比较系统地介绍了变结构控制的基本理论。变结构控制方法通过控制作用首先使系统的状态轨迹运动到适当选取的切换流形,然后使此流形渐近运动到平衡点,系统一旦进入滑动模态运动,在一定条件下,就对外界干扰及参数扰动具有不变性。系统的综合问题被分解为两个低维子系统的综合问题,即设计变结构控制规律,使得系统在有限时间内到达指定的切换流形和选取适当的切换函数确保系统进入滑动模态运动以后具有良好的动态特性。由系统不确定因素及参数扰动的变化范围可以直接确定出适当的变结构反馈控制律解决前一问题。而后一低阶系统综合问题可以用常规的反馈设计方法予以解决。由于变结构控制不需要精确的模型和参数估计的特点,因此这一控制方法具有算法简单、抗干扰性能好、容易在线实现等优点,适用于不确定非线性多变量控制对象。

以滑动模态为基础的变结构控制,早期的工作主要由苏联学者完成,这一阶段主要以误差及其导数状态变量,研究SISO线性对象的变结构控制和二阶线性系统。研究的主要方法是相平面分析法。20世纪60年代,研究对象扩展到MIMO系统和非线性系统,切换流形也不限于超平面,但由于当时硬件技术的滞后,这一阶段的主要研究工作,仅限于基本理论的研究。到了20世纪80年代,随着计算机和大功率电子器件等技术的发展,变结构控制的研究进入了一个新的时代。以微分几何为主要工具发展起来的非线性控制思想极大地推动了变结构控制理论的发展,如基于精确输入/状态和输入/输出线性化及高阶滑模变结构控制律等都是近十余年来取得的成果。所研究的控制对象也已涉及到离散系统、分布参数系统、广义系统、滞后系统、非线性大系统等众多复杂系统。变结构控制研究的主要问题有以下几点:

(1)受限系统变结构控制。

许多实际控制系统需要考虑与外部环境的接触因素。描述这类系统的动态往往带有一定的约束或限制条件,故称为受限系统。约束条件分为完整和非完整约束两大类。完整约束上只与受控对象的几何位置有关,且由代数方程描述,经过积分运算可使约束得到简化,从而可以分解出若干个状态变量,将原始系统转化为一低阶无约束系统,故其控制问题与无约束系统相比没有太大困难。而非完整约束本质上为动态约束,由于不能通过积分等运算将其转化为简单的代数运算方程,使其控制及运动规划等问题变的相当困难。此外还有一些新的特点:如不能采用光滑或连续的纯状态反馈实现状态的整体精确线性化,但通过适当的输出映射选取,可以实现输入/输出的精确线性化;在光滑的纯状态反馈下不能实现平衡点的渐近稳定,但采用非光滑或时变状态反馈却可以实现。(www.daowen.com)

(2)模型跟踪问题。

采用最优控制理论设计多变量控制系统遇到两个问题:第一,很难用性能指标指定设计目的。第二,对象参数往往有大范围扰动。克服第一个困难的有效方法之一是采用“线性模型跟踪控制”、基本思想是将一刻化设计目标的参考模型作为系统的一部分,使受控对象与参考模型状态问的误差达到最小化。但不能克服第二个困难,为使系统在参数变化情况下,保持优良品质,一种有效的方法是“自适应模型跟踪控制”,其主要设计方法:Lyapunov直接法和超稳定法。

虽然变结构控制理论40年来取得了很大的进展,而且具有良好的控制特性,但是仍有许多问题没解决,其振颤问题给实际应用带来了不利的影响。为了克服这种缺陷,许多学者致力于改善振颤问题的研究,特别是变结构控制与智能控制方法,如模糊控制、神经网络等先进控制技术的综合应用尚处在初步阶段,绝大多数研究还仅限于数值仿真阶段。在应用研究方面,大多限于电机机器人的控制等方法。目前的主要研究内容大都集中在受限系统变结构控制、模型跟踪问题的变结构控制、离散时间系统的变结构控制、模糊变结构控制等方面。

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