时变边界层滑模控制在多连杆机械手的应用

无刷直流电机的滑模控制器的设计与仿真

无刷直流电机的滑模控制器的设计与仿真 摘要 舵伺服系统在航空航天领域，有着广泛应用和重要的研究价值。应用无刷直流电机作为舵系统执行器，可以增大系统输出转矩，实现系统小型化。本文基于无刷直流电机执行器，利用 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元，应用滑模变结构控制策略，实现舵机系统伺服，提高舵系统抗扰性和信号响应的快速性；并在系统中加入滑模观测器，实现对于系统内部状态量的观测，为实现无位置传感器控制提供条件本文应用无刷直流电机作为舵系统执行器，通过分析和设计滑模变结构控制算法，实现舵系统位置伺服控制，利用滑模变结构控制策略的特性，提高系统对于扰动和内部参数摄动的鲁棒性，与基于传统控制策略的伺服机构相比，系统的抗扰性得到了提高。并在系统中引入滑模观测器，利用电流、电压传感器采样相电流和相电压作为该观测器的给定量，观测出电机的速度，转子运动换相位置信号和三相反电动势波形，从而实现电机的无位置传感器控制。 本文通过分析舵伺服机构的主要结构和工作原理，根据实际系统技术要求，设计出基于电动伺服系统的数字控制器。利用 DSP 强大的数据处理能力和 FPGA 并行运算能力，实现设计的控制算法，提高舵系统的性能。通过 MATLAB 中 Simulink 环境下构建理想系统模型，应用滑模控制算法，进行模型仿真。通过系统仿真分析，设计出满足离散系统的滑模控制器参数。通过 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元实现滑模变结构控制算法，应用于舵伺服系统中[1]。最后，通过完成整体硬件与软件平台设计，实现对舵伺服系统的控制。通过仿真和实验结果分析，验证了滑模控制具有强鲁棒性和抗扰性，满足舵系统对于快速性和抗扰性的技术要求，提高了系统 整体控制性能。 关键字：滑模控制；滑模观测器；无刷直流电机；舵伺服系统；DSP+FPGA

一种离散模糊滑模边界层自适应的消抖方法

‘自动化仪表“第36卷第8期一2015年8月 国家自然科学基金青年科学基金资助项目(编号:61304024);河北省自然科学基金青年科学基金资助项目(编号:F2013508110);中央高校基本科研业务费资助项目(编号:3142013055);河北省教育厅科技计划基金资助项目(编号:Z2012089)三修改稿收到日期:2014-12-26三 第一作者张晓宇(1978-),男,2006年毕业于浙江大学控制科学与工程专业,获博士学位,副教授;主要从事非线性控制二智能控制二复杂系统控制与应用的研究三 一种离散模糊滑模边界层自适应的消抖方法 Method of Eliminating Chattering Based on Boundary Layer Adaption for Discrete Sliding Mode Control 张晓宇一陈文卓一申一斌 (华北科技学院电信学院,河北三河一065201) 摘一要:在离散滑模控制中抖振非常常见三针对一类离散非线性系统的滑模控制抖振问题,在连续系统边界层自适应方法的基础上,提出一种带边界层自适应的近似滑模模糊逻辑控制方法三首先通过一定的自适应律对滑模边界层参数进行在线调整,然后将边界层自适应的SMC 应用到模糊逻辑控制逼近实现中,使抖振得以削弱,且系统非线性动态不需要已知其上边界,使得整个闭环系统具有较强的鲁棒性二稳定性和自适应性等优点三仿真验证了该方法的正确性和优越性三关键词:离散一非线性系统一滑模控制一模糊一自适应一边界层 中图分类号:TH71;TP273+.2一一一一文献标志码:A一一一一DOI:10.16086/https://www.wendangku.net/doc/5115609446.html,ki.issn1000-0380.201508001 Abstract :In discrete sliding mode control ,chattering phenomenon is very common.For solving chattering problem of sliding mode control for discrete nonlinear system ,on the basis of boundary layer adaptive method of continuous systems ,the sliding mode like fuzzy logic control method is proposed.Firstly ,online adjustment of boundary layer parameters is conducted through certain adaptive laws ;then the SMC with boundary layer adaptation is applied in fuzzy logic control approximation implementation.Thus the chattering can be weakened ,while ,the entire closed loop system offers stronger robust stability and adaptation.The correctness and superiority of this method are verified by simulation.Keywords :Discrete一Nonlinear system一Sliding mode control (SMC )一Fuzzy一Adaptive一Boundary layer 0一引言 滑模控制(sliding mode control,SMC)有抖振的缺点[1-2],但模糊逻辑系统的应用可改进其性能三关于模糊滑模控制(fuzzy sliding mode control,FSMC)[3-14]和滑模模糊逻辑控制(sliding mode fuzzy control, SMFC) [10,15-20] 已有大量研究三 Lee C G 和Park J S 等人提出近似滑模模糊逻辑控 制(sliding mode-like fuzzy control,SMLFC)[20],方法是将模糊控制器等价于滑模控制器设计且边界层厚度可在线自调整,通过引入适当的自适应律来消除抖振三该方法只适用于二阶系统,如果死区参数不收敛到零,仍会有微弱抖振三对于高阶动态非线性系统,控制器的设计应采用不同的方式,其中对高阶动态非线性系统的SMLFC 已被提出 [21] ,但其仅适用于连续系统三 一一针对离散非线性系统,提出与上述类似的方法,同样运用在线自适应调节饱和函数和SMC 死区参数的思想,推出近似滑模模糊控制设计[20]三应用动态模糊逻辑系统(dynamic fuzzy logic system,DFLS)获得平滑的控制性能, 再通过DFLS 形成近似滑模模糊控制(sliding mode-like fwey logic control,SMLFC)系统,彻底消除抖振三 1一离散滑模控制及存在问题 滑模控制在有限时间内将系统从初始状态驱动到切换函数所决定的一个超平面上并维持三系统状态到达超平面的过程称为到达过程;系统状态在滑模面上的运动称为滑模运动;超平面称为滑模面三在离散时间情况下,描述滑动模态的性质二存在及到达条件都会改变三随着计算机技术的高速发展和工业自动化等领域的实际需要,控制算法的实现经常需要采用数字计算机三因此,研究离散时间系统的滑模变结构控制方法具有很好的理论价值和实际意义三 滑模变结构控制包含三个基本问题:滑动模态的存在性二可达性及稳定性三这也是离散时间系统滑模变结构控制的基本问题,但离散时间系统自身的固有特点使得其与连续时间系统有所不同[2]三 定义一个包围滑模面的切换带s (k )?Δ三如系 1 一种离散模糊滑模边界层自适应的消抖方法一张晓宇,等

滑模变结构控制理论及其算法研究与进展_刘金琨

第24卷第3期2007年6月 控制理论与应用 Control Theory&Applications V ol.24No.3 Jun.2007滑模变结构控制理论及其算法研究与进展 刘金琨1,孙富春2 (1.北京航空航天大学自动化与电气工程学院,北京100083;2.清华大学智能技术与系统国家重点实验室,北京100084) 摘要:针对近年来滑模变结构控制的发展状况,将滑模变结构控制分为18个研究方向,即滑模控制的消除抖振问题、准滑动模态控制、基于趋近律的滑模控制、离散系统滑模控制、自适应滑模控制、非匹配不确定性系统滑模控制、时滞系统滑模控制、非线性系统滑模控制、Terminal滑模控制、全鲁棒滑模控制、滑模观测器、神经网络滑模控制、模糊滑模控制、动态滑模控制、积分滑模控制和随机系统的滑模控制等.对每个方向的研究状况进行了分析和说明.最后对滑模控制的未来发展作了几点展望. 关键词:滑模控制;鲁棒控制;抖振 中图分类号:TP273文献标识码:A Research and development on theory and algorithms of sliding mode control LIU Jin-kun1,SUN Fu-chun2 (1.School of Automation Science&Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing100083,China; 2.State Key Laboratory of Intelligent Technology and Systems,Tsinghua University,Beijing100084,China) Abstract:According to the development of sliding mode control(SMC)in recent years,the SMC domain is character-ized by eighteen directions.These directions are chattering free of SMC,quasi SMC,trending law SMC,discrete SMC, adaptive SMC,SMC for mismatched uncertain systems,SMC for nonlinear systems,time-delay SMC,terminal SMC, global robust SMC,sliding mode observer,neural SMC,fuzzy SMC,dynamic SMC,integral SMC and SMC for stochastic systems,etc.The evolution of each direction is introduced and analyzed.Finally,further research directions are discussed in detail. Key words:sliding mode control;robust control;chattering 文章编号：1000?8152(2007)03?0407?12 1引言(Introduction) 滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性,这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是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.由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识,物理实现简单等优点.该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后,难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动,而是在滑模面两侧来回穿越,从而产生颤动. 滑模变结构控制出现于20世纪50年代,经历了50余年的发展,已形成了一个相对独立的研究分支,成为自动控制系统的一种一般的设计方法.以滑模为基础的变结构控制系统理论经历了3个发展阶段.第1阶段为以误差及其导数为状态变量研究单输入单输出线性对象的变结构控制;20世纪60年代末开始了变结构控制理论研究的第2阶段,研究的对象扩大到多输入多输出系统和非线性系统;进入80年代以来,随着计算机、大功率电子切换器件、机器人及电机等技术的迅速发展,变结构控制的理论和应用研究开始进入了一个新的阶段,所研究的对象已涉及到离散系统、分布参数系统、滞后系统、非线性大系统及非完整力学系统等众多复杂系统,同时,自适应控制、神经网络、模糊控制及遗传算法等先进方法也被应用于滑模变结构控制系统的设计中. 2滑模变结构控制理论研究进展(Develop-ment for SMC) 2.1消除滑模变结构控制抖振的方法研 究(Research on chattering elimination of SMC) 2.1.1滑模变结构控制的抖振问题(Problems of SMC chattering) 从理论角度,在一定意义上,由于滑动模态可以 收稿日期:2005?10?19;收修改稿日期:2006?02?23. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60474025,90405017).

毕业设计论文-切换系统滑模控制设计

毕业设计 学生姓名： Zang Wenbo 学号： 090803207 学院：电气工程学院 专业：测控技术与仪器 题目：切换系统滑模控制设计 指导教师： 评阅教师： 2013年6月

河北科技大学毕业设计成绩评定表 姓名学号成绩 专业测控技术与仪器 题目切换系统滑模控制设计 指 导 教 师 评 语 及 成 绩指导教师： 年月日评 阅 教 师 评 语 及成绩评阅教师： 年月日 答辩小组评语 及成绩答辩小组组长： 年月日 答辩委员 会意见学院答辩委员会主任： 年月日 注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书中。

毕业设计中文摘要 切换系统是按某种切换规则在各子系统之间切换的混杂系统，是混杂系统理论与应用研究中非常活跃的一个分支。切换系统滑模控制问题是现代非线性系统控制中的一个重要课题，在过去的几十年中得到了广泛的关注，而且已被成功用于大量实际系统。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。它可以在动态过程中，根据系统当前的实时状态来对其进行控制，从而达到预定的控制目的。具有响应速度快，对参数摄动不敏感、鲁棒性能好等优点。许多实际系统本身具有切换的特性，例如含有继电、饱和、滞环等环节的被控对象以及工业上常见的多液罐系统。此类系统适宜用切换系统来进行建模分析，并设计相应的切换控制器来对其进行控制。 本论文通过对切换系统滑模控制的基本理论知识及/ Matlab Simulink软件的学习，主要分为四章：第一章介绍了切换系统滑模控制的基本的发展过程；第二章介绍了基本的切换系统滑模控制的相关理论；第三章介绍了如何对切换系统进行观测器的设计，并给出了用/ Matlab Simulink软件进行的具体实例仿真；第四章介绍了如何对简单的切换系统进行滑模控制设计，同时也给出了用/ Matlab Simulink软件进行的具体实例仿真,得到仿真曲线，验证控制器的控制性能，完成了对切换系统的控制器的设计。 关键词切换系统滑膜控制

滑模变结构控制

滑模变结构控制 【原理，优点，意义，步骤，特点】 变结构控制系统的特征是具有一套反馈控制律和一个决策规则，该决策规则就是所谓的切换函数，将其作为输入来衡量当前系统的运动状态，并决定在该瞬间系统所应采取的反馈控制律，结果形成了变结构控制系统。该变结构系统由若干个子系统连接而成，每个子系统有其固定的控制结构且仅在特定的区域内起作用。引进这种变结构特性的优势之一是系统具有每一个结构有用的特性，并可进一步使系统具有单独每个结构都没有的新的特性，这种新的特性即是变结构系统的滑动模态。滑动模态的存在，使得系统在滑动模态下不仅保持对系统结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰等不确定性因素的鲁棒性，而且可以获得较为满意的动态性能。迄今为止，变结构控制理论已经历了50年的发展历程，形成了自己的体系，成为自动控制系统中一种一般的设计方法。它适用的控制任务有镇定与运动跟踪等。滑模控制(sliding mode control, SMC)也叫变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且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,而是可以在动态过程中，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。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使

得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。原理：滑模变结构控制的原理，是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系，所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。所设计的切换超平面需满足达到条件，即系统在滑模平面后将保持在该平面的条件。现在以N维状态空间模型为例，采用极点配置方法得到M(N

滑模变结构控制

滑模变结构控制作为一种特殊的鲁棒控制方法【原理，优点，意义，步骤，特点】 变结构控制系统的特征是具有一套反馈控制律和一个决策规则，该决策规则就是所谓的切换函数，将其作为输入来衡量当前系统的运动状态，并决定在该瞬间系统所应采取的反馈控制律，结果形成了变结构控制系统。该变结构系统由若干个子系统连接而成，每个子系统有其固定的控制结构且仅在特定的区域内起作用。引进这种变结构特性的优势之一是系统具有每一个结构有用的特性，并可进一步使系统具有单独每个结构都没有的新的特性，这种新的特性即是变结构系统的滑动模态。滑动模态的存在，使得系统在滑动模态下不仅保持对系统结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰等不确定性因素的鲁棒性，而且可以获得较为满意的动态性能。迄今为止，变结构控制理论已经历了50年的发展历程，形成了自己的体系，成为自动控制系统中一种一般的设计方法。它适用的控制任务有镇定与运动跟踪等。 滑模控制(sliding mode control, SMC)也叫变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且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,而是可以在动态过程中，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。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。 原理： 滑模变结构控制的原理，是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系，所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。所设计的切换超平面需满足达到条件，即系统在滑模平面后将保持在该平面的条件。现在以N维状态空间模型为例，采用极点配置方法得到M(N

滑模变结构控制(SMC)的基本思路

步骤一：确定状态变量（分为单输入系统和多输入系统）以及状态变量之间的关系 比如永磁同步电机速度滑模变结构控制： 状态变量为： 状态变量之间的关系（可以通过电机的电压，磁链，转矩和运动学方程推导）比如确定如上x1,x2以及系统的关系，可根据如下方程（其中有错误注意）： 得到状态关系方程（其中a为常数与电机参数有关）： 永磁同步电机位置滑模变结构控制： 状态变量为： 步骤二：确定滑动面方程（切换函数S） 必须确保滑动模态在S = 0时t趋近于无穷大是稳定的。（根据实际情况确保品质参数），其表达式如下：

这种切换函数下得到的响应是过阻尼响应，理论上是不存在超调量的。 对于多输入系统，其切换函数为： 步骤三： 方法一：确定趋近率函数（切换函数的微分S’），并确定滑模变结构控制的输出量即控制率函数Ux(Ux)。另外，需要由电机方程指定该控制率函数和电机系统变量的关系（实际需要决定）（比如：速度滑模变结构的输出肯定是与电机电流iq是有关系的，从而便于下一步的电流逆变器的控制）。 常见的趋近率函数为： 其他特殊的更常用的趋近律如下：

如此可确定控制率函数的表达式。（本质上控制率函数是用来去除系统参数变化和外部扰动对系统的影响。） 该方法的缺点是：由于系统在滑动面上对参数及系统外部扰动的抗干扰性很强。而在滑动面外（趋近运动），控制率函数在起作用，而控制率函数是与系统参数有关的。所以收到系统参数的影响。为了能够实现系统一直具有很高的鲁棒性，可以使系统设置从初始时刻就处于滑动面上，见方法二（全局滑模变结构控制）。 方法二：合适选择切换函数并先确定控制率函数Ux。（由于系统一直处于滑动面上，所以无需选择趋近率函数） 比如PMSM的速度滑模变结构控制：

滑模控制

滑模变结构理论 一、引言 滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性,这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结 构”并不固定,而是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。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使 得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线 辩识,物理实现简单等优点。该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后,难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动,而是在滑模面两侧来回穿越, 从而产生颤动。滑模变结构控制出现于20世纪50年代,经历了 50余年 的发展,已形成了一个相对独立的研究分支,成为自动控制系统的一种一 般的设计方法。以滑模为基础的变结构控制系统理论经历了 3个发展阶 段.第1阶段为以误差及其导数为状态变量研究单输入单输出线性对象的 变结构控制; 20世纪60年代末开始了变结构控制理论研究的第2阶段, 研究的对象扩大到多输入多输出系统和非线性系统;进入80年代以来, 随着计算机、大功率电子切换器件、机器人及电机等技术的迅速发展, 变 结构控制的理论和应用研究开始进入了一个新的阶段, 所研究的对象已 涉及到离散系统、分布参数系统、滞后系统、非线性大系统及非完整力 学系统等众多复杂系统, 同时,自适应控制、神经网络、模糊控制及遗传 算法等先进方法也被应用于滑模变结构控制系统的设计中。 二、基本原理 带有滑动模态的变结构控制叫做滑模变结构控制(滑模控制)。所谓滑动模态是指系统的状态被限制在某一子流形上运动。通常情况下,系统 的初始状态未必在该子流形上,变结构控制器的作用在于将系统的状态 轨迹于有限时间内趋使到并维持在该子流形上,这个过程称为可达性。系 统的状态轨迹在滑动模态上运动并最终趋于原点,这个过程称为滑模运 动。滑模运动的优点在于,系统对不确定参数和匹配干扰完全不敏感。下 图简要地描述了滑模变结构控制系统的运动过程,其中S(t)为构造的切 换函数(滑模函数), S(t)=0为滑模面。

滑模控制

滑模控制(sliding mode control, SMC)也叫变结构控制, 其本质上是一类特殊的非线性控制,且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,而是可以在动态过程中,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. 由于滑动模态可以进行设计且与对象 参数及扰动无关,这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点. 滑模变结构控制是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系，所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。超平面的设计方法有极点配置，特征向量配置设计法，最优化设计方法等，所设计的切换超平面需满足达到条件，即系统在滑模平面后将保持在该平面的条件。控制器的设计有固定顺序控制器设计、自由顺序控制器设计和最终滑动控制器设计等设计方法[1]。现在以N维状态空间模型为例，采用极点配置方法得到M(N