分散變結構控制（Decentralized variable structure control）是指系統中的控制部分表現為若干個分散的，有一定相對獨立性的子控制機構，這些機構在各自的範圍內各司其責，各行其是，互不干涉，各自完成自己的目標，當系統的狀態滿足一定的條件時，系統的控制結構將發生變化的控制方法。當然這些目標是整個系統目標中的分目標。
基本介紹
- 中文名：分散變結構控制
- 外文名：Decentralized variable structure control
- 涉及學科：信息科學
- 套用：自動化
- 目標：整個系統目標中的分目標
- 變結構：滿足一定的條件時
分散控制,分散控制結構,優點,缺點,變結構控制,發展,分類,分散變結構控制,特點,分散變結構控制設計,全狀態滑模面設計,非滑模變結構切換面設計,切換控制器設計,
分散控制
分散控制是指系統中的控制部分表現為若干個分散的，有一定相對獨立性的子控制機構，這些機構在各自的範圍內各司其責，各行其是，互不干涉，各自完成自己的目標。當然這些目標是整個系統目標中的分目標。
分散控制的特點是與集中控制相反，不同的信息流入不同的控制中心，不同的控制指令由不同的控制中心發出。
分散控制沒有統一的控制器，全部控制功能分散在各個子運算中完成，在此控制方式中，各子運算的輸出、輸入信號及系統信號相互關聯。分散控制的時序可以是同步的，也可以是異步的。
分散控制結構
分散控制結構（decentralized control structure）指的是大系統中每個子系統分別用獨立作出決策的控制器進行控制以完成最佳化任務的控制結構。
分散控制結構中大系統最佳化的總任務由各分散的控制器共同完成。每個分散控制器只能獲得大系統的部分信息（信息分散），也只能對大系統進行局部控制（控制分散）。在空間上分散的大系統，或在空間上較集中但各個控制通道的動態回響時間（或時間常數）差別較大的大系統，均可採用分散控制。
分散控制結構
當大系統的各分散控制器間沒有任何信息交換時，稱為完全分散控制結構，如電力網、交通管制網、數字通信系統、巨觀經濟系統等。如果各分散控制器間有部分（主要的和關鍵的）信息交換，稱為局部分散控制結構。
優點
分散控制結構與多級遞階控制結構不同，它沒有上一級的協調器，大系統最佳化的總任務分配給各分散控制器，依靠它們之間相互通信進行調整。這種結構的優點是：
①使大系統的結構和控制功能分散，從而使系統功能的複雜性降低，信息傳輸串列處理的時間縮短。
②提高局部控制效果，因為每個控制器接收和處理的信息量小，能迅速作出決策和反應。
③降低設備投資，可採用微型計算機網，就地安置控制器，減少信息傳輸通道，設備維修簡單，便於技術更新。
缺點
分散控制結構中出現的問題有以下3點:
①各分散控制器平行工作,沒有隸屬關係,難以進行有效的調整；只能實現大系統全局次最佳化；缺乏有普遍意義的解法。
②分散控制採用非經典信息結構（即每個分散控制器的決策取決於其他分散控制器的測量和所作的決策），會引起非線性發信策略和二次推測現象；各控制器間通信的滯後和隨機干擾等問題給分散控制結構的分析和綜合帶來困難。
③除了確知大系統是時標分離的情況或各子系統間是弱動態耦合的情況以外，很難確定分散控制系統的結構問題。
變結構控制
所謂變結構，是指當系統的狀態滿足一定的條件時，系統的控制結構將發生變化。變結構控制(VSC)就是當系統狀態穿越不同區域時，反饋控制的結構按照一定的規律發生變化，使得控制系統對被控對象的內在參數變化和外部環境擾動等因素具有一定的適應能力，保證系統性能達到期望的性能指標要求。
發展
變結構控制的研究始於 20 世紀 50 年代，前蘇聯學者 Emelyanov 等提出了變結構控制概念。隨後 Utkin，Itkis 等學者總結並發展了滑模變結構控制理論，奠定了滑模變結構控制的理論基礎。20 世紀 80 年代以來，隨著確定切換函式的系統性方法的出現和微分幾何理論的發展，變結構控制開始了新的發展階段。近二十年來，隨著計算機技術和大功率電子開關器件的發展，變結構控制的實現變得越來越容易，因此該方法受到了國內外控制界的廣泛重視，現已成為自動控制領域的重要設計方法，並在工程套用中得到了推廣套用。
變結構控制是指系統狀態達到切換函式值，系統從一個結構自動地切換到另一個確定的結構(結構是一組數學方程描述的模型)。從本質上講它具有開關切換特性，是一種控制系統的設計方法，適用於線性及非線性系統，包括控制系統的調節，跟蹤，自適應及不確定等系統。它具有一些優良特性，尤其是對加給系統的攝動和干擾有良好的自適應性。
分類
圖 1對變結構控制作了大致的分類，變結構控制可分為兩大類：
圖1 變結構控制器分類圖
一類是不具有滑動模態的變結構控制，如Bang-Bang 控制、輸出反饋變結構控制、多輸入繼電控制等。這一類控制只能稱為變結構控制，雖然控制器可根據反饋量改變系統的結構使系統穩定於平衡位置，但系統不存在一個可滑動的面。
另一類是具有滑動模態(簡稱為滑模或滑模面)的變結構控制。這一類控制可稱為滑模變結構控制或滑模控制，它的控制分為兩個步驟：首先是系統從初始狀態趨近於併到達滑模面，接著系統在滑模面上滑動併到達平衡位置。
變結構控制器都有一個切換面，如 x1，x2或者 x1+5x2，而具有滑動模態的切換面才稱為滑模面。
分散變結構控制
分散變結構控制（Decentralized variable structure control）是指系統中的控制部分表現為若干個分散的，有一定相對獨立性的子控制機構，這些機構在各自的範圍內各司其責，各行其是，互不干涉，各自完成自己的目標，當系統的狀態滿足一定的條件時，系統的控制結構將發生變化的控制方法。當然這些目標是整個系統目標中的分目標。
特點
傳統集中式控制方法需同時採用系統所有測量信號，進而計算出所有作動器的控制力並發出信號進行振動控制，其控制系統複雜且可靠性較差。而基於系統局部信息反饋的分散控制策略，設計簡單可靠性高。由於分散控制採用系統局部信號反饋的控制方法，少數作動器的失效並不會致使整個系統的控制失敗，更適於實際套用。
但是分散控制策略的作動器控制力僅採用建築物的相鄰兩層測量信號進行控制，雖然能夠控制住結構的回響，但信息過少，控制效果不好。為達到更好的控制效果，在魯棒控制策略基礎上，通過設定特殊矩陣的方式，提出一種基於建築物相鄰四層信號的魯棒分散控制方法。從動力仿真的結果來看，該方法的控制效果比僅依靠相鄰二層信號的控制效果好得多。
對於建築結構在地震激勵下的振動控制，傳統魯棒集中控制策略的系統複雜且可靠性相對較低，當其中少數作動器的失效就可能導致整個控制系統控制失敗。因此，具有系統簡單可靠性高等優點的魯棒分散控制策略，在保證控制效果的情況下，可以一定程度上彌補魯棒集中控制策略的不足。
分散變結構控制設計
分散變結構控制的特點就在於控制量的非線性切換。這樣的切換控制需要兩方面的 設 計 ：
一 是 選 擇 切 換 面 ， 如 全 狀 態 滑 模 變 結 構 的 切 換 面 一 般 是，部分狀態滑模變結構的切換面只是一部分狀態反饋的線性組合，而非滑模變結構的切換面一般是某一個狀態反饋；
二是切換控制律，它一般表示，其中 K(x)為切換項增益，f (s(x))為切換控制器，常用的切換控制器有理想繼電器、滯環繼電器等，是最常用的切換控制律。
全狀態滑模面設計
滑模面的設計是滑模變結構控制的核心問題。滑模面設計的好壞決定系統的性能，它同時還關係到系統的穩定性和抖振的大小。滑模面的設計方法較多，具有代表性的方法有基於降階的滑模面設計、基於線性矩陣不等式(LMI)的滑模面設計、時變滑模面設計等。
非滑模變結構切換面設計
非滑模變結構切換面的設計具有更強的靈活性，同時也需要利用多種手段來分析它們。學者 Boiko、Huang、Oliveira、Plestan 提出了多種切換面設計方法，也考慮了切換面與系統的穩定關係。
圖2 滯環繼電器補償控制
圖 2、圖3列出了 Boiko 提出的兩種控制方法。Boiko 採用描述函式(DF)法和 LPRS 法分析它們的穩定性。圖 2控制器將系統輸出作為切換面，Boiko 利用 DF 法分析滯環繼電器和 W(jω)的幅相頻率特性。若無法得到期望的性能，則設計補償環節，調節 W(jω)的幅相頻率特性的分布。
圖3 多輸入繼電器控制
圖 3將系統輸出 y(t)及其導數y'(t)作為控制器的兩個切換面，通過改變兩繼電器增益，可使其描述函式在第二象限旋轉，從而改善系統控制精度。
切換控制器設計
切換控制器關係到系統魯棒性和抖振特性。常用的切換控制器類型有理想繼電器、飽和函式、滯環繼電器、2-SMC等。
(1) 理想繼電器是最常用的切換控制器，系統狀態一旦穿越切換面，理想繼電器就輸出反向控制量，因此具有很好的魯棒性，但它容易受到噪聲的影響，且易引入較快的抖振頻率。
(2) 飽和函式抑制抖振的效果明顯，但它可能使滑模控制失去魯棒性。
(3)滯環繼電器使切換控制器變得相對遲鈍，增大了切換面寬度，降低了控制精度，但通過改變遲滯量可調節抖振幅度和頻率。
(4)2-SMC 具有多個控制參數，通過改變這些參數可更加靈活地調節控制器的魯棒性和抖振特性，抖振頻率既能降低也能提高。
