滑模控制(sliding mode control, SMC)也叫變結構控制，本質上是一類特殊的非線性控制，且非線性表現為控制的不連續性。這種控制策略與其他控制的不同之處在於系統的“結構”並不固定,而是可以在動態過程中，根據系統當前的狀態(如偏差及其各階導數等)有目的地不斷變化，迫使系統按照預定“滑動模態”的狀態軌跡運動。由於滑動模態可以進行設計且與對象參數及擾動無關,這就使得滑模控制具有快速回響、對應參數變化及擾動不靈敏、無需系統線上辨識、物理實現簡單等優點。
基本介紹
- 中文名：滑模變結構
- 外文名：sliding mode control
- 又稱：變結構控制
- 本質：一類特殊的非線性控制
簡介,原理：,優點：,重要意義：,設計步驟：,特點：,
簡介
滑模變結構控制作為一種特殊的魯棒控制方法，在解決不確定非線性系統的控制問題上顯示出了巨大的生命力。
變結構控制系統的特徵是具有一套反饋控制律和一個決策規則，該決策規則就是所謂的切換函式，將其作為輸入來衡量當前系統的運動狀態，並決定在該瞬間系統所應採取的反饋控制律，結果形成了變結構控制系統。該變結構系統由若干個子系統連線而成，每個子系統有其固定的控制結構且僅在特定的區域內起作用。引進這種變結構特性的優勢之一是系統具有每一個結構有用的特性，並可進一步使系統具有單獨每個結構都沒有的新的特性，這種新的特性即是變結構系統的滑動模態。滑動模態的存在，使得系統在滑動模態下不僅保持對系統結構不確定性、參數不確定性以及外界干擾等不確定性因素的魯棒性，而且可以獲得較為滿意的動態性能。迄今為止，變結構控制理論已經歷了50年的發展歷程，形成了自己的體系，成為自動控制系統中一種一般的設計方法。它適用的控制任務有鎮定與運動跟蹤等。
原理：
滑模變結構控制的原理，是根據系統所期望的動態特性來設計系統的切換超平面，通過滑動模態控制器使系統狀態從超平面之外向切換超平面收束。系統一旦到達切換超平面，控制作用將保證系統沿切換超平面到達系統原點，這一沿切換超平面向原點滑動的過程稱為滑模控制。由於系統的特性和參數只取決於設計的切換超平面而與外界干擾沒有關係，所以滑模變結構控制具有很強的魯棒性。所設計的切換超平面需滿足達到條件，即系統在滑模平面後將保持在該平面的條件。現在以N維狀態空間模型為例，採用極點配置方法得到M(N<M)維切換超平面，控制器採用固定順序控制器的設計方式，首先控制器控制任意點到Q1超平面（M維）形成M-1階滑動模態，系統到達Q1超平面後由於該平面的達到條件而保持在該超平面上所以後面的超平面將是該超平面的子集；然後控制器採用Q1對應的控制規則驅動到Q1與Q2交接的Q12平面（M-1維）得到M-2滑動模態，然後在Q12對應的控制規則驅動下到Q12與Q3交接的Q123平面（M-2維），依次到Q123..m平面，得到最終的滑模，系統在將在達到條件下保持在該平面，使系統得到期望的性能。
優點：
滑模控制的優點是能夠克服系統的不確定性, 對干擾和未建模動態具有很強的魯棒性, 尤其是對非線性系統的控制具有良好的控制效果。由於變結構控制系統算法簡單 , 回響速度快 , 對外界噪聲干擾和參數攝動具有魯棒性，在機器人控制領域得到了廣泛的套用 。變結構控制作為非線性控制的重要方法近年來得到了廣泛深入的研究 ,其中一個重要的研究分支是抑制切換振顫 ,這方面已取得了不小的進展，提出了等效控制、切換控制與模糊控制的組合模糊調整控制方法,其中等效控制用來配置極點 ,切換控制用來保證不確定外擾存在下的到達過程 ,模糊調整控制則用來提高控制性能並減少振顫.研究了一類非線性系統的模糊滑模變結構控制方法 ,設計了滑模控制器和 PI控制器的組合模糊邏輯控制器,充分發揮了各控制器的優點.提出了基於有限時間機理的快速Terminal滑模控制方法並給出了與普通 Terminal 滑模控制性能的比較.
重要意義：
受到越來越多的重視.該方法通過自行設計所需的滑模面和等效控制律 ,能快速回響輸入的變換 ,而對參數變換和擾動不敏感 ,具有很好的魯棒性 ,且物理製作簡單。其最大優點是滑動模態對加在系統上的干擾和系統的攝動具有完全的自適應性,而且系統狀態一旦進入滑模運動,便快速地收斂到控制目標,為時滯系統、不確定性系統的魯棒性設計提供了一種有效途徑，但其最大的問題是系統控制器的輸出具有抖動。
設計步驟：
在系統控制過程中,控制器根據系統當時狀態,以躍變方式有目的地不斷變換,迫使系統按預定的“ 滑動模態 ” 的狀態軌跡運動。變結構是通過切換函式實現的,特別要指出的是,通常要求切換面上存在滑動模態區,故變結構控制又常被稱為滑動模態控制。設計變結構控制系統基本可分為兩步[ 2 ]:
(1)確定切換函式 S (x) 即開關面,使它所確定的滑動模態漸近穩定且有良好的品質,開關面代表了系統的理想動態特性。
(2)設計滑模控制器 設計滑模控制器,使到達條件得到滿足,從而使趨近運動 (非滑動模態)於有限時間到達開關面,並且在趨近的過程中快速、抖振小。
特點：
在普通的滑模控制中 ,通常選擇一個線性的滑動超平面 ,使系統到達滑動模態後 ,跟蹤誤差漸進地收斂為零 ,並且收斂的速度可以通過選擇滑模面參數矩陣來調節。但理論上講 ,無論如何狀態跟蹤誤差都不會在有限的時間內收斂為零。Ter minal滑模控制是通過設計一種動態非線性滑模面方程實現的 ,即在保證滑模控制穩定性的基礎上 ,使系統狀態在指定的有限時間內達到對期望狀態的完全跟蹤。
