滑模变结构控制系统的抖振抑制方法研究
滑模变结构控制在开关磁阻电机调速系统中的应用研究

摘
要
开关磁阻电机(SR电机)调速系统(SRD)以其结构简单,容错能力强等众多优点, 使其极具发展潜力。同时,SRD作为一种非线性系统,研究将非线性控制理论应用于 SRD将有重要的意义。本文以滑模变结构控制在开关磁阻电机调速系统中的应用为主 题展开理论和试验研究。主要内容有: 通过实测的电流-磁链数据,拟合了试验样机的最大电感曲线,并在此基础上建 立了SR电机的非线性电感模型。 针对开关磁阻电机的具体特点,设计了基于转速控制的传统滑模速度控制器。同 时考虑到滑模控制中要常使用到加速度,故在系统中引入了加速度估计来提高系统性 能。由于传统滑模控制的高频切换易引起较大抖振,为此本文采用新型无切换的滑模 控制来减小抖振。仿真分析验证了加速度估计和无切换滑模控制的使用对于减小抖振 的有效性。 最后,详细介绍了开关磁阻电机调速系统的软硬件设计,包括滑模控制的软件实 现方法,给出了系统的动稳态试验波形。试验结果表明,采用滑模控制的开关磁阻电 机调速系统具有较好的动稳态特性,验证了理论分析的正确性。 本课题组承担了国家十・五 863 计划电动汽车重大专项:“EQ6110HEV混合动 力城市公交车用电机及其控制系统”(2001AA501421)。本文的研究是在该项目的资助 下完成的。
关键词:开关磁阻电机调速系统(SRD) 滑模变结构控制
调速
加速度估计
I
Abstract
The inherent simplicity and fault tolerance of Switched Reluctance Motor (SRM) Drive (SRD) have made it a great potential drive system. Considering SRD’s nonlinearity, applying nonlinear control strategy to the SRD system will have an important significance. This thesis concentrates on the academic analysis and application of sliding mode control to SRD, and it is composed of following aspects: Base on the measured data of current-flux, the maximal inductance curve was fitted and the nonlinear inductance model was provided for the SRM. According to the characteristics of SRM, this thesis designed a conventional sliding mode speed controller. Acceleration was usually required in the sliding mode control system, so acceleration estimation was introduced to the system. To solve the chattering problem which is aroused by high-frequency switches, the thesis utilized non-switch sliding mode control strategy to minimize chattering. The simulation provide that the use of acceleration estimation and non-switch sliding mode control is effective in minimize chattering. The design of hardware and software was presented in the end, including the software implemented of sliding mode control. had a good performance. Our research team has undertaken the electric vehicle fundamental special project titled “EQ6110HEV Hybrid Power City Bus Electric Motor and Controller” (2001AA501421) of the 863 Program of the “Tenth Five-Year Plan” of China. The research work of this thesis is supported by the project. Keywords: Switched Reluctance Drive (SRD) speed control sliding mode control To demonstrate the correctness of proposed scheme, experiments were carried out. The results showed that sliding mode speed control of SRD
倒立摆滑模变结构稳定控制

小结
本文将滑模变结构控制方法应用到一级倒立摆系统中, 取得了良好的预期效果。从文中可以看出滑模变结构控制 方法设计简单,具有一定的广泛实用性,而且用其设计的 控制系统响应快、超调小。通过倒立摆这个典型的非线性 控制对象可以看出,对于一些复杂的非线性、不稳定和参 数变化的控制问题,滑模变结构控制方法是一种有效的解 决途径。 采用LQR方法对倒立摆进行最优控制,系统的稳定和 快速性都很理想,该方案设计简单,实现起来比较容易。 比较图6图7可以看出,采用优化加权后,系统的响应速度 变快,超调量变小,系统到达平衡位置的时间明显缩短。
论文简要
利用滑模变结构控制对直线一级倒立摆系统进行了有 效控制。首先对一级倒立摆系统的模型进行线性化处理, 再利用滑模变结构控制方法及LQR控制对此模型中摆的镇 定、台车位置的调节和系统参数不确定性设计了具体的控 制规律,并使用饱和函数的方法抑制系统的抖振。最后在 Matlab/Simulink上进行了仿真实验,实验结果说明滑模 变结构控制方法是有效的。
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绪
论
1
研究目的和意义
2
变结构控制发展历史
3
滑模变结构控制理论的研究方向
4
本文的主要工作
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预 备 知 识
稳定性概念
Lyapunov稳定性判据
MATLAB简介
Simulink简介
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单级倒立摆系统的建模
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滑模变结构控制仿真结果与分析
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<M)维切换超平面,控制器采用固定顺序控制器的设计方式,首先控制器控制任意点到Q1超平面(M维)形成M-1阶滑动模态,系统到达Q1超平面后由于该平面的达到条件而保持在该超平面上所以后面的超平面将是该超平面的子集;然后控制器采用Q1对应的控制规则驱动到Q1与Q2交接的Q12平面(M-1维)得到M-2滑动模态,然后在Q12对应的控制规则驱动下到Q12与Q3交接的Q123平面(M-2维),依次到Q123..m平面,得到最终的滑模,系统在将在达到条件下保持在该平面,使系统得到期望的性能。
滑模控制的优点是能够克服系统的不确定性, 对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性,尤其是对非线性系统的控制具有良好的控制效果。
变结构控制-滑模控制PPT

第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
3) 线性系统的相轨迹
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
系统的一种模型,即由某一组数学方程描述的模型, 称为系统的一种结构,系统有几种不同的结构,就是说它 有几种(组)不同数学表达式表达的模型。
第一节 变结构控制简介
1.4 滑模控制优点 滑动模态可以设计且与对象参数和扰动无关,具有快
速响应、对参数变化和扰动不灵敏( 鲁棒性)、无须系统 在线辨识、物理实现简单。
4) 奇点和奇线
1.奇点 --同时满足 x 0 和 f (x, x) 0 的点。
dx 0
dx 0
➢奇点一定位于相平面的横轴上; ➢相轨迹在奇点处切线斜率不定,表明系统在奇点处可以按任意 方向趋近或离开奇点,因此相轨迹族曲线在奇点处发生相交; ➢经过奇点的相轨迹有多条,而经过普通点的相轨迹只有一条; ➢在奇点处,系统运动的速度和加速度同时为零,对二阶系统而 言,系统不再发生运动,处于平衡状态,因此相平面上的奇点也 称为平衡点。
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
第二节 变结构控制理论基础
解:描述系统自由运动的微分方程式为
滑模变结构控制算法综述

滑模变结构控制算法综述作者:雷渊默万彦辉李淑英来源:《中国科技博览》2016年第27期滑模变结构控制是一种自动控制系统的一种设计方法,可用于连续或离散系统、线性或非线性系统、确定性或非确定性系统、集中参数或分布参数系统和集中控制或分散控制等。
这种控制方法通过让控制量不断地切换,使系统状态进入预先设定的滑模面滑动,故而在遇到参数扰动与外部干扰时具有不变性,系统的动态品质仅取决于滑模面及其参数。
滑模变结构控制是一种非线性、不连续的控制方法。
具有鲁棒性强、可靠性高等优点,得到各国学者的广泛重视与不断研究。
1 滑模变结构的抖振问题解决方法在到达切换面时,运动点会穿越了切换面,形成抖振。
抖振会影响系统的准确性、增加能量消耗、破坏系统性能。
产生抖振的主要原因有:(1)开关的时间滞后:当运动点运动到切换面附近,开关的时间滞后会导致控制延时,从而致使状态的准确变化延时。
因为控制量的幅度会随着状态量幅度逐渐减少,所以抖振表现为一段衰减的三角波。
(2)开关的空间滞后:开关的空间滞后即制造了一个状态量变化的“死区”,抖振表现为一段等幅波形。
(3)系统惯性影响:系统惯性会使得系统在接收到控制信号后,平面时仍存在一定的滞后,其抖振表现为一段衰减的三角波。
针对抖振问题,许多学者都提出的解决方法。
1.1 准滑膜动模态方法20世纪80年代,Slotine[1]在中引入了“准滑动模态”和“边界层”的概念,实现准滑动模态控制。
在边界层以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。
此后,有许多学者对该设计进行了拓展与研究。
比如S.C.Y Chung等[2]、J.X.Xu 等[3],分别对于切换函数进行了改进;K.erbatur等[4]、M.S.Chen等[5]等对于边界层设计提出了改进方案。
1.2 趋近律方法高为炳等[6]提出了一种变结构控制系统的抖振消除方法。
选择合适的趋近律的参数,可以减少控制信号的高频抖振。
滑模变结构控制方法

控制律的设计
01
控制律的形式
控制律是变结构控制中的关键部 分,它决定了系统状态在滑模面 上的运动方式和轨迹。
02
控制律的求解
03
控制律的调整
控制律的求解可以采用多种方法 ,如解析法、优化算法和智能算 法等。
控制律的调整可以通过调整控制 参数,以改善系统的跟踪性能和 减小超调。
滑模运动的稳定性
1 2 3
滑模变结构控制方法对外部干扰的抑制能力有限,如果干扰较大, 可能会影响系统的性能。
改进方向
减小抖振
通过改进滑模变结构控制方法的设计,减小切换过程中的抖振现象 ,提高系统的稳定性和性能。
增强对系统参数的鲁棒性
通过改进滑模变结构控制方法的设计,提高其对系统参数变化的鲁 棒性,减小参数变化对系统性能的影响。
THANKS
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04
CATALOGUE
滑模变结构控制方法的优缺点
优点
响应速度快
滑模变结构控制方法能够在短时间内 快速响应,对于系统的快速变化具有 较好的适应性。
设计简单
滑模变结构控制方法的设计过程相对 简单,易于实现,特别适合于处理不 确定性和非线性问题。
鲁棒性强
滑模变结构控制方法对系统参数的变 化和外部干扰具有较强的鲁棒性,可 以在一定程度上减小参数变化和外部 干扰对系统性能的影响。
02
CATALOGUE
滑模变结构控制方法的基本理论
滑模面的设计
滑模面的定义
滑模面是变结构控制中的 核心部分,它决定了系统 状态到达滑模面的方式和 时间。
滑模面的选择
滑模面的选择应满足可达 性、可达性条件和不变性 条件,以保证系统状态能 够稳定地到达滑模面。
滑模面的优化
滑模变结构控制
第1章绪论滑模变结构控制简介变结构控制(VSC: Variable Structure Control)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持续性,这种控制策略与其它控制的不同的地方在于系统的“结构”并非固定,而是能够在动态进程中,按照系统当前的状态(如误差及其各阶导数等),有目的地不断转变,迫使系统依照预定“滑动模态”的状态轨迹运动,所以又常称变结构控制为滑动模态控制(SMC: Sliding Mode Control),即滑模变结构控制。
由于滑动模态能够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、对参数转变及扰动不灵敏、无需系统在线辩识,物理实现简单等长处。
该方式的缺点在于当状态轨迹抵达滑模面后,难于严格地沿着滑面向着平衡点滑动,而是在滑模面双侧来回穿越,从而产生哆嗦。
变结构控制出现于50年代,经历了40余年的进展,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式,适用于线性与非线性系统、持续与离散系统、肯定性与不肯定性系统、集中参数与散布参数系统、集中控制与分散控制等。
而且在实际工程中逐渐取得推行应用,如电机与电力系统控制、机械人控制、飞机控制、卫星姿态控制等等。
这种控制方式通过控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动,使系统在受到参数摄动和外干扰的时候具有不变性,正是这种特性使得变结构控制方式受到各国学者的重视。
变结构控制进展历史变结构控制的进展进程大致可分为三个阶段:(1)1957-1962年此阶段为研究的低级阶段。
前苏联的学者Utkin和Emelyanov在五十年代提出了变结构控制的概念,大体研究对象为二阶线性系统。
(2)1962-1970年六十年代,学者开始针对高阶线性系统进行研究,但仍然限于单输入单输出系统。
主要讨论了高阶线性系统在线性切换函数下控制受限与不受限及二次型切换函数的情形。
(3)1970年以后在线性空间上研究线性系统的变结构控制。
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滑模变结构控制系统的抖振抑制方法研究滑模变结构控制系统是一种常用的控制方法,它可以有效地抑制系统的抖振。
在实际应用中,抖振是一种常见的问题,它会影响系统的稳定性和精度,因此需要采取相应的措施来解决。
滑模变结构控制系统的抖振抑制方法主要包括两个方面:一是设计合适的滑模控制器,二是采用适当的控制策略。
设计合适的滑模控制器是抑制抖振的关键。
滑模控制器是一种非线性控制器,它可以通过引入滑模面来实现对系统的控制。
在滑模控制器中,滑模面是一个超平面,它可以将系统状态空间分为两个部分,一部分是滑模面上方的状态空间,另一部分是滑模面下方的状态空间。
通过控制滑模面的移动,可以实现对系统的控制。
在设计滑模控制器时,需要考虑系统的动态特性和控制要求,选择合适的滑模面和控制参数。
通常情况下,滑模面的选择应该满足系统的稳定性和抗干扰性要求,同时控制参数的选择应该考虑系统的动态响应和控制精度要求。
采用适当的控制策略也是抑制抖振的关键。
在滑模变结构控制系统中,常用的控制策略包括滑模控制、自适应控制、模糊控制等。
这些控制策略可以根据系统的特点和控制要求进行选择和组合,以实现对系统的抖振抑制。
例如,在滑模控制中,可以采用鲁棒滑模控制和变结构滑模控制等
方法,通过引入滑模面和滑模控制律来实现对系统的控制。
在自适应控制中,可以采用模型参考自适应控制和自适应滑模控制等方法,通过引入自适应控制律来实现对系统的控制。
在模糊控制中,可以采用模糊滑模控制和模糊自适应控制等方法,通过引入模糊控制律来实现对系统的控制。
滑模变结构控制系统的抖振抑制方法是一种有效的控制方法,它可以通过设计合适的滑模控制器和采用适当的控制策略来实现对系统的抖振抑制。
在实际应用中,需要根据系统的特点和控制要求进行选择和组合,以实现最优的控制效果。