1、滑模變結構控制在過程控制中的應用專業班級：自動化 學生姓名：指導教師： 職稱： 講師 摘要 滑模控制是一種比較有效的魯棒控制方法，并且系統的動態性可以通過滑模設計來預先設定，無論對線性系統還是非線性系統，滑模控制都顯示出良好的控制特性。滑模變結構控制出現在50年代，由于變結構系統的滑動模態運動對于系統的參數攝動、外界的擾動、系統不確定模態和模型不確定性具有不變性，也就是完全魯棒性，滑模控制才吸引了人們的極大關注。它的不足主要是當系統運動狀態到達滑動平面后，會在滑動平面附近產生高頻抖振，同時系統的控制量也產生高頻振蕩。目前，變結構控制已形成系統、成熟的理論，但一直未被廣泛應用，其原因就是在數字實

2、現時存在抖振。工業生產過程中普遍存在一類具有多變量、非線性特性的復雜對象，對此類對象尋求合適的控制策略和高效的實現方法是工控鄰域的熱門課題之一。目前多變量非線性控制理論正快速發展，如變結構控制理論、模糊控制理論等。本文主要介紹了模糊滑模控制在過程控制中的應用，在變結構控制理論的基礎上，以NEWAUTO公司的EFPT-1型過程控制裝置為被控對象，采用滑模控制理論與變結構滑模控制相結合的控制策略以有效的抑制消弱抖振，顯示良好的魯棒性，并通過MATLAB仿真驗證了所設計控制方案的正確性和有效性。關鍵字： 變結構控制；模糊控制；滑模控制；抖振；魯棒性The Application of Slide M

3、ode Variable Structure Theory in the Process Control Abstract Sliding mode control is an effective and robust control methods， the dynamic system can be designed to predetermined by sliding， no matter for linear or non-linear systems， sliding mode control system shows good control properties.The sli

4、ding mode variable structure control that is brought in 50s is attention-getting because of its ideal robustness. The sliding mode movement of variable structure system holds the invariance for the change of system parameters，outside disturbance，uncertain mode and model uncertainty of the system.Its

5、 flaw is that after the system state getting to the slidingplane，it will produce high frequency chattering around the sliding plane and the control variable of the system will also produce high frequency chattering.Currently， the variable structure control system， has formed the theory， but has not

6、been widely applied， its reason is existing in digital chattering.In the domain of industrial control，one hot focus is to find appropriate control strategy and effective method to deal with the multivariate nonlinear objects. The control theory of multivariate nonlinear system has developed quickly，

7、and lots of algorithms come out，such as Variable Structure Control (VSC)，fuzzy Control，etc.This paper mainly introduces the fuzzy sliding mode control in process control applications.Based on the variable structure control system(VSC)， by using the process control experiment EFPT-1 of NEWAUTO compan

8、y as an object，combining fuzzy control and slide mode control，the chattering of the system is eliminated efficiently. This method exhibits strong global robustness against parameter variations and external disturbance.And through MATLAB simulation results prove that the control scheme design of corr

9、ectness and effectiveness.Keywords variable structure control； fuzzy control； sliding mode control； chattering； robustness目 錄第一章緒 論11.1過程控制概述1過程控制的發展概況11.1.2 過程控制系統組成、特點及性能指標2過程控制策略與算法的進展41.2變結構控制理論概述5變結構控制理論的起源51.2.2 變結構控制理論的發展61.3 變結構控制器的抖振問題及目前國內外抑制抖振的主要方法8變結構控制器的抖振問題8目前國內外抑制抖振的方法91.4 本文的研究內容及章節安

10、排9第二章滑模變結構控制理論112.1 滑模變結構控制的理論11滑模變結構理論概述11滑模變結構控制的概念、原理與性質112.2模糊控制理論13模糊控制的原理142.2.2 模糊控制器的設計步驟142.3模糊控制的應用192.4模糊控制的特點及其問題分析202.5模糊控制的發展趨勢21第三章被控對象和參考模型的建立223.1 被控對象數學模型建立223.2參考模型的建立24第四章 模糊控制在過程控制中的應用254.1滑模模塊的模糊控制結構254.2變結構模型跟蹤控制器的設計264.3 的模糊化27第五章模糊滑模控制系統的仿真305.1 計算機仿真軟件概述305.2系統基本仿真模型305.3系統

11、的仿真及結果分析31第六章 結論36致 謝37參考文獻38第一章緒 論1.1過程控制概述過程控制的發展概況 過程控制通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織、建材、原子能等工業部門生產過程的自動化。 在20世紀40年代前后，工業生產非常落后，大多數工業生產過程均處于手工下操作狀態，人們主要是憑經驗、用于手工方式去控制生產過程。例如生產過程中的關鍵參數靠人工觀察生產過程中的操作也靠人工去執行、當時的勞動生產率是很低的。 40年代以后，工業生產過程自動化技術發展很快。尤其是近些年來，過程控制技術發展更為迅猛。縱觀過程控制的發展歷史，大致經歷以下幾個階段1第一個階段，50年代前后一些工廠企業的生產

12、過程實現丁儀表化和局部自動化。這個階段的主要特點是：過程檢測控制儀表普遍采用基地式儀表和部分單元組合式儀表(多數是氣動儀表)，過程控制系統結構大多數是單輸入、單輸出系統；被控參數主要是溫度、壓力、流量和液位四種參數，控制的目的是保持這些過程參數的穩定，消除或減小主要擾動對生產過程的影響；過程控制理論足以頻率法和根軌跡法為主體的經典控制理論，主要解決單插人、單輸出的定位控制系統的分析和綜合問題。第二個階段，自60年代來，隨著工業生產的不斷發展，對過程控制提出了新的要求；隨著電子技術的迅速發展，也為自動化技術工具的完善創造了條件。在儀表方面，開始大量采用氣動和電動單元組合儀表。為了滿足定型、靈活、

13、多功能的要求，又開發了組裝儀表它將各個單元劃分為更小的功能塊，以適應比較復雜的模擬和邏輯規律相結合的控制系統的需要。與此同時，計算機控制系統開始應用于過程控制領域，實現了直接數字控制與設定值控制。在過程控制系統方面，為了提高控制質量和實現一些特殊的工藝要求，相繼開發和應用了各種復雜的過程控制系統，諸如串級控制、比值控制和均勻控制。在過程控制理論方面，除了仍然采用經典控制理論解決實際工業生產過程中遇到的問題外，現代控制理論得到應用，為實現高水平的過程控制美定了理論基礎，從而過程控制由單變量系統轉向多變量系統。但是，由于過程機理復雜，過程建模困難等等原因，現代控制理論時還難以應用于實際工業生產過程

14、。在此期間， 工廠企業實現廠車間或大型裝置的集中控制。第三個階段，70年代以來，過程控制得到很大發展。隨著現代工業生產的迅猛發展，隨著大規模集成電路制造成功與微處理器的相繼間世，使功能豐富的計算機的可靠性大大提高。而性能價格比又大大提高，尤其是工業控制機采用了冗余技術和軟硬件的自診斷措施，使其滿足工業控制的應用要求。隨著微型計算機的開發、應用和普及，使生產過程自動化的發展達到了一個新的水平。過程控制發展到現代過程控制的新階段計算機時代。80年代以后，工業過程控制得到了一個飛躍的發展。一方面現代控制理論從本質上解決了一般多變量系統的控制問題，包括線性系統、時變系統、非線性系統、微分差分系統等，從

15、而大大促進了過程控制的發展。另一方面，過程控制的結構已從包括許多手動控制的分散局部控制站改變為具有高度自動化的集中、遠程控制中心。使得過程控制的概念有了很大的發展，它不僅包括數據采集與管理、基本過程控制，而且包括先進的管理系統、調度和優化等。柔性化、分散化和集成化的綜合自動化系統，已被應用于實際工業過程。專家系統、神經網絡、模糊控制、過程監督和在線診斷等理論已經大大地促進了過程控制的發展。過程控制在近20年來的發展，又取得了許多新的進展，比如PID算法、模型預測控制算法（MPC）等，這些算法都已經在過程控制中的有了廣泛的應用。同時，過程控制仍然面臨著許多技術上的挑戰，比如金屬鈦氣溶反應器的控制

16、【2】、基于多尺度模型的材料微結構控制【3】、納米合成和加工過程中的控制問題等等。 過程控制系統組成、特點及性能指標過程控制系統一般由以下幾部分組成： (1) 被控過程(或對象)； (2) 用于生產過程參數檢測的檢測與變送儀表； (3) 控制器； (4) 執行機構； (5) 報警、保護和連鎖等其他部件。圖1-1表示了過程控制系統的基本結構。控制器(或稱調節器)根據系統輸出量檢測值與設定值的偏差，按照一定的控制算法輸出控制量，對被控過程進行控制。執行機構(如：調節閥)接受控制器送來的控制信息調節被控量，從而達到預期的控制目標。過程的輸出信號通過過程檢測與變送儀表，反饋到控制器或稱調節器)的輸入端

17、構成閉環控制系統。 圖1-1 過程控制系統基本結構圖 由于過程控制主要是指連續過程工業的過程控制，故過程工業的特點主要指連續過程工業的特點。 過程工業伴隨著物理化學反應、生化反應、物質能量的轉換與傳遞，是一個十分復雜的大系統，存在不確定性、時生性以及非線性等因素。因此，過程控制的難度是顯而易見的，要解決過程控制問題必須采用有針對性的特殊方法與途徑。 過程工業常常處于惡劣的生產環境中，同時常常要求苛刻的生產條件，如高溫、高壓、低溫、真空、易燃、易爆或有毒等等。因此，生產設備與人身的安全性特別重要。 由連續生產的特征可知，過程工業更強調實時性和整體性。協調復雜的精臺與制約因素，求得全局優化，也是十

18、分重要的。因此，有必要采用智能控制方法和計算機控制技術。過程控制系統具有如下特點： (1) 被控過程的多樣性 過程工業涉及到各種工業部門，其物料加工成的產品是多樣的。同時，生產工藝各不相同，如：石油化工過程、冶金工業中的冶煉過程、核工業中的動力核反應過程等等，這些過程的機理不同，甚至執行機構也不同。因此，過程控制系統中的被控對象(包括被控量)是多樣的，明顯地區別于運動控制系統。 (2) 控制方案的多樣性 由過程工業的特點以及被控過程的多樣性決定了過程控制系統的控制方案必然是多樣的。這種多樣性包含系統硬件組成和控制算法以及軟件設計。觀察圖1-1所示過程控制系統的基本結構，早期的控制器是模擬調節儀

19、表，如果將控制器、執行機構(如：調節闖)和檢測與變送儀表統稱為過程檢測控制儀表，則一個簡單的過程控制系統是由被控過程和過程檢測控制儀表兩部分組成，也稱之為儀表過程控制系統。隨著現代工業生產的發展，工業過程越來超復雜，對過程控制的要求也越來越高，傳統的模擬式過程檢測控制儀表已經不能滿足控制要求，因而采用計算機作為控制器組成計算機過程控制系統。從控制方法的角度看，有單變量過程控制系統，也有多變量過程控制系統。同時，控制算法多種多樣，有PID控制、復雜控制，也有包括智能控制的先進控制方法等等。 (3) 被控過程屑設過程且多屆參數控制 連續工業過程大慣性和大滯后的特點決定了被控過程為慢過程。被控過程是

20、物流變化的過程，伴隨物流變化的信息(物性、成分、溫度、壓力、流量、液位或物位)表征為被控過程狀態的參數，也是過程控制系統的被控量。 (4) 定值控制是過程控制的主要形式 在多數生產過程中，被控參數的設定值為一個定值，定值控制的主要任務在于如何減小或消除外界干擾，使被控量盡量保持接近或等于設定值，使生產穩定。 (5) 過程控制有多種分類方法。 1）按被控參數分類，可分為溫度控制系統、壓力控制系統、流量控制系統、液位或物位控制系統、物性控制系統、成分控制系統； 2）按被控量數分類，可分為單變量過程控制系統、多變量過程控制系統， 3）按沒定值分類，可分為定值控制系統、隨動(伺服)控制系統； 4）按參

21、數性質分類，可分為集中參數控制系統、分布參數控制系統； 5）按控制算法分類可分為簡單控制系統、復雜控制系統、先進或高級控制系統；6）按控制器形式分類，可分為常規儀表過程控制系統、計算機過程控制系統。工業過程對控制的要求，可以概括為準確性、穩定性和快速性。另外，定值控制系統隨動(伺服)控制系統對控制的要求既有共同點，也有不同點。定值控制系統在于恒定，即求克服干擾，使系統的被控參數能穩、準、快地保持接近或等于設定值。而隨動(伺服)控制系統的主要目標是跟蹤，即穩、準、快地跟蹤設定值。根據過程控制的特點，主要討論定值檢測的性能指標。圖1-4為一個過程控制系統的階躍響應曲線【4】。圖1-2 過程控制統階

22、躍響應曲線過程控制策略與算法的進展 幾十年來，過程控制策略與算法出現了三種類型：簡單控制、復雜控制與先進控制。通常將單回路PID控制稱為簡單控制。它一直是過程控制的主要手段。PID控制以經典控制理論為基礎，主要用頻域方法對控制系統進行分析設計與綜合。目前，PID控制仍然得到廣泛應用。在許多DCS和PLC系統中，均設有PID控制算法軟件，或PID控制模塊。從20世紀50年代開始，過程控制界逐漸發展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制和Smith預估控制等控制策略與算法，稱之為復雜控制。它們在很大程度上滿足了復雜過程工業的一些特殊控制要求。它們仍然以經典控制理論為基礎，但是結構與應用上各有特色

23、，而且目前仍在繼續改進與發展，20世紀70年代中后期，出現了以DCS和PLC為代表的新型計算機控制裝置，為過程控制提供了強有力的硬件與軟件平臺。從20世紀80年代開始，在現代控制理論和人工智能發展的理論基礎上，針對工業過程本身的非線性、時變性、耦合性和不確定性等特性，提出了許多行之有效的解決方法，如解藕控制、推斷控制、預測控制、模糊控制、自適應控制、人工神經網絡控制等，常統稱為先進過程控制。近十年來，以專家系統、模糊邏輯、神經網絡、遺傳算法為主要方法的基于知識的智能處理方法已經成為過程控制的一種重要技術。先進過程控制方法可以有效地解決那些采用常規控制效果差，甚至無法控制的復雜工業過程的控制問題

24、。實踐證明，先進過程控制方法能取得更高的控制品質和更大的經濟效益，具有廣闊的發展前景。1.2變結構控制理論概述變結構控制理論的起源 1948年維納的 控制論奠定了控制理論的基礎，開創了工業生產、航空航天、國防建設等科技發展的自 動控制時代。半個世紀以來，控制理論以驚人的速度呈現出百花齊放的局面：多變量、不確定性、未建模動態、魯棒性、最優化、自適應、系統辨識；魯棒控制、預測控制、模糊控制、神經網絡控制；經典控制理論、現代控制理論等等新的概念、新的策略、新的理論層出不窮，并逐漸應用于實踐，大大推動了科技的進步。經典控制理論主要研究線性定常系統，被控對象幾乎全部是單輸入-單輸出系統。采用的方法通常以

25、傳遞函數、頻率特性、根軌跡分布為理論基礎的Bode 圖法和的根軌跡法，包括勞斯赫爾維-茨代數判據、奈奎斯特穩定性判據、期望對數頻率特性的分析和綜合等方法。到六十年代后，由于電子計算機的飛速發展和航天飛行器等高科技的推動，產生了基于狀態空間模型的現代理論。它主要研究多輸入-多輸出的線性系統被控對象，用狀態方程代替經典控制理論中的高階微分方程進行系統描述，并把系統中的各個變量均取為時間t的函數，因而它屬于時域分析法，有別于經典控制理論中的頻率方法，這樣更有利于用計算機進行運算和控制。現代控制理論的主要研究內容有： 系統狀態空間建模和能控性、能觀性分析： Lyapunov穩定性理論和Lyapunov

26、函數； 系統辨識和卡爾曼濾波理論：基于龐德里亞金極大值原理和貝爾曼于1957年根據Hmilton-Jacobian方程提出的動態規劃原理的最優控制原理等。 然而，經典控制理論是基于傳遞函數模型的精確描述，現代控制理論是基于狀態空間模型的精確描述。在實際應用過程中，許多被控對象很難精確地描述，如衛星的定位與姿態控制、機器人控制、精密數控機床的運動控制等，各變量間-存在強禍合，參數時變，不確定的內外干擾等因素，從而使得在系統數學建模中不可避免地存在各種形式的不確定性，和系統表現為非線性形態。為了解決不確定非線性系統的控制問題，人們致力于尋求性能良 好、能克服系統各種不確定性而又保持穩定的控制算法，

27、這樣就產生了自 適應理論、魯棒控制理論等非線性控制理論。魯棒控制理論的發展，一定程度上解決了性能魯棒性和穩定魯棒性之間的矛盾。以參數空間為基礎的魯棒控制系統理論，解決了參數有界的不確定性系統的綜合問題，對于結構不確定性系統或者參數、結構不確定性系統，基于算子或魯棒控制理論通過求解靈敏函數。 范數的極小值問題，給出了穩定魯棒控制器的設計方法。但是魯棒控制、自適應控制、古典控制等等，每一種理論都局限于各自的結構，只有變結構控制【-】作為非線性控制的綜合方法，突破了固定的控制結構，給人們以新的思路和方案，是伴隨著“ 魯棒控制”等策略而產生的。從目前看，變結構控制系統存在兩種類型：一種是不具有滑動模態

28、的變結構控制系統；另一種是具有滑動模態的變結構控制系統，通常也稱為滑模變結構控制系統，這種變結構控制系統由于滑動模態的存在，使系統對不確定性因素具有較強的魯棒性和抗干擾性，在國際上受到了廣泛的重視。 變結構控制理論的發展變結構控制理論誕生于前蘇聯。五十年代前蘇聯學者Emelyanov V.S. 首先提出了變結構控制系統 ( Variable Structure Control System，VSCS) 的概念，并且逐步形成了控制系統的綜合方法，Utkin V.I.等在此基礎上進一步發展、 完善了 變結構控制理論， 使得變結構控制理論成為控制科學中的一個重要的分支。七十年代中，歐美學者開始研究這

29、一理論。八十年代中，此理論引起了我國學者的重視，以高為炳為代表。 根據Utkin V.I.的看法變結構控制系統的研究歷史可劃分為三個階段9101) . 滑模變結構理論的誕生到單輸入控制系統階段 ( 1955-1970) 這期間的研究主要是由前蘇聯學者集中在規范空間中進行的，他們所研究的變結構系統有以下幾個主要特證：第一是所給的系統為單輸入高線性微分方程： （1.1）第二是切換平面被定義為如下的二次型： （1.2）第三是系統控制結構被選為： （1.3）式中 總的來說在此期間研究的重點主要為以下幾方面： ( 1 ) 滑動模態的存在性； ( 2 ) 滑動模態的穩定性； ( 3 ) 參數隨時間變化的系

30、統； ( 4 ) 系統參數變化與外干擾的影響： ( 5 ) 狀態非完全可測系統。2). 多輸入多輸出系統的滑模控制階段 （1970-1980）這一期間，一般線性系統的滑動模態控制理論得到了進一步確定。設一般系統為：(1.4)其中，。對于滑模控制，要求有一個階線性切換函數，且個輸入分別存在下列輸入結構： (1.5)此期間多數是理論上的成果，很少應用于實際，原因有三點：一是滑模變結構控制在滑模切換面上存在抖動：二是滑模控制系統的強魯棒性沒有得到充分認識；三是當時計算機的運算速度還不能滿足滑模控制系統的切換要求。3). 高速發展的階段(1980現在)進入八十年代以后，變結構控制理論得到了迅速發展。其

31、表現有兩個方面：第一是從理論上對十分復雜的系統確立了滑模控制系統的設計方法；第二是完全闡明了滑模控制系統對系統參數攝動和外干擾的魯棒性。其結果是從理論和應用兩方面都加速了滑模控制系統的發展。特別是八十年代后半期，隨著科技進步，計算機的高速發展以及高速切換電路的產生，使滑模控制系統容易得到實現，而廣泛應用于工農業生產。在這個階段滑模控制系統理論的研究成果主要表現有： ( 1 ) 系統控制對象擴大。現在的變結構控制不僅僅用于正定調節， 還推廣到系統的伺服調節、模型跟蹤、最優與自適應控制以及狀態觀測器和系統辨識等領域中。 ( 2 ) 在一些不同結構系統中的發展。其中包括對離散時間系統， 輸出反饋系統

32、以及大系統的滑模控制。 ( 3 ) 向其它控制系統滲透。其表現有：a . 非線性系統的滑模控制；b . 具有概率分布參數系統的滑模控制； c . 時間延時系統的滑模控制；d . 復合系統的滑模控制。 ( 4 ) 對滑模變結構控制理論新特性的探索。這些特性包括滑動模態對系統攝動的不變性，系統在到達滑模區或在非滑模區的魯棒性以及對系統抖振的減少與消除。 ( 5 ) 在機器人、電機拖動系統、宇宙空間站以及各種機械減振系統和工業過程系統中的應用。1.3 變結構控制器的抖振問題及目前國內外抑制抖振的主要方法變結構控制器的抖振問題變結構控制由于其滑動模態對加給系統的干擾和系統的攝動具有完全的自適應性，而且

33、系統的狀態一旦進入滑動運動，便快速的收斂到控制目標范圍，因此引起了人們的極大興趣，單同時由于變結構控制在獲得滑動運動的同時也伴隨著高頻抖振的出現，嚴重影響系統的性能，成為制約變結構控制應用的主要問題。實際中系統不可避免的抖振對于變結構系統會產生如下的有害后果：(1) 影響系統動態性能，還可能破壞系統滑動模態的運行條件，從而使系統出現超調過大、過渡過程增長、甚至出現不穩定狀態；(2) 平衡點附近的抖動，會使系統的靜態指標降低，產生靜態誤差；(3) 給系統帶來機械磨損，增加能量的消耗；(4) 高頻抖振可能激發系統未建模部分的強烈振蕩，成為振源，從而使系統無法實現。因此變結構控制的主要任務有以下三點

34、：(1) 盡量削弱或消除滑模控制的抖振問題；(2) 在削弱系統抖振時必須要考慮控制器設計的簡潔性和控制器的動靜態性能指標。(3) 注意到目前滑模控制氣的實現一般采用計算機，必須考慮控制器用軟件算法實現時控制延遲對系統性能的不利影響，并在設計中采取相應措施避免。目前國內外抑制抖振的方法抖振問題已成為滑模變結構控制在工程應用中的突出障礙，近年來，學術界對變結構控制理論的研究已經轉移到如何削弱并防止抖振發生的研究上來，很多學者都在尋求能夠消除控制信號抖動的近似變結構控制算法，1983年SlotienJ.E.提出了一種平滑控制算法，在切換函數的邊界層對控制的不連續性進行平滑；羅寧蘇等提出了一種具有擬滑

35、動特性的抖振消除法；高為炳提出利用趨近律削弱抖振的方法；NasabT.M.提出了一種在被控對象中增加一個積分環節或低通濾波器的方法，通過對象增廣并結合自適應等方法抑制抖振；1988年Shtesse等利用滑動模態的有限時間要求，提出了另一種連續的近似變結構控制算法11。本文將引進模糊控制理論來解決變結構控制的抖振問題。1.4 本文的研究內容及章節安排本文以討論過程控制系統實驗裝置為研究對象，針對一些非線性系統，運用先進的非線性系統控制理論，實現對系統的控制，解決系統難于控制的問題。本文的主要內容有：1. 探討多變量非線性系統的特性、控制理論和方法，并著重分析了滑模變結構控制與模糊控制理論，得出滑

36、模變結構控制系統和模糊控制系統設計的原則和一般步驟。2. 在實驗室過程控制系統實驗裝置基礎上，設計一個兩輸入輸出的非線性液位控制系統，并采用滑模變結構控制策略，解決系統相互干擾，難于控制的問題。運用滑模變結構控制理論，設計開發雙容液位滑模變結構控制系統，并進行實時運行和仿真分析。本文章節安排如下：第1章 是緒論部分，簡單介紹了過程控制、變結構控制的相關知識，并提出了變結構控制中抖振問題。第2章 主要介紹模糊滑模變結構控制的相關知識，如基本原理、定義、性質和設計等。第3章 介紹了被控對象數學模型的建立方法和參考模型的建立。第4章 是模糊滑模控制的過程控制應用及其設計過程。第5章 通過Matlab

37、仿真及其結果分析，驗證了設計模型的準確性及控制策略的有效性。第6章 結論及對本文的回顧。第二章滑模變結構控制理論2.1 滑模變結構控制的理論滑模變結構理論概述變結構控制是一類特殊的非線性控制系統，其非線性表現在控制的非連續性，這種非連續性在實際上是對控制函數的一種開關切換動作。系統在整個控制過程中通過開關的切換，改變系統在狀態控制中的切換面兩邊的結構。開關切換的法則稱為控制策略，它保證系統具有滑動模態，帶有滑動模態的變結構控制叫做滑模變結構控制。滑模變結構控制的概念、原理與性質(1)滑模控制基本原理變結構控制原理在于，當系統狀態穿越狀態空間的滑動超平面時，反饋控制的結構就發生變化，從而使系統性

38、能達到某個期望指標。變結構控制系統能夠通過控制本身結構變化使系統高于一般固定變結構控制所能達到的性能，突破了經典線性控制系統品質限制，較好的解決了動態和靜態性能指標之間的矛盾。變結構控制實質上是一種設計方法，它的運動軌跡由兩個過程組成：趨近模態和滑動模態。變結構控制設計也分為兩個步驟：切換面的設計和控制率的設計。對此參考論文1有詳細的講解，在此不在贅述。 (2)滑模變結構控制的概念與性質考慮一般的情況，在系統 (2.1)的狀態空間中，有一個超平面，如圖2-1所示，圖2-1切換面上三種點的特性它將狀態空間分成0和0上下兩部分，在超平面上的運動點有三種情況【】：通常點系統運動點運動到超平面=0附近

39、時穿越超平面而過如圖2-1上的A點；起始點系統運動點運動到超平面=0附近時，向超平面的兩邊離開，如圖2-1上的B點；終止點系統運動點運動到超平面=0附近時，從超平面兩邊趨向該點，如圖2-1上的C點。在滑模變結構控制中，通常點和起始點無多大意義，而終止點確有特殊的含義，因為如果在超平面上某一區域內所有的點都是終止點的話，則一旦運動點趨向該區域時，就被“吸引”在該區域內運動，又由于系統存在慣性，將會使運動點在切換面上下作小幅度高頻振動，如圖2-2所示，這種運動稱之為“滑模運動”或“滑動模態”，這個區域稱之為“滑動模態區”或簡稱“滑模區”，滑模變結構控制就是根據控制目標設計滑模切換面（=0），然后使

40、控制系統狀態點到達滑模切換面，在切換面上形成滑模運動而不離開切換面，從而達到控制目的。圖2-2切換面的滑模運動從圖2-2也可以看出，抖振問題也是滑模變結構控制理論在實際工程中應用的突出障礙，近年來的學術界尋找出來的消除和削弱抖振的主要方法有以下幾種：1) . 邊界層法變結構控制系統的抖振就是由控制輸入中不連續部分造成的，邊界層法就是利用飽和函數代替符號函數來平滑控制輸入的不連續部分。其中定義如下： (2.2)2) . 趨近律法從物理意義上理解，產生抖振的原因是由于系統運動點以其固有的慣性沖向切換面時具有較大的速度，因此，可以為運動點到達切換面設計各種趨近率。較好的趨近率應該在離切換面遠時，運動

41、點向切換面運動的速度大，而接近切換面時，其速度漸進趨近于零，現在運用最多的趨近率是指數趨近率 (2.3)如果取值較小，值相當大，則可保證趨近速度在理切換面遠時速度大，而在切換面附近時漸進于很小的速度，從而使該系統具有抖振小、過度時間短的優點。3) .單位矢量的連續化對標量控制函數： (2.4)代之以光滑函數： (2.5) 這是一種高增益反饋，對抑制抖振顯然有利，因為系統稍微偏離切換面=0時，大的控制力很快將其拉回到切換面上。4). 頻域近似法頻域近似法所設計的滑模VSC控制器由濾波器和近似的相校正器組成，因此具有平滑濾波的作用，對抑制抖振很有效。5). 積分滑模面法應該說這是一種較好的方法。通

42、過設計具有積分性質的非線性滑模面，使得控制輸入中包含有積分成分，則控制信號總體上說比線性滑模要連續得多。6). 智能控制法引入模糊邏輯、神經網絡等智能控制策略構成混合變結構控制器。由于智能系統具有很強的非線性逼近能力、很強的非線性平滑能力，所以引入智能系統來逼近滑模控制的非線性部分，或直接用智能系統實現滑模控制，都能獲得很好的效果。變結構控制智能化已成為國內外研究的熱點，是變結構控制理論發展的一個趨勢。本文正是通過引入模糊控制理論來解決滑模變結構控制所產生的抖振問題，來實現有效的控制。2.2模糊控制理論 自從1965年美國自動控制理論專家Zadeh L A提出用模糊集合描述客觀世界中存在的不確

43、定性信息以來，模糊邏輯理論有了飛躍性的發展，并得到了廣泛的應用。模糊控制(fuzzy control)是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊控制邏輯推理為基礎的一種智能控制方法，從行為上模擬人的思維方式，對難建模的對象實施模糊推理和決策的一種控制方法，實際上是一種非線性控制。模糊控制作為智能領域中最具有實際意義的一種控制方法，已經在工業控制領域、家用電器自動化領域和其他很多行業中解決了傳統控制方法無法或者是難以解決的問題，取得了令人矚目的成效，引起了越來越多的控制理論的研究人員和相關領域的廣大工程技術人員的極大興趣。模糊控制的原理模糊控制算法的工作過程可以描述如下：微機通過中斷采樣獲取被控制量的精

44、確值，并將此量與給定值比較得到一誤差信號，一般選誤差信號作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號的精確量進行模糊化變成模糊量。誤差的模糊量可用相應的模糊語言表示，得到誤差的模糊語言集合的一個子集(是一個誤差的模糊矢量)，再由和模糊關系根據推理的合成規則進行模糊決策，得到模糊控制量，即：.模糊控制的框圖如圖2-3所示：圖2-3模糊控制原理框圖 由圖2-3可知，模糊控制系統與通常的計算機數字控制系統的主要區別是采用了模糊控制器。模糊控制器是整個模糊控制系統的核心，一個模糊控制系統性能優劣，主要取決于模糊控制器的結構，所采用的模糊規則、合成推理算法及模糊決策的方法等因素。 模糊控制器的設計步驟一、模糊

45、控制器基本結構模糊控制器的原理框圖如圖2-4所示，它包括模糊化接口、知識庫、推理機和解模糊接口等部分。圖2-4模糊控制器的組成框圖一般的模糊控制基本過程如下12： 1. 確定量的模糊化 模糊化就是將基礎變量論域上的確定量變換成基礎變量論域上的模糊集的過程，模糊化的步驟如下： (1) 把精確量離散化，其主要作用是將真實的確定量輸入轉換成一個模糊矢量。在進行模糊化之前，先需對輸入量進尺度變換，使其變換到相應的論域范圍。變換的方法可以是線性的也可以是非線性的。 (2) 確定輸入值相對于相應語言變量語言值的隸屬度。在一個模糊控制系統中，隸屬函數的形狀和位置直接影響著系統的性能。 2. 模糊控制知識庫的

46、生成 模糊控制的知識庫主要由2部分組成，即：數據庫和規則庫。 (1) 數據庫。數據庫所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值(即經過論域等級離散化以后對應值的集合)，若論域為連續域，則為隸屬度函數。數據庫的作用是在規則推理的模糊關系方程求解過程中，向推理機提供數據。 (2) 規則庫。規則庫包含與生產過程有關的經驗型知識，在設計模糊控制規則時，必須考慮控制規則的完備性、交叉性和一致性。模糊控制規則的生成大致有以下4種方法：根據專家經驗或過程知識生成；根據過程模糊模型生成；根據對手工操作的系統觀察和測量生成；根據學習算法生成。模糊控制規則建立完之后，還必須對規則進行優化處理，從本質

47、上解決控制規則的數量與質量問題。 3. 模糊控制算法 模糊控制算法的目的就是從輸入的連續精確量中，通過模糊推理的運算過程，求出相應的清晰量的控制量。模糊控制算法有多種實現形式，目前常采用的算法有：CR I推理法；函數型推理法；Mamdani直接推理法后件函數法；特征展開推理法。除此之外，水本雅晴還提出了“(+，-)重心法”的推理方案，他認為該方法在使用中要比Man2dani推理法來得方便。 4. 模糊量的清晰化 非模糊化處理是將模糊推理中產生的模糊量轉化為精確值，常見的清晰化方法有以下幾種：最大隸屬度值法(MC)；最大隸屬度平均值法(MOM)；面積平均法(COA)；重心法(COG)左取大(LM

48、)和右取大(RM)。由于以上這些清晰化方法在不同程度上都具有一定的局限性，Filev和Yager采用學習機制提出了一種基本非模糊化分布函數法(BADD)，對COG中的加權因子進行了修正，在此基礎上又提出了半線性非模糊化方法(SL IDE)以及改進半線性非模糊化方法(MSLIDE)。J iang和L i對常見非模糊化方法進行了總結，提出了基于廣義傳遞函數的非模糊化方法。總體來講，模糊控制就是這樣一個過程，根據規則庫中設置的隸屬度函數、尺度變換因子以及模糊空間劃分把實際輸出的物理量進行模糊化，然后通過規則庫中既定的規則進行模糊推理得到相應的輸出模糊量，然后把輸出模糊量變換為實際用于控制的清晰量。2

49、、 模糊控制器的設計過程(1) 精確輸入量的模糊化運算模糊化運算是將輸入空間的觀測量映射為輸入論域上的模糊集合，模糊化在處理不確定信息方面具有重要的作用，在模糊控制中，觀測到數據常常是清晰量，由于模糊控制器對數據進行處理是基于模糊集合的方法，因此對輸入數據進行模糊化是必不可少的一步。在進行模糊化運算之前，首先要對輸入量進行尺度變換，使其變換到相應的論域范圍。下面討論模糊化運算中的輸入量均假定為已經經過尺度變換的量。在模糊控制中主要采用以下兩種模糊化的方法：1 單點模糊集合如果輸入數據是精確的，則通常將其模糊化單點模糊集合，設模集合用A表示，則有 (2.6)其隸屬度函數如圖2-5所示，這種模糊化

50、方法只是形式上將清晰量轉化成模糊量，而實質上它表示的仍是準確量。在模糊控制中，當觀測數據準確時，采用這樣的模糊化方法是十分自然和合理的。2 三角形模糊集合如果輸入量數據存在隨機測量噪聲，這時模糊化運算相當于將變化量變換為模糊量。對于這種情況，可以區模糊量的隸屬度函數為等腰三角形，如圖2-6所示，三角形的頂點對應于該隨機數的均值，底邊的長度等于，表示該數據的標準差。 (2.7) (2) 數據庫正如前面所講到的，模糊控制器中的規則庫是由數據庫和模糊控制規則庫組成的，其中，數據庫中包括了與模糊控制規則及模糊數據處理有關的各種參數，其中包括尺度變換變換參數、模糊空間分割和隸屬度函數的選擇等。1 輸入量

51、的尺度變換對于實際的輸入量，首先第一步要進行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍，變換的方法可以是線性的，也可以是非線性的，例如若實際輸入量為，其變換范圍為，采用線性變換，則可得 (2.8) (2.9)其中為比例因子。2 輸入和輸出空間的模糊分割模糊控制規則中前提的語言變量構成模糊輸入空間，結論的語言變量構成模糊輸出空間，每個語言變量的取值為一組模糊語言名稱，它們構成了語言名稱集合，每個模糊語言名稱對應一個模糊集合，其個數決定了模糊控制精細化的程度以及最大可能的模糊規則個數。這些語言名稱通常均為具有一定的含義，如NB：負大；NM：負小；ZE：零；PS：正小；PM：正中；PB：正大等。圖2-7表示

52、兩個模糊分割的例子，論域均為(-1,1)，且，糊分割是完全對稱的。這里假設尺度變換時已經作了預處理而變換成這樣的標準情況。一般情況下，模糊語言名稱也可以是非對稱和非均勻分布的。圖2-7模糊分割的圖形表示對于任意的輸入，模糊控制器均給出合適的控制輸出，這個性質稱為完備性。模糊控制的完備性對于數據庫的要求是：對于任意的輸入，若能找到一個模糊集合，使該輸入對于該模糊集合的隸屬度函數不小于零，則稱該模糊控制器滿足完備性。(3) 模糊控制規則庫模糊控制規則庫是由一系列的IF-THEN型的模糊條件所構成。條件句的前件是輸入和狀態，后件是控制變量1 模糊控制規則的前件和后件變量的選擇模糊控制規則的前件和后件

53、變量也稱為模糊控制器的輸入和輸出的語言變量。輸出量為控制量，它一般比較容易確定。輸入量選擇什幺以及選幾個則需要根據要求來確定。其選擇和確定主要依靠經驗和工程知識。2 模糊控制規則的建立模糊控制規則是模糊控制的核心，其建立通常有4種方法：基于專家經驗、基于控制工程知識、基于操作人員的實際控制過程和基于過程的模糊模型。(4) 清晰化計算對模糊量進行處理，求取一個能恰當反映模糊量的精確值的過程稱為清晰化計算，清晰化計算有很多方法，目前常用的較有效的方法有三種：即最大隸屬度平均法、中位數法和重心法。1 最大隸屬度平均法設模糊控制器的推理輸出是模糊量，其隸屬度最大元素就是精確化所得到的對應準確值，這種方

54、法稱為最大隸屬度法，并且有： (2.10)如果出現多個最大隸屬度元素，則取它們的平均值，這種判決方法在計算機應用中有良好的實用性，并且設計的信息量少，因為這種設計方法根本不考慮隸屬度小的其它元素，也不管模糊推理輸出結果的隸屬度函數的形狀和分布情況，這種方法的最大缺點是精度低，丟失了許多有效的信息。2 中位數法中位數法就是把隸屬度函數的橫坐標所圍成的面積分成兩部分，在兩部分相等的條件下，兩部分分界點所對應的橫坐標值為反模糊化后的精確值。設模糊推理的輸出為模糊量，如果存在，并且使 (2.11)取為反模糊化所得的精確值。中位數法考慮了所有信息的作用，但是由于計算過程比較麻煩，在實際應用中并不普遍。3

55、 重心法重心法把模糊量的重心元素化為反模糊化之后得到的精確值，求取公式為： (2.12)采用重心法來確定模糊量中能反映整個模糊信息的精確值，是目前控制文獻中應用最多的模糊判決方法。2.3模糊控制的應用模糊控制作為21世紀的一種新技術,被廣泛的，用于各種行業,主要有家，、機電、工業生產的過程控制、航空航天的各種控制器的設計等。其中在家電中的應用主要有模糊電視機、模糊空調器、模糊洗衣機等；在機電行業中的應用主要有集裝箱吊車的模糊控制、單片機溫度模糊控制、快速伺服系統定位的模糊控制、直流無刷電機調速的模糊控制等。下面就模糊控制在航空航天中各種控制器的設計中的應用加以詳細介紹。就模糊控制的改進方法,模糊控制的應用大致可分為以下幾種： (1) Fuzzy和PID復合控制。通常由簡單模糊控制器、PI和PID控制器組成。利用模糊控制器對系統實現非線性的智能控制,利用PI，制器克服模糊控制器在系統達到穩態時可能產生的震蕩及穩態誤差大的問題。Fuzzy