空间系绳系统展开的滑模变结构控制-控制理论与应用

滑模变结构控制理论及其算法研究与进展一、本文概述滑模变结构控制理论，作为一种独特的非线性控制方法，自其诞生以来，就因其对系统参数变化和外部干扰的强鲁棒性，以及易于实现的优点，在控制工程领域引起了广泛的关注和研究。

本文旨在对滑模变结构控制理论及其算法的研究进展进行综述，分析其基本原理、特性、设计方法以及在实际应用中的表现，以期为后续研究提供有益的参考。

文章首先回顾了滑模变结构控制理论的发展历程，从最初的滑动模态概念提出，到后来的各种改进和优化算法的出现，展示了该理论在理论和实践上的不断进步。

接着，文章将详细介绍滑模变结构控制的基本原理和特性，包括滑动模态的存在条件、滑动模态的稳定性分析、以及滑模面的设计等。

在此基础上，文章将重点探讨滑模变结构控制算法的研究进展，包括各种新型滑模面设计、滑动模态优化方法、以及与其他控制策略的融合等。

文章还将对滑模变结构控制在各类实际系统中的应用进行案例分析，以展示其在实际工程中的有效性和潜力。

文章将总结滑模变结构控制理论及其算法的研究现状，分析当前研究中存在的问题和挑战，并对未来的研究方向进行展望。

希望通过本文的综述，能为滑模变结构控制理论的发展和应用提供有益的启示和参考。

二、滑模变结构控制理论基础滑模变结构控制（Sliding Mode Variable Structure Control，简称SMVSC）是一种特殊的非线性控制方法，其理论基础主要包括滑模面的设计、滑模运动的稳定性分析以及控制算法的实现。

滑模变结构控制的核心思想是在系统状态空间中构建一个滑动模态区（即滑模面），并设计控制策略使得系统状态在受到扰动或参数摄动时，能够在有限时间内到达并维持在滑模面上滑动，从而实现对系统的有效控制。

滑模面的设计是滑模变结构控制的关键。

滑模面需要满足一定的条件，如可达性、存在性和稳定性等，以确保系统状态能够到达滑模面并在其上滑动。

一般来说，滑模面的设计需要综合考虑系统的动态特性、控制目标以及约束条件等因素。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910104684.2(22)申请日 2019.02.01(71)申请人 杭州电子科技大学地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区白杨街道2号大街1158号申请人 浙江大学(72)发明人 王班　郭吉丰　鄢雨辰　周茂瑛　周传平　冯长水　(74)专利代理机构 杭州君度专利代理事务所(特殊普通合伙) 33240代理人 朱月芬(51)Int.Cl.G05B 13/04(2006.01)(54)发明名称基于滑模变结构控制的空间绳系组合体二维消摆控制方法(57)摘要本发明公开了一种基于滑模变结构控制的空间绳系组合体二维消摆控制方法。

建立空间固定直角坐标系，根据拉格朗日方程建立得到空间绳系组合体的摆动动力学模型，并转化成状态方程，建立滑模变结构摆角抑制控制方式、速度反馈控制方式、位置反馈控制方式，分别处理获得摆角、速度、位置的控制量并复合计算获得总控制量带入到摆动动力学模型中进行控制。

本发明方法实现空间绳系组合体二维摆动控制，具有控制响应快、鲁棒性好、抗干扰能力强等优点。

权利要求书3页 说明书5页 附图2页CN 109799709 A 2019.05.24C N 109799709A1.一种基于滑模变结构控制的空间绳系组合体二维消摆控制方法，其特征在于，该方法的步骤如下：步骤1)以拖拽方向作为Z轴，垂直于拖拽方向的平面上建立XY轴，构建XYZ三维笛卡尔坐标系作为空间固定直角坐标系；根据拉格朗日方程建立得到空间绳系组合体的摆动动力学模型为：其中：(x，y，z)为任务平台的质心O 0在空间固定直角坐标系的三维坐标，m为目标星的质量，l为任务平台和目标星之间的系绳长度，F T 表示系绳张力，θ为O 0O 1在XZ平面的投影与锥体中心线之间的夹角即空间绳系组合体的面内摆角，为O 0O 1在XZ平面的投影与O 0O 1之间的夹角即空间绳系组合体的面外摆角，O 1为目标星的质心；字母上的一点表示一阶导数，字母上的两点表示二阶导数；初始设置任务平台质心O 0在X和Y轴方向上的加速度u ax ,u ay 分别表示实现摆角控制的x 、y 方向加速度控制量，系绳长度的一阶导数并构造状态变量x 1,x 2,x 3,x 4分别表示第一～第四状态变量，将空间绳系组合体的摆动动力学模型转化成状态方程：步骤2)在拖拽过程中，任务平台质心O 0在Z轴方向上的加速度和系绳长度l固定不变，以任务平台质心O 0在X和Y轴方向上的加速度作为控制输入量进行控制器设计，选取趋近律建立以下滑模变结构摆角抑制控制方式：权　利　要　求　书1/3页2CN 109799709 A。

1 滑模控制概述变结构系统，广义地说，是在控制过程(或瞬态过程)中，系统结构(或模型)可发生变化的系统。

这种控制方法的特点就在于系统的“结构力不是固定的，而是可以在动态过程中，随着系统的变化，根据当前系统状态，系统的各阶导数和偏差等，使系统按照设计好的“滑动模态”的状态轨迹运动。

由于滑动模态可以进行设计并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、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。

这种方法的缺点是当系统状态运行到滑模面后，难于严格地沿着滑模面向平衡点滑动，而是在滑模面两侧来回穿越，从而产生抖动。

滑模变结构控制是一种先进的控制方法，文献[34-51]讲述了这种控制方法是20世纪50年代，前苏联学者Emelyanov 首先提出了变结构控制的概念之后，UtkinE 等人进一步发展了变结构理论。

具有滑动模态的变结构系统不仅对外界干扰和参数摄动具有较强的鲁棒性，而且可以通过滑动模态的设计来获得满意的动态品质。

在这种控制方法的初始阶段研究的对象为二阶及单输入的高阶系统，采用的分析方法为相平i 酊法来分析系统特性。

20世纪70年代以来研究对象转变为状态空问的线性系统，使得变结构控制系统设计思想得到了不断丰富，并逐渐成为一个相对独立的研究分支，成为自动控制系统的一种设计方法，适用于线性与非线性系统、连续与离散系统、确定性与不确定性系统、集中参数与分布参数系统、集中控制与分散控制等。

并且在实际工程中逐渐得到推广应用，如电机与电力系统控制、机器人控制、飞机控制、卫星姿态控制等。

这种控制方法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时具有不变性，正是这种特性使得变结构控制方法得到了越来越广泛的应用。

2 滑模控制的基本思想考虑一般的情况，在系统)(.x f x = nR x ∈的状态空间中，有一个切换面是0),,,()(321=⋯⋯=n x x x x s x s 它将状态空间分成上下两部分S>0及S<0。

滑模变结构控制及应用滑模变结构控制（Sliding Mode Control，SMC）是一种具有强鲁棒性和抗扰动能力的非线性控制方法。

它是20世纪80年代发展起来的一种控制方法，它通过在滑模面上引入一个不连续函数来实现对系统状态的高频率的转换控制，从而将控制系统的性能提高到一个新的水平。

滑模变结构控制在自动控制领域中得到了广泛的研究与应用，下面我将就其基本原理、设计方法以及应用领域进行详细介绍。

滑模变结构控制的基本原理：滑模变结构控制的基本原理是引入一个滑模面，通过使系统状态在滑模面上进行快速的滑动，从而达到控制系统的稳定性和鲁棒性。

在滑模面上，系统状态由于受到控制输入和系统的非线性特性的影响而发生快速切换，从而使系统状态的滑动速度不断变化，最终达到滑动面的稳定状态。

滑模控制器利用滑模面上的控制输入来驱动系统状态沿着滑模面滑动，以实现状态的稳定和跟踪。

滑模变结构控制的设计方法：滑模变结构控制一般包括滑模面的设计和滑模控制器的设计两个步骤。

滑模面的设计要求其具有可实现性、稳定性和鲁棒性等特性，常用的滑模面设计方法包括等效控制、非线性控制、线性控制等。

滑模控制器的设计包括产生控制输入和产生滑模面两个部分，常用的滑模控制器设计方法包括理想滑模控制器、改进滑模控制器、自适应滑模控制器等。

滑模变结构控制的应用领域：滑模变结构控制在各个领域中都有广泛的应用，下面我将就几个典型的应用领域进行介绍。

1. 机械控制系统：滑模变结构控制在机械控制系统中应用广泛，例如机械臂控制、机械手控制等。

滑模变结构控制可以提供强鲁棒性和抗扰动能力，可以保证机械系统在复杂环境下的精确运动和稳定控制。

2. 电力系统：滑模变结构控制在电力系统中的应用主要包括电力系统稳定控制、电力系统调度控制等。

滑模变结构控制可以有效地处理电力系统中的不确定性和扰动，提高电力系统的稳态和动态性能。

3. 交通运输系统：滑模变结构控制在交通运输系统中的应用包括车辆控制、交通信号控制等。

滑模控制在状态空间中的应用滑模控制是一种常用的控制方法，在状态空间中的应用广泛。

滑模控制通过引入滑模面来实现对系统状态的控制，具有较强的鲁棒性和快速响应的特点，适用于各种复杂的控制系统。

在状态空间中，系统的状态可以用状态向量表示，滑模控制通过设计适当的滑模面来实现对状态的控制。

滑模面是一个超平面，它的选择是滑模控制设计的关键。

通常情况下，滑模面的选择是基于系统的动态特性和控制要求的。

滑模控制的核心思想是通过控制滑模面上的状态变量，使其在滑模面上运动，从而实现对系统状态的控制。

具体而言，滑模控制包括两个重要的部分：滑模面的设计和滑模控制律的设计。

滑模面的设计是滑模控制的关键，它决定了系统状态的收敛性和控制性能。

滑模面的设计要考虑到系统的动态特性和控制要求。

一般情况下，滑模面的选择应使系统状态在滑模面上运动，并保持在滑模面上。

这样可以确保系统状态的收敛性和稳定性。

滑模控制律的设计是滑模控制的另一个关键，它决定了滑模面上的状态变量如何控制系统状态。

滑模控制律通常包括两个部分：滑模控制输入和滑模面的更新。

滑模控制输入是通过控制滑模面上的状态变量来实现对系统状态的控制。

滑模面的更新是通过将滑模面的参数调整到最佳值，使系统状态能够在滑模面上运动。

滑模控制在状态空间中的应用非常广泛。

它可以应用于各种复杂的控制系统，如飞行器、机器人、磁悬浮系统等。

滑模控制可以处理系统的非线性和不确定性，具有较强的鲁棒性和快速响应的特点。

滑模控制在实际工程中已经得到了广泛的应用。

以飞行器为例，滑模控制可以实现对飞行器的位置、速度和姿态等状态的控制。

通过设计适当的滑模面和滑模控制律，可以使飞行器在空间中保持稳定的飞行状态，并且能够快速响应控制指令。

滑模控制具有较强的鲁棒性，可以处理飞行器的非线性和不确定性，提高飞行器的控制性能。

除了飞行器，滑模控制还可以应用于机器人的控制。

机器人通常具有多个自由度，控制复杂度较高。

滑模控制可以实现对机器人的位置、速度和力矩等状态的控制。

滑模变结构控制理论研究综述滑模变结构控制理论是一种广泛应用于各种系统的控制方法。

本文旨在全面深入地探讨滑模变结构控制理论的研究现状及其发展趋势。

本文将简要介绍滑模变结构控制理论的背景和意义，以及其在各个领域的应用前景。

然后，本文将详细介绍滑模变结构控制理论的基本原理和研究现状，并针对目前存在的问题和不足进行探讨。

本文将分析滑模变结构控制理论的发展趋势，提出未来的研究方向和挑战。

滑模变结构控制理论是一种非线性控制方法，其本质是利用系统结构在动态过程中的切换来实现对系统的控制。

滑模变结构控制理论具有鲁棒性强、适应性好等优点，因而在许多领域都具有广泛的应用价值。

然而，滑模变结构控制理论在实际应用中也存在着一些问题和挑战，如抖振、控制精度等问题，因而其研究具有重要性和必要性。

滑模变结构控制理论的研究主要涉及理论研究和实际应用两个方面。

在理论研究方面，主要研究滑模面的设计、系统抖振的抑制等问题。

例如，通过设计合适的滑模面，可以使得系统状态在滑模面上滑动的过程中具有较好的动态性能和鲁棒性。

在实践应用方面，滑模变结构控制理论已被广泛应用于各种系统，如无人驾驶汽车、机器人、电力电子系统等。

随着科学技术的发展，滑模变结构控制理论的研究也在不断深入。

未来滑模变结构控制理论的发展趋势主要体现在以下几个方面：抖振的抑制：抖振问题是滑模变结构控制理论在实际应用中一个亟待解决的问题。

未来的研究将致力于寻找更有效的抖振抑制方法，提高系统的控制精度和鲁棒性。

智能优化算法的应用：随着智能优化算法的发展，未来的研究将更加注重将滑模变结构控制理论与智能优化算法相结合，以实现更高效、更精确的系统控制。

多变量系统的控制：目前滑模变结构控制理论的研究主要集中在单变量系统，而对于多变量系统的研究还比较少。

未来将加强对于多变量系统的滑模控制研究，以实现更加复杂的系统控制。

应用于更多领域：目前滑模变结构控制理论已经应用于许多领域，如无人驾驶汽车、机器人等。

滑模变结构控制理论及其在机器人中的应用研究共3篇滑模变结构控制理论及其在机器人中的应用研究1滑模变结构控制（Sliding Mode Control，SMC）是一种非线性控制方法，具有高精度、强适应性、鲁棒性好等优点，因此被广泛应用于机器人控制领域。

其基本思想是构造一个滑模面，使系统状态到达该面后就会保持在该面上运动，在保证系统稳定性的同时达到控制目的。

本文将阐述滑模变结构控制的理论基础以及在机器人控制中的应用研究。

一、滑模变结构控制的理论基础1. 滑模面滑模面是滑模控制的核心概念，它是一个虚拟平面，将控制系统的状态分为两个区域：滑模面上和滑模面下。

在滑模面上，系统状态变化很小，具有惯性；而在滑模面下，系统状态变化很大，具有灵敏性。

在滑模控制中，系统状态必须追踪滑模面运动，并保持在滑模面上，进而实现控制目的。

2. 滑模控制定律滑模控制定律是滑模变结构控制的核心之一，主要由滑模控制器和滑模面组成。

滑模控制器将系统状态误差与滑模面上的虚拟控制输入之间做差，生成实际控制输入。

而滑模面则是根据控制目的和系统性质，通过手动选择滑模面的形状和大小来合理地设计。

例如，对于已知模型的系统，可使用小扰动理论来设计滑模面；而对于未知模型的系统，可使用自适应滑模控制来自动调节滑模面。

总体来说，滑模控制定律是一种强鲁棒控制方法，在快速响应、鲁棒性和适应性等方面都表现出色。

3. 滑模变结构控制滑模变结构控制是将滑模控制定律与变结构控制相结合形成的一种新型控制方法。

在滑模变结构控制中，滑模面被用来描述整个系统状态，而滑模控制定律则用来保证系统状态追踪滑模面的过程中，系统特征不会发生大的变化。

换句话说，滑模控制定律的目的是在系统状态到达滑模面后，控制系统能够迅速且平稳地滑过该面，进而保持在滑模面上稳定运动。

二、滑模变结构控制在机器人中的应用研究滑模变结构控制广泛应用于机器人控制领域，例如：机器臂控制、移动机器人控制、人形机器人控制等。

滑模变结构控制的原理滑模变结构控制（Sliding Mode Variable Structure Control，SMVSC）是一种智能控制理论，它由中国科学家李宏毅于上世纪八十年代提出。

该理论针对系统具有不确定性、多模态和非线性特性的智能控制，以及运动力学系统的滑模分析和控制，开展了大量的理论研究和应用研究，并取得了显著的成果。

滑模变结构控制的原理是将变结构控制（VSC）与滑模控制（SMC）相结合，综合考虑系统的抗扰能力和抗干扰能力，在保证系统的动态特性的基础上，消除系统参数不确定性、多模态性和非线性性带来的影响。

滑模变结构控制是一种基于状态反馈的控制技术，包括模糊控制和神经网络控制。

它能够根据系统状态变化来调节系统的结构，以达到最优的控制效果。

滑模变结构控制的基本原理是在系统参数不确定情况下，根据系统状态变化，通过调整控制器状态来实现对系统的控制。

它使用一种“滑模变结构”控制器，通过模糊控制或神经网络控制，来实现系统参数不确定性、多模态性和非线性性的控制，从而达到较佳的控制效果。

它借助于滑模控制的结构，在保证系统动态特性的基础上，使得系统能够抗扰能力强，抗干扰能力也强，同时对系统的参数变化也比较灵活。

滑模变结构控制的控制器可以被用来控制非线性系统，尤其是那些具有较大的参数不确定性和复杂的动力学结构的系统，具有较好的抗扰能力和抗干扰能力。

滑模变结构控制由三部分组成：最优控制（optimal control）、滑模控制（sliding mode control）和变结构控制（variable structure control）。

它采用模糊控制或神经网络技术，来实现变结构控制，从而实现系统参数不确定性、多模态性和非线性性的控制，从而使系统具有较强的抗扰能力和抗干扰能力。

滑模变结构控制的研究主要集中在以下几个方面：1）研究系统的抗扰能力和抗干扰能力；2）控制算法的研究；3）控制策略的研究；4）控制器的设计。

广义系统的有限时间滑模变结构控制在过去几十年里，自动控制已经发展成为一项重要的科学研究领域，被广泛应用于各个领域，其最重要的特点是可以实现系统动态变化和精确控制。

随着技术发展，自动控制已经发展成为一个复杂的系统，它包括多种控制理论，例如有限时间滑模变结构控制（FTMC），它是自动控制领域的重要分支。

有限时间滑模变结构控制（FTMC）是一种限制控制理论，它结合了非线性滑模控制理论和有限时间控制理论，实现了机器动态变化的高精度控制。

与传统控制理论相比，有限时间滑模变结构控制可以更有效地解决复杂系统的控制问题，更广泛应用于对系统性能要求较高的情况。

因此，有限时间滑模变结构控制可以说是机器人等机械系统的重要设计原理。

有限时间滑模变结构控制的原理是利用非线性滑模控制原理，把控制系统的输出效应分解为多个有限时间段，每一个段都是一个有限时间控制问题。

由于每一段都是有限时间控制问题，可以简化控制系统的设计，减少解决问题的难度，并提高控制效果。

有限时间滑模变结构控制的实施过程通常分为三个步骤：1）状态转移：实时计算系统的输入和输出以及系统的状态；2）计算控制量：计算控制量，实现控制的目的；3）适应变化：由于系统环境的不断变化，及时调整控制参数，以适应系统变化。

有限时间滑模变结构控制可以应用于各种系统，并有以下几个优点：1）有效地解决非线性系统的控制问题；2）可以有效地控制复杂的系统，并获得更高的精确度；3）可以有效解决变化环境下的控制问题，系统变化时可以及时做出调整；4）可以有效地提高机器振动抑制效果。

因此，有限时间滑模变结构控制是自动控制领域的重要内容，它可以有效解决复杂系统控制问题，对实现机器性能具有重要意义。

未来，有限时间滑模变结构控制肯定会进一步发展，广泛应用于机器人和其他机械系统的控制。

基于滑模变结构控制的空间绳系组合体二维消摆控制方法在空间绳系组合体中，绳系通过连接多个物体形成一个网络结构，可以用来维持、控制和操作各个物体的运动。

在这种组合体中，常常需要对绳系进行消摆控制，以减小摆动幅度，保证物体稳定运动。

滑模变结构控制（SMC）是一种常用的控制方法，其核心思想是通过设计一个适当的滑模面来实现对系统的鲁棒控制。

在滑模变结构控制中，通过引入一个滑模面，将系统状态切换到滑模面上，从而将非线性的系统动力学问题转化为滑模面上的线性问题，然后通过设计滑模面的合适参数，实现系统的稳定和性能要求。

对于空间绳系组合体的消摆控制问题，可以采用滑模变结构控制方法来设计控制器。

具体的控制方法包括以下几个步骤：（1）建立系统动力学模型：首先需要建立空间绳系组合体的动力学模型，包括绳系的长度、质量、刚度、阻尼等参数，以及各个物体的质量和惯性矩阵。

通过建立动力学模型，可以描述绳系的运动规律和摆动特性。

（2）设计滑模面：根据系统的动力学特性和控制要求，设计一个合适的滑模面。

滑模面的选择应该使得系统能够在滑模面上实现稳定运动，并且能够快速抑制摆动。

（3）设计控制律：根据滑模面的设计，可以得到对应的控制律。

控制律的目标是使系统的状态能够迅速切换到滑模面上，并稳定在滑模面上运动。

（4）引入鲁棒补偿：为了增强系统的鲁棒性能，可以引入鲁棒补偿器。

鲁棒补偿器可以对非线性项进行补偿，提高系统的鲁棒性能，使得系统能够更好地适应未知扰动和参数变化。

（5）性能分析和参数调节：通过对控制器的性能进行分析和评估，可以确定合适的控制参数。

参数调节的目标是使系统满足性能要求，并且具有较好的稳定性和鲁棒性。

通过以上步骤，可以设计出基于滑模变结构控制的空间绳系组合体二维消摆控制方法。

该方法能够有效地抑制绳系的摆动，保证物体的稳定运动。

同时，通过引入鲁棒补偿器和参数调节，可以提高系统的鲁棒性能，使得系统对未知扰动和参数变化具有一定的适应性。

作者： 江汉文
作者机构： 武汉出版社
出版物刊名： 出版科学
页码： 56-57页
主题词： 控制理论;滑模控制;控制系统;非线性系统;设计方法;工程控制论;滑动模态;变结构系统;鲁棒控制;闲话
摘要： <正> 作为变结构系统的《滑模控制理论及其应用》,是一部反映近十多年来最新成果的专著。

作者田宏奇博士是我国的年轻学者,从1982年起一直潜心研究滑模控制理论及其应用。

滑模控制是属于非线性系统的自适应鲁棒控制。

这是控制论的一个新领域。

说来惭愧,我自接触这一选题到编完书稿用了三年时间。

编后感慨尤多,直觉得有许多话要说,也许是一些闲话。

是1992年春夏之交的一天,田博士从国外归来,到武汉出版社见我。

见面时,他没有只言片语的客套话,径直说:“我计划写一部书稿,书名是《滑模控制理论》。

”他不待我作任何表示,便滔滔不绝地介绍他的理。