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滑模控制理論與應用研究
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滑模控制理論與應用研究 版權信息
- ISBN：9787030733337
- 條形碼：9787030733337 ; 978-7-03-073333-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
滑模控制理論與應用研究 內容簡介
本書是關于滑模控制理論與應用的一本專著，系統地闡述了滑模控制理論的起源、原理和研究現狀，并重點對幾類通用模型系統和典型實際非線性系統，給出了滑模控制設計、分析以及結果驗證，反映了該領域的近期新研究進展.本書共包括13章，可分為三個部分.**部分(第1章)為緒論，介紹了滑模控制的起源、基本原理和研究現狀.第二部分(第2-8章)為滑模控制理論，主要討論了如何針對不同時間域(連續時間域或離散時間域)、不同個體數量(單個體系統或多個體系統)的通用模型系統，進行滑模控制方法的設計和分析，包括連續滑模控制設計、離散滑模控制設計、基于干擾觀測補償的復合滑模控制設計以及基于滑模的多智能體系統一致性協議設計.第三部分(第9-13章)為滑模控制理論應用研究，具體地選取了幾類典型的實際非線性系統(包括永磁同步電機調速系統、直流變換器系統、高超聲速飛行器系統和導彈系統)，給出了具體的滑模控制案例設計、分析和相應的仿真或實驗驗證結果.本書同時兼顧了理論分析和工程需求，可作為自動控制專業的高年級本科生和研究生教材或參考書，也可供相關領域的研究人員和工程師參考。
滑模控制理論與應用研究 目錄
目錄
編者的話
前言
**部分 緒 論
第1章 預備知識 3
1.1 滑模控制問題概述 3
1.1.1 滑模控制簡介 3
1.1.2 滑模控制基本原理 3
1.2 滑模控制研究現狀 6
1.2.1 連續時間滑模控制 7
1.2.2 離散時間滑模控制 10
1.3 本書主要研究內容 13
第二部分 滑模控制理論
第2章 傳統一階滑模控制 19
2.1 引言 19
2.2 基于線性滑模面的滑模控制 21
2.2.1 線性滑模面設計 21
2.2.2 趨近律設計 22
2.2.3 滑模控制器設計 23
2.2.4 抖振問題分析和處理 24
2.2.5 數值仿真 27
2.3 二階系統終端滑模控制 29
2.3.1 二階系統終端滑模控制設計 29
2.3.2 數值仿真 31
2.4 二階系統非奇異終端滑模控制 32
2.4.1 二階系統非奇異終端滑模控制設計 32
2.4.2 數值仿真 35
2.5 高階系統積分終端滑模控制 35
2.5.1 高階系統積分終端滑模控制設計 36
2.5.2 數值仿真 38
2.6 本章小結 39
第3章 非線性系統的二階滑模控制 40
3.1 引言 40
3.2 傳統二階滑模控制 41
3.2.1 螺旋控制設計 41
3.2.2 次*優滑模控制設計 42
3.2.3 準連續時間滑模控制設計 43
3.2.4 超螺旋滑模控制設計 44
3.3 匹配干擾由函數限定條件下的二階滑模控制 46
3.3.1 繼電-多項式二階滑模控制設計 46
3.3.2 準連續繼電-多項式二階滑模控制設計 50
3.4 非匹配干擾由函數限定條件下的二階滑模控制 55
3.4.1 系統建模和問題描述 55
3.4.2 非匹配受擾二階滑模控制設計 56
3.4.3 數值仿真 60
3.5 本章小結 64
第4章 非線性系統的繼電-多項式高階滑模控制 65
4.1 引言 65
4.2 系統建模和問題描述 65
4.3 高階滑模控制相關的齊次理論 67
4.4 繼電-多項式高階滑模控制 68
4.4.1 任意階系統的狀態反饋高階滑模控制設計 68
4.4.2 任意階系統的輸出反饋高階滑模控制設計 77
4.4.3 數值仿真 77
4.5 本章小結 81
第5章 基于干擾觀測器的非匹配受擾系統復合滑模控制 82
5.1 引言 82
5.2 基于干擾觀測器的復合滑模控制 83
5.2.1 非匹配受擾情況下積分滑模控制設計 83
5.2.2 基于干擾觀測器的新型滑模控制設計 84
5.2.3 數值仿真 88
5.3 基于有限時間干擾觀測器的復合非奇異終端滑模控制 91
5.3.1 已有非奇異終端滑模控制方法存在的問題 91
5.3.2 二階系統復合非奇異終端滑模控制設計 92
5.3.3 高階系統復合非奇異終端滑模控制設計 96
5.3.4 數值仿真 99
5.4 本章小結 100
第6章 受擾高階多智能體系統復合滑模一致性協議 102
6.1 引言 102
6.2 數學符號和圖論介紹 105
6.2.1 數學符號 105
6.2.2 圖論介紹 105
6.3 復合滑模漸近一致性協議 106
6.3.1 系統建模和問題描述 106
6.3.2 復合滑模漸近一致性協議設計 106
6.3.3 數值仿真 121
6.4 復合滑模有限時間一致性協議 129
6.4.1 系統建模和問題描述 129
6.4.2 復合滑模有限時間一致性協議設計 129
6.4.3 數值仿真 138
6.5 本章小結 141
第7章 離散時間滑模控制 142
7.1 引言 142
7.2 系統建模和問題描述 143
7.3 傳統離散時間滑模控制 144
7.3.1 基于到達過程的離散時間滑模控制設計 144
7.3.2 基于等價控制的離散時間滑模控制設計 145
7.4 改進的無抖振離散時間滑模控制 146
7.4.1 離散時間滑模面及滑模函數趨近律設計 146
7.4.2 含分數冪的改進離散時間滑模控制設計 146
7.4.3 數值仿真 151
7.5 離散時間終端滑模控制 153
7.5.1 離散化終端滑模結構分析 155
7.5.2 系統穩態和抗干擾性能分析 156
7.5.3 離散時間終端滑模控制器奇異性問題的討論 160
7.5.4 數值仿真 163
7.6 本章小結 164
第三部分 滑模控制應用
第8章 Buck 型直流-直流變換器的二階滑模控制 169
8.1 引言 169
8.2 系統建模和問題描述 169
8.3 Buck 型直流-直流變換器的二階滑模控制設計 172
8.4 面向應用的二階滑模控制設計改進 176
8.5 數值仿真與實驗驗證 177
8.5.1 數值仿真 178
8.5.2 實驗驗證 180
8.6 本章小結 185
第9章 永磁同步電機調速系統的復合滑模控制 186
9.1 引言 186
9.2 系統建模和問題描述 188
9.3 基于擴張狀態觀測器的復合滑模速度控制 189
9.3.1 基準滑模控制設計 191
9.3.2 復合滑模控制設計 192
9.3.3 數值仿真 195
9.3.4 實驗驗證 197
9.4 基于廣義比例積分觀測器的復合滑模速度控制 201
9.4.1 連續時間滑模控制設計 201
9.4.2 連續復合滑模控制設計 203
9.4.3 數值仿真 206
9.4.4 實驗驗證 209
9.5 本章小結 215
第10章 永磁同步直線電機的離散時間終端滑模控制 216
10.1 引言 216
10.2 系統建模和問題描述 217
10.3 離散時間滑模控制 218
10.3.1 傳統離散時間滑模控制設計 218
10.3.2 離散時間終端滑模控制設計 220
10.3.3 數值仿真 224
10.3.4 實驗驗證 227
10.4 本章小結 234
第11章 高超聲速飛行器系統的積分終端滑模控制 235
11.1 引言 235
11.2 系統建模和問題描述 236
11.3 高超聲速飛行器系統跟蹤控制 239
11.3.1 積分終端滑模跟蹤控制設計 239
11.3.2 基于非線性干擾觀測器的復合積分終端滑模跟蹤控制設計 241
11.3.3 數值仿真 244
11.4 本章小結 249
第12章 導彈攔截機動目標的滑模制導律 250
12.1 引言 250
12.2 系統建模和問題描述 252
12.3 二維平面導彈攔截機動目標的滑模制導律 253
12.3.1 滑模制導律設計 253
12.3.2 數值仿真 255
12.4 帶撞擊角度約束的積分滑模制導律 259
12.4.1 基于線性滑模面的滑模制導律設計 260
12.4.2 非線性積分滑模制導律設計 262
12.4.3 有限時間干擾觀測器設計 264
12.4.4 復合積分滑模制導律設計 265
12.4.5 數值仿真 267
12.5 考慮自動駕駛儀動態及撞擊角度約束的滑模制導律 274
12.5.1 積分終端滑模制導律設計 275
12.5.2 非線性干擾觀測器設計 277
12.5.3 復合積分終端滑模制導律設計 279
12.5.4 數值仿真 280
12.6 本章小結 286
附錄A 不等式、定義和引理 287
A.1 書中涉及的主要不等式 287
A.2 有限時間穩定性定義和相關引理 291
A.3 輸入-輸出穩定性定義和相關引理 294
附錄B 命題4.4.1的證明 296
附錄C 命題7.4.1的證明 298
參考文獻 299
編者的話
前言
**部分 緒 論
第1章 預備知識 3
1.1 滑模控制問題概述 3
1.1.1 滑模控制簡介 3
1.1.2 滑模控制基本原理 3
1.2 滑模控制研究現狀 6
1.2.1 連續時間滑模控制 7
1.2.2 離散時間滑模控制 10
1.3 本書主要研究內容 13
第二部分 滑模控制理論
第2章 傳統一階滑模控制 19
2.1 引言 19
2.2 基于線性滑模面的滑模控制 21
2.2.1 線性滑模面設計 21
2.2.2 趨近律設計 22
2.2.3 滑模控制器設計 23
2.2.4 抖振問題分析和處理 24
2.2.5 數值仿真 27
2.3 二階系統終端滑模控制 29
2.3.1 二階系統終端滑模控制設計 29
2.3.2 數值仿真 31
2.4 二階系統非奇異終端滑模控制 32
2.4.1 二階系統非奇異終端滑模控制設計 32
2.4.2 數值仿真 35
2.5 高階系統積分終端滑模控制 35
2.5.1 高階系統積分終端滑模控制設計 36
2.5.2 數值仿真 38
2.6 本章小結 39
第3章 非線性系統的二階滑模控制 40
3.1 引言 40
3.2 傳統二階滑模控制 41
3.2.1 螺旋控制設計 41
3.2.2 次*優滑模控制設計 42
3.2.3 準連續時間滑模控制設計 43
3.2.4 超螺旋滑模控制設計 44
3.3 匹配干擾由函數限定條件下的二階滑模控制 46
3.3.1 繼電-多項式二階滑模控制設計 46
3.3.2 準連續繼電-多項式二階滑模控制設計 50
3.4 非匹配干擾由函數限定條件下的二階滑模控制 55
3.4.1 系統建模和問題描述 55
3.4.2 非匹配受擾二階滑模控制設計 56
3.4.3 數值仿真 60
3.5 本章小結 64
第4章 非線性系統的繼電-多項式高階滑模控制 65
4.1 引言 65
4.2 系統建模和問題描述 65
4.3 高階滑模控制相關的齊次理論 67
4.4 繼電-多項式高階滑模控制 68
4.4.1 任意階系統的狀態反饋高階滑模控制設計 68
4.4.2 任意階系統的輸出反饋高階滑模控制設計 77
4.4.3 數值仿真 77
4.5 本章小結 81
第5章 基于干擾觀測器的非匹配受擾系統復合滑模控制 82
5.1 引言 82
5.2 基于干擾觀測器的復合滑模控制 83
5.2.1 非匹配受擾情況下積分滑模控制設計 83
5.2.2 基于干擾觀測器的新型滑模控制設計 84
5.2.3 數值仿真 88
5.3 基于有限時間干擾觀測器的復合非奇異終端滑模控制 91
5.3.1 已有非奇異終端滑模控制方法存在的問題 91
5.3.2 二階系統復合非奇異終端滑模控制設計 92
5.3.3 高階系統復合非奇異終端滑模控制設計 96
5.3.4 數值仿真 99
5.4 本章小結 100
第6章 受擾高階多智能體系統復合滑模一致性協議 102
6.1 引言 102
6.2 數學符號和圖論介紹 105
6.2.1 數學符號 105
6.2.2 圖論介紹 105
6.3 復合滑模漸近一致性協議 106
6.3.1 系統建模和問題描述 106
6.3.2 復合滑模漸近一致性協議設計 106
6.3.3 數值仿真 121
6.4 復合滑模有限時間一致性協議 129
6.4.1 系統建模和問題描述 129
6.4.2 復合滑模有限時間一致性協議設計 129
6.4.3 數值仿真 138
6.5 本章小結 141
第7章 離散時間滑模控制 142
7.1 引言 142
7.2 系統建模和問題描述 143
7.3 傳統離散時間滑模控制 144
7.3.1 基于到達過程的離散時間滑模控制設計 144
7.3.2 基于等價控制的離散時間滑模控制設計 145
7.4 改進的無抖振離散時間滑模控制 146
7.4.1 離散時間滑模面及滑模函數趨近律設計 146
7.4.2 含分數冪的改進離散時間滑模控制設計 146
7.4.3 數值仿真 151
7.5 離散時間終端滑模控制 153
7.5.1 離散化終端滑模結構分析 155
7.5.2 系統穩態和抗干擾性能分析 156
7.5.3 離散時間終端滑模控制器奇異性問題的討論 160
7.5.4 數值仿真 163
7.6 本章小結 164
第三部分 滑模控制應用
第8章 Buck 型直流-直流變換器的二階滑模控制 169
8.1 引言 169
8.2 系統建模和問題描述 169
8.3 Buck 型直流-直流變換器的二階滑模控制設計 172
8.4 面向應用的二階滑模控制設計改進 176
8.5 數值仿真與實驗驗證 177
8.5.1 數值仿真 178
8.5.2 實驗驗證 180
8.6 本章小結 185
第9章 永磁同步電機調速系統的復合滑模控制 186
9.1 引言 186
9.2 系統建模和問題描述 188
9.3 基于擴張狀態觀測器的復合滑模速度控制 189
9.3.1 基準滑模控制設計 191
9.3.2 復合滑模控制設計 192
9.3.3 數值仿真 195
9.3.4 實驗驗證 197
9.4 基于廣義比例積分觀測器的復合滑模速度控制 201
9.4.1 連續時間滑模控制設計 201
9.4.2 連續復合滑模控制設計 203
9.4.3 數值仿真 206
9.4.4 實驗驗證 209
9.5 本章小結 215
第10章 永磁同步直線電機的離散時間終端滑模控制 216
10.1 引言 216
10.2 系統建模和問題描述 217
10.3 離散時間滑模控制 218
10.3.1 傳統離散時間滑模控制設計 218
10.3.2 離散時間終端滑模控制設計 220
10.3.3 數值仿真 224
10.3.4 實驗驗證 227
10.4 本章小結 234
第11章 高超聲速飛行器系統的積分終端滑模控制 235
11.1 引言 235
11.2 系統建模和問題描述 236
11.3 高超聲速飛行器系統跟蹤控制 239
11.3.1 積分終端滑模跟蹤控制設計 239
11.3.2 基于非線性干擾觀測器的復合積分終端滑模跟蹤控制設計 241
11.3.3 數值仿真 244
11.4 本章小結 249
第12章 導彈攔截機動目標的滑模制導律 250
12.1 引言 250
12.2 系統建模和問題描述 252
12.3 二維平面導彈攔截機動目標的滑模制導律 253
12.3.1 滑模制導律設計 253
12.3.2 數值仿真 255
12.4 帶撞擊角度約束的積分滑模制導律 259
12.4.1 基于線性滑模面的滑模制導律設計 260
12.4.2 非線性積分滑模制導律設計 262
12.4.3 有限時間干擾觀測器設計 264
12.4.4 復合積分滑模制導律設計 265
12.4.5 數值仿真 267
12.5 考慮自動駕駛儀動態及撞擊角度約束的滑模制導律 274
12.5.1 積分終端滑模制導律設計 275
12.5.2 非線性干擾觀測器設計 277
12.5.3 復合積分終端滑模制導律設計 279
12.5.4 數值仿真 280
12.6 本章小結 286
附錄A 不等式、定義和引理 287
A.1 書中涉及的主要不等式 287
A.2 有限時間穩定性定義和相關引理 291
A.3 輸入-輸出穩定性定義和相關引理 294
附錄B 命題4.4.1的證明 296
附錄C 命題7.4.1的證明 298
參考文獻 299
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滑模控制理論與應用研究 節選
**部分 緒論 第1章 預備知識 1.1 滑模控制問題概述 1.1.1 滑模控制簡介 滑模控制 (sliding-mode control， SMC) 本質上是一類特殊的非線性控制方法， 其特征表現為控制的非連續性. 滑模控制使被控系統的狀態有目的地變化， 即滑模控制閉環系統按照預定的滑動模態軌跡運動， 到達指定的工作點. 滑動模態是指滑模控制閉環系統發生在滑動模態面 (空間中一類超平面， 簡稱滑模面) 上的運動形式. 由于滑模面的設計與被控系統的參數及外部干擾無關， 滑模控制具有對系統未建模動態、參數變化和外部干擾不敏感的良好性能 [1， 2]， 即魯棒性和抗干擾性能強. 滑模控制在 20 世紀五六十年代由 Emelyanov 和 Utkin 等蘇聯學者提出. 1977 年， Utkin [3] 發表了一篇關于滑模控制的綜述論文， 系統闡述了滑模控制方法. 經過多年的發展， 滑模控制已經成為控制領域中一個獨立、完善的研究分支， 也是一類被控制理論研究者和工程應用領域專家廣泛使用的非線性控制設計方法. 1.1.2 滑模控制基本原理 滑模控制的主要特點在于控制的非連續性. 基于此特點， 滑模控制作用可使系統狀態在一定條件下在有限時間內到達預先設定的滑模面上 (即到達段)， 然后沿該滑模面運動， 直到收斂到系統平衡點 (即滑動段). 由于滑模面的設計與系統的參數以及外部干擾無關， 處于滑動段的滑模控制閉環系統具有很強的魯棒性和抗干擾性能. 1. 滑模控制設計與分析 考慮如下控制系統: (1.1.1) 其中，是關于的函數. 首先， 選取滑模面 (1.1.2) 這里的滑模面 s(x) 是存在于空間中的超平面 (即滑模面要滿足存在性)， 并且滿足當系統狀態收斂到滑模面時， 能沿滑模面滑動到系統平衡點 (即滑模面要滿足穩定性). 然后， 設計如下帶切換形式的滑模控制器: (1.1.3) 一般地， 滑模控制閉環系統的運動包括到達段和滑動段兩個階段， 即系統狀態在有限時間內到達滑模面 s(x) = 0m(這里 0m 表示 m 維零向量)， 然后沿滑模面滑動到系統平衡點. 系統針對滑模面的有限時間可達性條件可描述如下: 選取能量函數 (1.1.4) 若能量函數 Vs 滿足 (1.1.5) 其中， 則系統狀態在有限時間內到達滑模面s= 0m， 這里 s0 是滑模面在 t = 0s 時刻的初值. 注 1.1.1 若設計的滑模控制器 (1.1.3) 是非連續的 (對應式 (1.1.5) 中 α = 0 的情況)， 則在其作用下， 閉環系統向量場不滿足利普希茨 (Lipschitz) 連續條件， 閉環系統的解無法用傳統的微分方程理論來描述， 需借助微分包含理論進行解釋. 針對非連續微分方程， Filippov [4] 提出了 “平均” 意義下的解， 本書所考慮的非連續時間滑模控制系統的解都是平均意義下的菲利波夫 (Filippov) 解. 詳細的解釋請參考文獻 [4] 和 [5]. 應當指出， 在實際應用中， 由于控制裝置切換頻率的限制， 滑模控制閉環系統狀態無法精確到達滑模面， 而是在滑模面兩側來回穿越， 從而引起系統抖振. 2. 滑模控制設計案例 考慮如下受擾二階系統: (1.1.6) 其中，為系統狀態;為控制輸入; 干擾d(t) 滿足為常數. 針對系統 (1.1.6) 設計滑模面 (1.1.7) 和滑模控制器 (1.1.8) 命題1.1.1 閉環系統 (1.1.6)～(1.1.8) 狀態全局漸近收斂到原點. 證明 證明過程分為到達段和滑動段兩個階段. (1) 到達段: 選取能量函數. 基于滑模面 (1.1.7)， 有. 將式 (1.1.8) 代入該等式可得 (1.1.9) 由式 (1.1.9) 求解可得， Vs 在有限時間內收斂到零， 因此系統狀態在有限時間 T0 內到達滑模面 s = 0. (2) 滑動段: 當系統狀態到達滑模面 s = 0 時， 有 (1.1.10) 所以系統狀態 x1， x2 全局漸近收斂到零. 證畢. 上述滑模控制閉環系統 (1.1.6)～(1.1.8) 的相平面圖如圖 1.1.1 所示. 對于上述滑模控制設計案例， 以下給出一組仿真. 系統 (1.1.6) 中的外部干擾為 d(t) = sin t， 系統初始狀態為滑模面 (1.1.7) 的參數選取為 c = 2， 滑模控制器 (1.1.8) 的增益選取為 k = 2. 滑模控制器 (1.1.8) 下的系統響應曲線如圖 1.1.2 所示. 如圖 1.1.2(a) 和 (b) 所示， 和命題 1.1.1 中的結論一致， 閉環系統狀態在有限時間內收斂到滑模面 s = 0 上， 然后沿滑模面漸近收斂到原點. 圖 1.1.1 滑模控制閉環系統(1.1.6)～(1.1.8)的相平面圖 圖 1.1.2 滑模控制器 (1.1.8) 下系統響應曲線 1.2 滑模控制研究現狀 由于滑模控制具有強魯棒性和強抗干擾性能等優點， 國內外研究者已投入大量的時間與精力致力于滑模控制研究， 并取得了豐碩的研究成果， 如線性滑模面設計與非線性滑模面設計， 傳統一階滑模控制設計與高階滑模控制設計， 以及從
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