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滑模控制的疑惑,头脑要炸了,请滑模控制高手解惑

作者 everfx
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滑模控制看似挺简单的,就是2步,第一步设计合适的滑模面,并证明滑模面的稳定性,这样一旦到达滑模面后,就一直保持在滑模面上了。第二步是要设计控制律,使得系统到达滑模面。我现在比较困惑:这个到达过程,一般情况下采用符号函数来作控制律,然后让sign(s)的增益k大于干扰d的上界D.我就以刘金琨的滑模变结构控制Matlab仿真书中的第二章第一个例子来说吧(第25页,第2版),Jx''=u+d, J为转动惯量,x为角度,u控制,d干扰,d的绝对值小于D(D为正实数),设计滑模面为s=ce+de/dt,c满足Hurwitz条件,从而s是稳定的滑模面,从而第一步就不用证明了。跟踪误差e=x-xd,xd为理想的角度信号.
定义L泛函V=0.5*s^2,然后得到滑模控制律为u=J(-cde/dt+xd"-eta*sign(s))-D*sign(s),eta为一正实数.从而sds/dt<-eta*abs(s),abs(s)为s的绝对值,从而有限时间内滑模面到达.
我的问题是,上面这个滑模控制律是切换控制吗?它在到达滑模的过程中一直切换是吗?在到达滑模面后它还在切换吗?
上面这个例子,我们看到只用这一个滑模控制律u=J(-cde/dt+xd"-eta*sign(s))-D*sign(s),整个控制器就设计完毕了,因为滑模面前面选择为Hurwitz的,所以滑模面的稳定性不用证明了,本身就稳定。也就是到达条件跟稳定条件都满足了。可是,我看不少文献,还提等效控制的概念,Utikin本人也提,那么等效控制又是干嘛呢?好多人都说是在s=0的时候,那么ds/dt=0,因为是滑模面相对于u是一阶的,所以ds/dt里面会含有u,他们就把这u叫做ueq,也就是等效控制。可是在刚才的例子里面,我们并没有用什么等效控制啊,直接用u=J(-cde/dt+xd"-eta*sign(s))-D*sign(s)就让系统稳定。还有,我看好多文献直接这么设计滑模控制律u=ueq+u切换,然后来分别得到ueq跟u切换。可是,这到底啥意思啊?上面的例子怎么没有呢,好多文章也没这个求啊,怎么一部分人用这个,另一部分不用这个?大家都说自己的是滑模控制?难道2个都是?
还有个是补偿,因为Jx''=u+d里面有干扰,滑模的优点说一千道一万,就是对干扰的不变性。滑模控制说到底就是补偿掉干扰d,可是到底怎么补偿掉d的呢?有限时间到达滑模面,还有什么东西需要切换呢,难道是通过切换补偿d ?(我倾向于此)。假设,已经到达了滑模面s=0,那么sign(s)就等于0了啊,怎么还有切换呢?因为切换通过符号函数来实现,现在已经达到滑模面了,sign(s)不就等于0了吗? 如果在滑模面上不存在切换,那么干扰d到底怎么补偿的呢,要知道干扰d是一直存在的啊。还有,如果没有切换,那么滑模的最大缺点 抖振又体现在哪呢?
那么,现在到底是有 还是没有切换呢?有切换,感觉不对,没有切换,感觉更不对!什么时间段切换呢?是在达到阶段有切换?还是在滑模面上有切换?还是2个都切换?等效控制又是什么意思呢?为什么要引进等效控制呢?它到底是来说明什么问题的呢?
还有,有限时间到达滑模面,是指比如就5秒吧,那5s后s就恒等于0吗?现在这里,我们只考虑理想情况,不考虑控制器中执行器的延迟,从而可能导致只能到达滑模面的领域,所以在这里我们假设到达完美的滑模面s=0,我想先还是把最理想的情况搞明白吧。
我的疑惑真的比较多,请滑模控制方面的高手来解惑,谢谢!

[ Last edited by everfx on 2013-11-11 at 23:24 ] 返回小木虫查看更多

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  • 精华评论
  • DocBee

    1.“上面这个滑模控制律是切换控制吗?它在到达滑模的过程中一直切换是吗?在到达滑模面后它还在切换吗?”
    滑模控制是一种特殊的切换控制。在到达滑模过程中一直切换,以保证ss’<0这个条件。这个不难理解,如果s>0,那我就通过s’<0来让s减小,反之,s<0,那就通过s'>0来增加s。于是在有限时间内,s必然会趋于s=0。连续系统的状态能够完全达到s=0,离散系统则不然,他即使到达滑模面,也会在滑模面量测来回切换,这个跟他的采样时间有关系。

    2.“通过切换补偿d ?”
    干扰并非是通过切换来补偿掉的,而是通过设计的控制律补偿掉的。从纯数学角度来看,所谓的等效控制输入就是这样一种输入:把这个输入代入原系统之后,得到的系统不含干扰d。这样在滑模面上,系统动态特性就跟干扰无关。

  • everfx

    引用回帖:
    2楼: Originally posted by DocBee at 2013-11-12 08:31:57
    1.“上面这个滑模控制律是切换控制吗?它在到达滑模的过程中一直切换是吗?在到达滑模面后它还在切换吗?”
    滑模控制是一种特殊的切换控制。在到达滑模过程中一直切换,以保证ss’<0这个条件。这个不难理解,如 ...

    我把问题再整理下,昨晚写的比较乱,我列出几条来。

  • stone2002_79

    同意2楼的解释,或者说设计的等效控制中利用的是d,而不是D。等效控制不是实际的控制律

  • everfx

    引用回帖:
    4楼: Originally posted by stone2002_79 at 2013-11-12 08:42:45
    同意2楼的解释,或者说设计的等效控制中利用的是d,而不是D。等效控制不是实际的控制律

    我重新写下,昨晚写的比较乱,主贴不让改了,我举了6条,大家针对性的说吧谢谢!

  • everfx

    昨晚写的比较乱,我重新写了下,我估计是好多东西搞混了,大家解惑下吧,谢谢!

    滑模控制看似挺简单的,就是2步,第1步设计合适的滑模面,并证明滑模面的稳定性,这样一旦到达滑模面后,就一直保持在滑模面上了。第2步是要设计控制律,使得系统到达滑模面。这个到达过程,一般情况下采用符号函数来作控制律,然后让sign(s)的增益k大于干扰d的上界D即能满足到达条件了.
    我就以刘金琨的滑模变结构控制Matlab仿真书中的第二章第一个例子来说吧(第25页,第2版),Jx''=u+d, J为转动惯量,x为角度,u控制,d干扰,d的绝对值小于D(D为正实数),设计滑模面为s=ce+de/dt,c满足Hurwitz条件,从而s是稳定的滑模面,从而第1步就不用证明了。跟踪误差e=x-xd,xd为理想的角度信号.
        定义L泛函V=0.5*s^2,然后设计滑模控制律为u=J(-c*de/dt+xd"-eta*sign(s))-D*sign(s), eta为一正实数.从而s*ds/dt<-eta*abs(s),abs(s)为s的绝对值,从而有限时间内滑模面到达. 我的问题如下.
        0. 到底什么是滑模控制律, 请以我上面举的例子为例说明,难道真的就是刘金琨说的u=J(-c*de/dt+xd"-eta*sign(s))-D*sign(s)吗?或者你可以选择你觉得能说明问题的例子,就以连续动态系统为例吧,我想线性时不变系统是最简单的例子了,当然要加上干扰,所以可以举线性时不变系统的例子.
    1.都说滑模控制是通过切换作用来达到目的的, 那么滑模控制的切换作用到底体现在什么地方呢?上面的例子中得到的控制律u=J(-c*de/dt+xd"-eta*sign(s))-D*sign(s)是切换控作用吗?切换就是体现在刘金琨说的滑模控制律u=J(-c*de/dt+xd"-eta*sign(s))-D*sign(s)中的符号函数sign(s)吗?我感觉,除了符号函数,没别的东西在切换了。
    2.几乎所有的文献,在证明滑模到达过程的时候,都会用到s*ds/dt<-eta*abs(s)这个条件,从而实现滑模面的有限时间到达,就比如在第5秒吧,滑模面到达了,那么就是说在t>=5s后,s就恒等于了0了是吗?如果不是,那不搞成渐近稳定了吗,那还提有限时间干嘛呢?直接让s*ds/dt<0不就可以了吗,何必这么麻烦,让s*ds/dt<-eta*abs(s)?
    这里,我默认s*ds/dt<-eta*abs(s)这个条件,是能保证s在有限时间内真正的到达0,并且以后一直恒等于0,而不是在0附近做渐近稳定似的波动,当然,我这个理解可能不对,那么s*ds/dt<-eta*abs(s)的意义到底是不是我理解的这样呢。如果不是我理解的这样,有限时间到达滑模面s=0又到底是什么意思呢?
    现在这里,我们只考虑理想情况,不考虑控制系统中执行器的延迟,以及传感器的测量时延,以及采样率等等,我们只从数学上来理解,数学上假设能实现无穷切换,所以在这里我们假设系统到达完美的数学意义上的滑模面s=0,我想先还是把最理想的情况搞明白吧。(实际过程中,由于这些因素,滑模面只能到达滑模面的邻域)
    3.滑模控制律在到达滑模面的这个过程中一直切换是吗?在到达滑模面后它还在切换吗?(还有,什么东西在切换啊,系统的状态吗?)
    第1个方面,如果说符号sign(s)体现了切换。假设,已经到达了滑模面s=0,那么sign(s)就等于0了啊(注意有限时间到达,s我的理解就是恒等于0了),怎么还有切换呢?因为切换通过符号函数来实现,现在已经达到滑模面了,sign(s)不就等于0了吗?如果说符号sign(s)体现不了了切换,那么什么体现了切换?
    如果在滑模面上不存在切换,那么干扰d到底怎么补偿的呢,滑模的优点说一千道一万,就是对干扰d的不变性.要知道干扰d是一直存在的啊,因为d是时间的连续函数,只要系统没崩溃,它就一直存在。所以,这个干扰补偿请详细解释下,因为干扰在整个系统的运行过程中都是存在的,系统到达理想滑模面不假,滑模面动态方程没有干扰这个不假,但不代表干扰自动消失啊?我想,肯定是通过什么东西把干扰给补偿掉了,当然,这是我的理解。
    还有,如果在滑模面上没有切换,那么滑模的最大缺点抖振又体现在哪呢?滑模控制的缺点,说一千道一万就是抖振的存在.前面设计一个控制u,使得系统在有限时间已经到达了滑模面,以后就一直在滑模面上了,要是在滑模面上没有切换就太好了,抖振不就是不用管了吗?
    当然,这个地方有点歧义,可能有这种情况,因为抖振也许不是作用在滑模面上的,但是抖振会出现在在滑模面到达的时刻的以后所有时间,比如5秒后达到滑模面,那么可能再5s后抖振一直存在,就是它确实是存在,只是抖振它不作用在滑模面上,那么抖振它存在在哪里呢?作用在哪里呢?
    那么,在第5秒到达滑模面后面的时间,到底是有还是没有切换呢?有切换,感觉不对,没有切换,感觉更不对!
    还有就是在滑模到达这个过程中有切换吗?

    第2个方面,如果不是符号sign(s)体现了切换,那么到底什么体现了滑模的切换呢?我感觉,除了这个,好像没别的东西能体现切换了。
       4上面举的这个例子,我们看到只用这一个滑模控制律u=J(-cde/dt+xd"-eta*sign(s))-D*sign(s),整个控制器就设计完毕了,因为滑模面前面选择为Hurwitz的,所以滑模面的稳定性不用证明了,本身就稳定。也就是到达条件跟稳定条件都满足了。
    可是,我看不少文献,还提等效控制的概念,Utikin本人也提,那么等效控制又是干嘛呢?好多人都说是在s=0的时候,那么ds/dt=0,因为是滑模面相对于u是一阶的,所以ds/dt里面会含有u,他们就把这u叫做ueq,也就是等效控制。
    可是在刚才的例子里面,我们并没有用什么等效控制啊,直接用u=J(-cde/dt+xd"-eta*sign(s))-D*sign(s)就让到达过程满足了,系统稳定靠设计的滑模面来满足。当然,我们也可以对刚才的例子中的滑模面s=ce+de/dt=0两边求导,那么左边会出现e'',也就是x''-xd'',再代入状态方程Jx''=u+d中的x'',就会出现u,因为有限时间到达,所以s=0,而且是恒等于0,所以在Fillpov意义下ds/dt=0,这样不就能求得一个ueq,可是,上面的例子中为什么不要这个ueq呢?
    从上面来看,s也要恒等于0啊,如果渐近稳定,s渐近的等于0,ds/dt可就不一定等于0了。比如说s=x,渐近趋于0,可是ds/dt=1啊,当然也许是我理解 的Fillpov意义下ds/dt=0不到位.
    我看不少文献直接这么设计滑模控制律u=ueq+u切换,然后来分别得到ueq跟u切换,把它们加在一起就是他们要设计的滑模控制律。那到底是“u=ueq+u切换”叫做滑模控制,还是上面这个例子的设计的控制律叫滑模控制?(像上面例子这样设计滑模控制的文献也不少,我看的大多数文献都是如上面的例子的)这两家都说自己的是滑模控制,难道2个都是滑模控制?明显2种方法不一样啊。
    5等效控制到底是什么意思呢?为什么要引进等效控制呢?它到底是来说明什么问题的呢?难道只是为了上面说的u=ueq+u切换来设计滑模控制律?可是,我举的例子中就没用到ueq啊,而且我也说了,很多文献都不用这个来设计滑模控制。我自己的感觉就,等效控制的引入,似乎跟干扰的补偿有关系,似乎是来解释对干扰的补偿作用。
    我的疑惑真的比较多,请滑模控制方面的高手来解惑,谢谢,

  • everfx

    引用回帖:
    2楼: Originally posted by DocBee at 2013-11-12 08:31:57
    1.“上面这个滑模控制律是切换控制吗?它在到达滑模的过程中一直切换是吗?在到达滑模面后它还在切换吗?”
    滑模控制是一种特殊的切换控制。在到达滑模过程中一直切换,以保证ss’<0这个条件。这个不难理解,如 ...

    我重新写了,在6楼,我在下面也说了,到达完美的数学意义上的滑模面,还得麻烦你,针对我下面提的6点疑惑解疑啊,谢谢!

  • everfx

    引用回帖:
    4楼: Originally posted by stone2002_79 at 2013-11-12 08:42:45
    同意2楼的解释,或者说设计的等效控制中利用的是d,而不是D。等效控制不是实际的控制律

    我写好了,放在6楼了,请针对性的解惑,谢谢!

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