所谓变结构,是指当系统的状态满足一定的条件时,系统的控制结构将发生变化。变结构控制(VSC)就是当系统状态穿越不同区域时,反馈控制的结构按照一定的规律发生变化,使得控制系统对被控对象的内在参数变化和外部环境扰动等因素具有一定的适应能力,保证系统性能达到期望的性能指标要求。
由于变结构控制具有抗扰性、自适应性、鲁棒性、实现容易等优点,因此变结构控制引起了人们的普遍重视。
变结构控制的研究始于 20 世纪 50 年代,前苏联学者 Emelyanov 等提出了变结构控制概念。随后 Utkin,Itkis 等学者总结并发展了滑模变结构控制理论,奠定了滑模变结构控制的理论基础。20 世纪 80 年代以来,随着确定切换函数的系统性方法的出现和微分几何理论的发展,变结构控制开始了新的发展阶段。近二十年来,随着计算机技术和大功率电子开关器件的发展,变结构控制的实现变得越来越容易,因此该方法受到了国内外控制界的广泛重视,现已成为自动控制领域的重要设计方法,并在工程应用中得到了推广应用。
变结构控制是指系统状态达到切换函数值,系统从一个结构自动地切换到另一个确定的结构(结构是一组数学方程描述的模型)。从本质上讲它具有开关切换特性,是一种控制系统的设计方法,适用于线性及非线性系统,包括控制系统的调节,跟踪,自适应及不确定等系统。它具有一些优良特性,尤其是对加给系统的摄动和干扰有良好的自适应性。
图 1对变结构控制作了大致的分类,变结构控制可分为两大类:
一类是不具有滑动模态的变结构控制,如Bang-Bang 控制、输出反馈变结构控制、多输入继电控制等。这一类控制只能称为变结构控制,虽然控制器可根据反馈量改变系统的结构使系统稳定于平衡位置,但系统不存在一个可滑动的面。
另一类是具有滑动模态(简称为滑模或滑模面)的变结构控制。这一类控制可称为滑模变结构控制或滑模控制,它的控制分为两个步骤:首先是系统从初始状态趋近于并到达滑模面,接着系统在滑模面上滑动并到达平衡位置。
变结构控制器都有一个切换面,如 x1,x2或者 x1 5x2,而具有滑动模态的切换面才称为滑模面。