变结构控制方法在材料试验机中的应用

　　引 言

　　目前, 电液伺服系统已被广泛地应用于航空航天、船舶、冶金等重要领域。由于传统的电液伺服理论中建立的数学模型是线性化得到的结果, 而实际系统存在比较大的非线性与不确定性以及外部负载干扰, 如果应用常规的 PID 控制器就不能达到非常理想的控制效果。作为鲁棒控制的一种强有力的工具, 滑模变结构控制以其独特的优势, 正越来越多地被广大技术工程人员所关注。滑模变结构控制的主要特点是: 当系统状态穿越状态空间的不同区域时, 反馈控制器的结构按照一定的规律发生变化, 使得伺服控制系统对系统的内在参数变化和外在环境扰动等因素具有较强的适应能力, 从而保证系统能够达到期望的性能指标要求[1]。

　　1953 年, Wunch 的博士学位论文中出现了 “改变系统结构”这一思想[2]。之后, 现已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系统等。由于电液伺服控制系统具有参数不确定性和非线性特点, 研究其变结构控制器无疑具有实际意义。

　　本文以某材料试验机为研究对象, 针对电液伺服系统存在较大的干扰力, 参数不确定性等复杂系统的特点, 设计了滑动模态变结构控制器, 对其进行了实时控制, 实验结果表明, 与常规 PID 控制相比, 滑模变结构控制具有响应速度快, 鲁棒性好等优点。

　　1 滑模变结构控制策略

　　滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略。这种控制策略与常规控制策略的根本区别在于控制的不连续性, 即一种使系统“结构”随时间变化的开关特性。该控制特性可以迫使系统在一定特性下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动, 即所谓的“滑动模态”或“滑模”运动。这种滑动模态是可以设计的, 而且与参数的变化及扰动无关。这样, 处于滑动模态的系统具有很好的鲁棒性。目前, 变结构控制理论中的滑模变结构控制基本策略有[3]:

　　(1) 常值切换控制

　　式中: u0是待求的常数, sign 是符号函数, s(x)是切换函数, 求滑模变结构控制就是求 u0。

　　(2) 函数切换控制

　　这是以等效控制 ueq为基础的形式。

　　上面两种方法一般采用广义滑模条件和一定的趋近律来实现。

　　(3) 比例切换控制

　　其中,m、n 为常数, e1为输入与输出位移的位移差。

　　这种控制策略一般遵守滑模存在性条件, 而滑模可达性条件则另作保证。