滑动模态

滑动模态(sliding mode)，是变结构控制系统中发生并维持在切换面上的运动形式。滑动模态是变结构控制系统的主要特征之一。所谓滑动模态是指一种运动。称为滑动运动。1

准滑动模态在滑动模态控制系统中，如果控制结构的切换具有理想的开关特性，则能在切换面上形成理想的滑动模态，这是一种光滑的运动，渐进趋近于原点。但在实际过程中，存在时间上的延迟和空间上的滞后等原因，使得滑动模态呈抖动形式，在光滑的滑动叠加了抖振。理想的滑动模态是不存在的，现实中的滑动模态控制均伴随有振，抖振问题是影响滑动模态控制广泛应用的主要障碍。

所谓准滑动模态，是指系统的运动轨迹被限制在理想滑动模态的某一邻域内的模态。从相轨迹方面来说，具有理想滑动模态的控制是使一定范围内的状态点均被吸引至切换面。而准滑动模态控制则是使一定范围内的状态点均被吸引至切换面的某邻域内，通常称此邻域为滑动模态切换面的边界层。

在边界层内，准滑动模态不要求满足滑动模态的存在条件，因此准滑动模态不安求在切换面上进行控制结构的切换。它可以是在边界层上进行结构变换的控制系统，也可以是根本不进行结构变换的连续状态反馈控制系统。准滑动模态控制在实现上的这种差别，使它从根本上避免或削弱了抖振，从而在实际中得到了广泛的应用。2

特点滑模控制最大的优点就是系统进入滑动模态后，对满足匹配条件的不确定性、参数变化等系统干扰具有不变性。

由于系统或多或少都存在着惯性和滞后等因素，因此系统的轨线只能在滑模面附近来回抖动，这种滑模称为实际滑动模态。从表面上看，理想滑动模态和实际滑动模态存在着差别。但实际上可以证明由等效控制方法所获得的滑动模态方程是唯一的，并且在满足一定的条件下，实际滑动模态可以任意接近理想滑动模态。

综上所述，滑模变结构控制的基本思想是，首先把系统滑模运动分成两部分，第一部分是系统由初始状态到达切换面的运动阶段，称之为到达段；第二部分是系统在切换面上的运动阶段，即滑模段。其次滑模控制器的设计，同样分为两部分。第一部分是根据期望的系统动态特性进行滑模段的模面设计，以获得满意的控制性能；第二部分是进行滑模运动到达段的设计，通常是根据滑动模态存在条件，设计切换控制，使系统状态可以在任意初始条件下进入第一部分所设计的滑模面。

意义设计合理的滑动模态超平面，确保滑动模态运动稳定并具有良好的动态品质。变结构控制系统对外界干扰、统矩阵及控制矩阵参数摄动的不变性，只在滑动阶段才具备这一重要特性。

变结构控制律的设计任务就是驱动系统状态从任意初始点进入滑动模态，并将其稳定可靠地保持在滑动模态上。

高阶滑动控制理论传统滑模控制在本质上是一种特殊的非线性控制，其非线性表现为控制量的不连续性，即滑模变量的一阶导数j是不连续的。由于高频未建模动态和不连续的切换特性，传统滑模存在抖振现象，可能会造成系统的不稳定甚至系统硬件的损坏，不利于滑模控制在工程实践中应用。采用引入边界层等连续近似化方法虽然能在一定程度上抑制抖振，但却失去了滑模控制的不变性这个显著优点。Levant提出了高阶滑模控制的概念，该方法既保持了传统滑模的不变性等优点，又抑制了抖振，提高了控制精度。

高阶滑模可以通过滑模变量及其一阶、二阶甚至高阶的导数均收敛到0来描述。高阶滑模的实质是在Filippov意义下，不连续动态系统的一种特殊类型的积分流形上的运动。这个属性可以通过引入一个新的流形即滑动集来描述。

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学