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模糊变结构控制器的设计与仿真

李定华;贾君瑞

【摘要】为解决变结构控制中的抖振问题,将模糊控制引入变结构控制,运用

MATLAB软件进行仿真.仿真结果验证了该控制器抗扰动能力强,能够有效减小控制

系统的抖动,提高控制系统的稳定性,改善控制系统的动态性,从而减弱变结构系统存

在的抖振问题.

【期刊名称】《南通航运职业技术学院学报》

【年(卷),期】2018(017)003

【总页数】4页(P44-47)

【关键词】模糊控制;模糊滑模控制;变结构控制;MATLAB

【作者】李定华;贾君瑞

【作者单位】南通航运职业技术学院机电系,江苏南通226010;南通航运职业技术

学院机电系,江苏南通226010

【正文语种】中文

【中图分类】TP273

0引言

智能控制主要包括模糊控制、神经网络、专家系统三大支柱，而传统控制理论中的

PID控制、最优控制、鲁棒控制、解耦控制等研究已经比较充分，针对非线性、时

变、不确定性等复杂对象的研究目前还不够完善。因此，将传统控制理论和智能控

制有效结合起来，对于拓宽智能控制技术研究领域，设计出应用更广泛、控制效果

更优越的复合控制器的应用前景十分广阔。由于变结构控制简单和可靠性高，因此

被广泛应用于运动控制中，尤其被应用于可建立精确数学模型的确定性控制系统中,

其常用于导航控制过程。但是变结构控制系统采用控制量的高频抖振使得系统对参

数变化和外部干扰具有不变性，为解决变结构控制中的抖振问题本文提出了一种新

的模糊变结构控制方法。

1变结构控制概述

变结构控制实际上是一种非线性控制系统，其系统结构是不固定的，可以根据系统

的实际状态有目的地动态变化系统结构，使控制系统在预设的“滑动模态”轨迹下

运动,所以又把这种控制方法称为滑动模态控制，即滑模变结构控制。［1］系统的

状态轨迹到达滑模面之后，并不是严格地沿着滑面在平衡点附近滑动，而是来回穿

越滑模面不停地颤动，形成了抖振。［2］变结构控制系统抖振的存在极大地阻碍

了变结构控制的实际应用，变结构控制发生抖振的根本原因是由于切换动作造成控

制的不连续性。因此，对一个实际的变结构系统，抖振是不可避免的。［3］

产生抖振的原因主要有以下几点：

（1）惯性引起滞后产生抖振。变结构系统中的执行机构产生一定的力（力矩）使

得被控对象运动。由于任何物理现实系统的控制力不能无限大，这就使得系统的加

速度产生需要一个过程，从而引起惯性滞后。［4］

（2）离散系统中采样引起抖振。在控制系统中，由于系统具有的离散性，其运动

的切换面时间一般不可能正好是一个采样周期的开始，切换动作不可能正好发生在

切换面上，而是在一个锥形体表面上来回颤动，从而形成了抖振。

（3）未建模动力学产生抖振。在对系统建模过程中，为了快速建立起系统模型，

往往忽略其中某些部分（如放大器、传感器、执行器等）的动力学特性，而用线性

关系表示。这部分未建模的动力学特性有可能在系统运动时被激发，造成严重的抖

振。［5］

2模糊变结构控制器设计

本文设计了一种模糊变结构控制器，采用自适应原理与模糊控制相结合取代常规变

结构控制中的切换控制项，具有常规变结构控制的鲁棒性好等优点。具体设计方法

如下：

设采样时间为T，则：

切换函数为：

其中，C=［c，1］。采用二维模糊控制器，通过模糊控制规律直接设计滑模控制

量u。设模糊控制器的输入是和，分别是s（k）和ds（k）的模糊变化量，模糊

控制器的输出ΔU是控制的变化量Δu的模糊化变量。

模糊变结构控制器设计步骤如下：

（1）定义模糊集，则：

PB=正大；PM=正中；PS=正小；NS=负小；NM=负中；NB=负大。

（2）模糊控制器的输入定义为s和˙s，输出为ΔU，则：

s={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

˙s={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

ΔU={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

上述模糊化变量均选择正态分布隶属函数。

（3）确定模糊滑模控制器的模糊控制规则。在满足不等式s˙s＜0的条件下设计u，

所获得的控制规则如表1所示。使用的模糊规则是：IfsisAandisB，thenisC。

表1模糊滑模控制规则?

（4）反模糊化。采用重心法精确计算模糊输出，如式（3）所示：

3模糊变结构控制仿真与分析

通过MATLAB软