基于干扰观测器的PID滑模变结构控制
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摘要： 由于系统的惯性、延迟以及测量误差等因素的存在，导致滑模控制在滑动模态下的输出伴有高频抖振，而抖振严重影响了系统的控制性能。本文分析抖振产生的原因，针对伺服系统存在干扰和不确定因素，提出了PID型切换函数以及利用干扰观测器观测外界干扰及不确定因素的滑模变结构控制算法，很好地抑制了抖振。仿真结果表明，该算法的控制器无论在抖振抑制上还是在伺服系统动、静态品质改善上都具有良好效果。
Abstract： Due to the existence of system inertia， system delay， measurement error and other factors， the sliding mode control is accompanied by high frequency chattering in sliding mode. The chattering seriously affects the performance of the system. This paper analyzes the causes of chattering. Directed to the disturbance and uncertainty factors of servo system， this paper pretends the PID switching function and the uncertainty factors using disturbance observer. The simulation results show that the controller has good effect on the chattering suppression， the servo system dynamic and the static quality improvement.
关键词： 滑模控制；抖振；干扰观测器；趋近项
Key words： sliding mode control；chattering；disturbance observer；reaching law
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）35-0119-03
0 引言
广泛应用于机器人、航空航天、精密加工制造等行业的高精度伺服系统，其控制要求主要是稳准快，即稳定性、准确性和快速性，尽可能使系统在保证稳定性的前提下以较高的精度跟踪目标。然而由于控制对象的复杂性，诸如参数、测量噪声以及不确定的外干扰等，所以系统的动态特性难以用数学模型精确地描述。建模的不确定大大增加了设计控制器的难度，很难保证控制系统具有较强的鲁棒性同时又具有较好的动态特性。
滑模控制的本质就是一种非线性控制，能够在控制系统的动态过程中，根据系统的偏差、各阶导数等状态，使系统在切换面上沿着固定轨迹以较高的频率进行小幅度的上下运动，即滑动模态[1-2]。同时可以人为设计系统的滑动模态，且与系统的参数和扰动无关，这种特性使得滑模控制具有响应速度快、物理实现简单以及对系统参数的变化和外部扰动不敏感等优势，从而这种控制方法被广泛认可。然而，由于滑模控制本质的不连续特性使得系统产生剧烈抖振，抖振问题的存在严重制约了滑模控制的应用及推广[3-4]。
本文采用PID型切换函数的滑模控制器相当于在控制器中加入比例、积分和微分环节，具有良好的动态和静态性能指标；采用指数加等速趋近律的形式，利用干扰观测器观测外界干扰及不确定因素，选取合适的等速趋近项的趋近速度，削弱了抖振。分析滑模控制律可知其具有一定的前馈补偿特性，使得系统的跟踪性能得到了一定程度的提高。
1 抖振的分析
滑模控制本质上就是以输出高频抖振的控制量保证系统对参数的摄动以及外部干扰的不变性，从理论上来说这种抖振的频率是无限高的，但由于在实际的应用中系统存在惯性、延迟以及时间、空间的滞后等因素，任何执行机构都无法实现频率无限高的切换，导致滑模控制在滑动模态下输出带有高频抖振的控制量。
抖振不仅会加剧系统机械部分的磨损、增加能量的消耗、降低系统的控制精度，同时有可能激发系统的未建模动态，影响系统的控制性能，甚至导致系统振荡或失稳，损坏控制系统的部件。滑模控制的抗干性和鲁棒性与抖振是并存的，若消除抖振，则滑模控制的上述优点也会消失。因此不可能完全消除系统抖振，只能尽可能地削弱它。
国内外学者针对如何削弱滑模控制做了大量的研究，从不同的角度出发提出了许多削弱抖振的方法[5-9]。
4 仿真结果分析
图4、图5表明，基于干扰观测器的pid滑模变结构控制能够显著改善系统的跟踪性能。图6显示，基于干扰观测器的PID滑模变结构控制能够削弱抖振。图7表明，基于干扰观测器的PID滑模变结构控制的鲁棒性较强。
5 结论
针对高精度伺服系统性能的提高主要受到诸如控制对象的外部干扰及内部摄动等不确定因素的影响，采用了PID滑模变结构控制、干扰观测器的控制策略，仿真结果表明，采用这种方法削弱了抖振，对参数摄动的鲁棒性较强，大大提高了系统跟踪精度，控制的动态品质得到了明显改善。
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