干扰由函数限定条件下的高阶滑模控制理论与应用研究

The research of higher-order sliding mode has been paid much attention in both theory and engineering fields, because it can solve the restriction of relative degree and chattering problem existing in conventional sliding mode control. However, the present higher-order sliding mode control methods can only handle the control design problems with disturbances bounded by positive constants, which are mostly local control results. As a matter of fact, the higher-order sliding mode control design problems with disturbances bounded by positive functions are more widely spread in practical systems. To this end, this project will build control, observation and implementation theories for higher-order sliding mode under the condition that the disturbances are bounded by positive functions. There are five parts included in the project. Firstly, the global state-feedback control theory for higher-order sliding mode is established. Then, the global observation methods for sliding mode variables and disturbances are proposed. Thirdly, combining the obtained state-feedback control theory and observation methods, the output feedback and composite control algorithms are further developed. Fourthly, the discretization methods and accuracy for the above algorithms are considered. On this basis, the proposed methods are finally applied to the voltage tracking control problem for DC-DC converters and the digital implementation technologies and the rules of tuning parameters are studied. The research of this project will not only help to develop and perfect the higher-order sliding mode control theory, but also provide the basis to the global higher-order sliding mode controller design and implementation for practical systems.

高阶滑模能够解决传统滑模控制中的相对阶限制和抖振问题，因此在理论和工程界引起了广泛关注。现有的高阶滑模控制理论一般只能处理干扰由常数限定情况下的控制设计问题，多为局部控制结果，而扰动由函数限定情况下的高阶滑模全局控制设计问题在实际系统控制中却更为广泛。本项目旨在建立扰动由函数限定情况下的高阶滑模控制、观测和实现理论，主要包括五个方面的研究工作：（1）建立高阶滑模的全局状态反馈控制理论；（2）提出滑动模态和扰动的全局观测方法；（3）结合状态反馈控制理论及滑动模态和扰动的观测方法，推导高阶滑模的输出反馈和复合控制算法；（4）研究上述高阶滑模算法的离散化方法和控制精准度；（5）在此基础上，将理论结果应用到直流-直流变换器电压跟踪控制系统，研究高阶滑模控制器的数字化实现技术和调参规律。通过本项目的研究，不仅有助于发展和完善高阶滑模控制理论，而且也为实际系统的高阶滑模全局控制器设计和实现提供依据。

高阶滑模能解决传统滑模控制中的相对阶限制和抖振问题，因此在理论和工程界引起了广泛关注。然而，就已有文献来看，目前的高阶滑模控制理论一般只能处理干扰由常数限定情况下的控制设计问题，且多为局部控制结果，而扰动由函数限定情况下的高阶滑模全局控制设计问题在实际系统控制中却更为广泛。基于此，本项目研究了扰动由函数限定情况下的高阶滑模控制、观测和实现理论。.. 本项目顺利完成了预定的研究目标。理论方面，解决了干扰由函数限定情况下的高阶滑模状态反馈控制设计问题，并得到了其全局控制结果；针对非匹配干扰情况下的二阶滑模控制系统，基于控制Lyapunov理论，首次分析得到了其全局稳定二阶滑模控制器的构造方法；针对一类非线性系统，提出了一种基于饱和技巧和反步法的高阶滑模控制算法；针对二阶滑模系统，首次给出了二阶滑模控制器下的最大吸引域。针对传统非线性扰动观测器需要测量所有状态变量信息的问题，设计了一种新的非线性扰动观测器，其仅需要输出变量的测量；应用方面，以电动汽车的主动安全系统作为研究对象，提出了基于高阶滑模的直接横摆力矩控制方案，提高了车辆的主动安全性能，改善了驾驶的舒适性；在功率变换器实验平台上实现了高阶滑模控制设计方案。上述研究成果表明，干扰由函数限定情况下的高阶滑模控制设计在理论上可行，不仅能有助于发展和完善高阶滑模控制理论，而且也为高阶滑模的实际应用提供理论和技术支撑。