滑动模式控制

滑动模式控制（sliding mode）简称SMC，是一种非线性控制的技术，利用不连续的控制信号来调整非线性系统的特性，强迫系统在二个系统的正常状态之间滑动，最后进入稳态。其状态-反馈控制律不是时间的连续函数。相反的，控制律会依目前在状态空间中的位置不同，可能从一个连续的控制系统切换到另一个连续的控制系统。因此滑动模型控制属于变结构控制。已针对滑动模型控制设计了许多的控制结构，目的是让相空间图中的轨迹可以前往和另一个控制结构之间相邻的区域，因此最终的轨迹不会完全脱离某个控制结构。相反的，轨迹会在控制结构的边界上「滑动」。这种沿著控制结构之间边界滑动的行为称为「滑动模式」而包括边界在内的几何轨迹称为滑动曲面（sliding surface）。在现代控制理论的范围中，任何变结构系统（例如滑动模式控制）都可以视为是并合系统的特例，因为系统有些时候会在连续的状态空间中移动，也时也会在几个离散的控制模式中切换。
简介.
滑动模式控制中存在滑动曲面formula_1，一开始时，系统会在有限时间内到达滑动曲面，之后就会沿著滑动曲面移动。在滑动模式的理论叙述中，系统会约束在滑动曲面上，因此只需将系统视为在滑动曲面上滑动。不过实际系统的实现是用高频切换来让系统近似在滑动曲面上滑动，高频切换的控制信号让系统在很邻近滑动曲面的范围内切跳（chatter），而且其频率是不固定的。虽然整体系统是非线性的，不过图1中，当系统到达滑动曲面后，理想（没有切跳）系统会限制在formula_1的滑动曲面上，滑动曲面是线性时不变系统，在原点处指数稳定。
直观来说，滑动模式控制会配合很大的增益（理想上可视为是无限大），强迫动态系统的轨迹无法离开滑动模式子空间太远，必须沿著此子空间滑动。在降阶滑动模式上的轨迹会有理想的动态特性（例如，系统会自然沿著此轨迹滑行，最后会停在理想的驻点。滑动模式控制的主要优点是其强健性。因为控制很简单，是在二个状态之间（例如开/关或是正转/反转）切换，控制法则不需要精确，而且不会受到控制系统中参数的变异所影响。而且因为控制律不是连续函数，滑动模式控制可以在有限时间内到达滑动曲面（比渐进到达的特性要好）在一些常见的条件下，最优控制需要用到起停式控制，而滑动模式控制中也有用到起停式控制的特性，有些滑动模式控制也是某些控制系统下的最优控制。
有些交换式电源供应器驱动的电机就是利用滑动模式控制。这类转换器本身就有不连续的特性，和不连续输出的滑动模式控制器在本质上是一致的。使用连续性的控制器，还需要透过脉冲宽度调变或是其他类似的技术来将连续性的输出转换为可用离散状态表示的输出。滑动模式控制在机器人学有许多的应用。此控制演算法特别已用在无人水面载具模拟在有大风大浪海面下的运作，其成功率相当高。
相较于其他有较多适度控制行为的非线性控制，滑动模式控制因为其不连续的输出，在应用上需要更谨慎的应用。特别是因为致动器本身的延迟以及其他实务上的限制，硬切换的滑动模式控制会产生颤动、能量损失、设备损坏，或是激发一些系统中的未建模动态。连续性的控制器设计比较不会有上述的问题，而且也可以设计一些接近滑动模式控制器的特性。
控制架构.
考虑以下的非线性系统
其中
是formula_4维的状态向量以及
为表示状态反馈的formula_6维的输入向量。函数formula_7和formula_8假设是连续函数，而且有相当程度的光滑性，因此可以用柯西-利普希茨定理确保方程 (1)的解formula_9存在及唯一。
常见的作法是设计一个状态回授的控制律formula_10（也就是可以将时间formula_11时的状态formula_9，映射到输入formula_13的映射），这个控制律要可以稳定方程式(1)的动力系统在原点formula_14附近的行为。也就是说，在此控制律下，只要系统从原点开始往任意方向前进，最后都会回到原点。例如，状态向量formula_15中的分量formula_16表示输出和已知讯号（例如某个希望出现的弦波）之间的差，若控制formula_13可以让formula_16快速的回到formula_19，也代表输出会追随理想的弦波信号。在滑动模式控制中，只要系统是限制在其组态空间的子空间内，设计者可以确定系统有理想的行为（有稳定的平衡点）。滑动模式控制会强迫系统轨迹进入子空间，并且让轨迹维持在子空间内，因此可以在子空间内滑动。这个降阶的子空间称为「滑动（超）曲面」，若透过闭回路回授，使得轨迹在滑动曲面上滑动，则称为闭回路系统的「滑动模式」。沿著这个子空间的轨迹可以类比沿著LTI系统特征向量的轨迹，不过滑动模式是透过此向量场上加上高增益回授来实现。就像弹珠会沿著裂缝滚动一样，系统的轨迹也会限制在滑动模式上。
滑动模式的控制架构包括以下几项：
因为滑动模式控制是不连续的，控制器可以在有限时间内将轨迹带到滑动模式上（若偏离滑动平面时，回到滑动平面上的稳定性会比渐近稳定要好）。不过，只要轨迹接触到滑动平面后，系统的特性会依照滑动模式的特性（也就是滑动平面上，在原点formula_20附近只有渐近稳定性）。
在设计滑动模式时，会选择一个切换函数formula_21，表示状态 formula_15远离滑动曲面的程度。
滑动模式控制律会依照上述距离的正负号在二种不同的状态之间进行切换。因此滑动模式控制就类似一个硬的压力，将系统轨迹移到formula_26的滑动模式上。理想的formula_9会接触到滑动平面，而且因为控制律不连续（当轨迹越过滑动曲面时，控制律会由一个状态切换到另一个状态），轨迹会在有限时间内到达滑动平面。只要轨迹踫到平面之后，会沿著滑动平面滑动，而且会往原点formula_29移动。因此切换函数类似地形图，有恒定高度的轮廓，而轨迹会限制在恒定高度的轮廓上移动。
滑动（超）曲面的维度是formula_30，其中formula_4是状态formula_15的个数，而formula_6是输入信号（也就是控制信号）formula_13的个数。针对每个formula_35，有formula_36的滑动曲面，方程式为
滑动模式控制主要关键是选择控制律，使得滑动模式（也就是formula_37曲面）存在，而且其他的系统轨迹可以进入滑动模式。滑动模式控制的原则是透过适当的控制策略，强迫性的限制系统在滑动曲面上，让系统可以有理想的特性。当系统受滑动控制所限制，维持在滑动曲面上时，系统的动态特性可以用方程式(2)所得的降阶系统所描述。
为了强迫系统状态formula_15满足formula_39，需要：
闭回路解的存在.
此控制律不是连续函数，也不会是利普希茨连续，因此无法用柯西-利普希茨定理确保闭回路解的存在及唯一性。这个解需要用的架构来理解。。 大致上，沿著formula_39的闭回路系统可以用会平滑的动态formula_44　来近似，不过实际上不一定有这样平滑的特性。高速的脉波振幅调变或ΔΣ调变产生的输出是两个状态组成而成，但其有效的输出会在连续的运动范围内摆动。若是使用其他具有连续特性的非线性控制设计可以避免这类的问题。有些情形下，滑动模式控制的设计可以用其他连续控制器来近似。
理论基础.
以下定理是滑动模式控制的基础。
定理1：滑动模式的存在.
考虑以下的李亚普诺夫候选函数
其中
针对由方程式(1)及方程式(1)的滑动曲面组成的系统，滑动模式存在的充份条件是
在formula_49曲面的邻域都成立。
简单来说（例如针对formula_50的纯量控制应用），为了要使formula_51，需选择回授控制律formula_52使formula_53和formula_54有相反的符号，因此
注意
因此回授控制律formula_62会直接影响formula_54。
可达性：可以在有限时间内到达滑动流形.
为了要确保可以在有限时间内进入滑动模式formula_37，formula_65需要比零小很多。若此数值很快的就归零，就只能以渐近收敛的方式进入到滑动模式。若要在有限时间内进入滑动模式
其中formula_67，formula_68均为常数。
引理的条件确认在滑动模式formula_69的邻域，下式成立
因此，针对formula_71，下式成立
根据链式法则（也就是formula_73，而formula_74），下式也会成立
其中
因此将上式和曲线formula_79比较（初始条件 formula_80微分方程formula_81的对应曲线）。可得formula_82在所有formula_11下成立。而且，因为formula_84，formula_85必需在有限时间达到formula_86，表示formula_87必需在有限时间达到formula_88（也就是进入滑动模式）。因为formula_85和切换函数formula_53的欧几里德范数formula_91成正比，因此接近滑动模式的速率比定大于零。
定理2：吸引区域.
针对方程式 (1)的系统，以及方程式 (2)的滑动曲面，formula_92表面的子空间有可达性的条件是
也就是说，当初始条件完全由这个空间出发时，李亚普诺夫候选函数formula_94为李亚普诺夫函数，而且formula_15轨迹确定会往滑动模式表面formula_96前进。而且，若定理1的可达性条件满足，滑动模式会完全进入formula_97在有限时间远离0的区域。因此会在有限时间内进入滑动模式formula_98。
定理3：滑动运动.
令
为非奇异的，也就是说，系统有某种可控制性使得永远存在一种控制方式可以让轨迹更靠近滑动模式。只要达到了滑动模式formula_100，系统会维持在滑动模式上。沿著滑动模式轨迹，formula_55为定值，因此滑动模式轨迹可以用以下的微分方程来描述
若相对微分方程在formula_15-平衡是稳定的，则系统会沿著滑动模式表面往平衡点移动。
滑动模式下的「等效控制律」可以透过求解下式求得
等效控制律为formula_62，也就是说
因此等效控制
也就是说，就算实际的控制formula_13不连续，在滑动模式 formula_37两侧的快速切换会强迫系统的行为类似在连续模式下驱动的行为。
类似的，在滑动模式上的系统轨迹类似
所得的系统符合滑动模式的微分方程
只要滑动模式表面formula_37为李雅普诺夫稳定性，从到达相位的轨迹条件可以简化为上述较简单的条件。因此系统在找到滑动模式后，会经过一些初始的暂态，之后就可以假定为符合较简单的formula_113条件。若等式formula_100只是近似成立，系统的动态仍可以近似为上述的特性。
依照上述定理，滑动运动对于由进入系统时足够小的扰动是不敏感的，只要控制项大到足以满足formula_51 ，而且formula_54均匀有界的远离0，滑动模式的运作就如同系统没有扰动时一样。滑动模式控制对特定扰动及模型不确定性的不敏感是很具吸引力的特点，满足鲁棒控制。
如同以上提到的，滑动模式控制律会维持以下的限制
目的是为了让以下型态的任意系统可以渐近的稳定
其中formula_119为有限的上界，此例中，滑动模式为
（也就是说，formula_121）。若系统限制在此条件下，会类似一个稳定的线性系统，因此在formula_122)位置是全域指数稳定的平衡点。
控制设计的例子.
自动化设计的解.
在设计滑动模式的控制系统时，虽然有许多不同的理论，不过没有一个高效率的设计方法论，原因因为解析方法及数值方法实务上的困难。像是基因演算法之类可复用的方式，可以用来将中不可解的问题，转换成实务上可解的非确定性多项式问题。这有助于滑动模式控制的电脑自动化设计。