非奇异终端滑模控制(Nonsingular Terminal Sliding Mode Contral,NTSM)

在终端滑膜控制中,最后的部分我们抛出了奇异性的问题,所以在此基础上,我们提出非奇异终端滑膜控制,非奇异终端滑膜控制主要解决了终端滑模控制中的奇异性问题。

非奇异终端滑模的滑模面

s=x1+1βx2pqs = x_1 + \frac{1}{\beta}x_2^{\frac {p} {q}} s=x1​+β1​x2qp​​

其中,β>0\beta>0β>0,p,q>0,(p>q)p,q>0,(p>q)p,q>0,(p>q) 为正奇数,且 1<pq<21 < \frac{p}{q} < 21<qp​<2。

控制器设计

考虑二阶不确定非线性系统
{x˙1=x2x˙2=f(x)+g(x)u+d(x)\begin{cases} \dot x_1 = x_2 \\ \dot x_2 = f(x) + g(x)u + d(x) \end{cases} {x˙1​=x2​x˙2​=f(x)+g(x)u+d(x)​
其中x=[x1,x2]Tx = [x_1,x_2] ^ {T}x=[x1​,x2​]T,d(x)d(x)d(x) 代表不确定的外部干扰,且有 d(x)≤Dd(x) \le Dd(x)≤D,即干扰有上界

对于二阶系统我们可以将滑膜面设计为
s=x1+1βx2pqs = x_1 + \frac{1}{\beta} x_2 ^ {\frac {p} {q}} s=x1​+β1​x2qp​​
非奇异滑膜控制器设计为
u=−g−1(x)(f(x)+βqpx22−qp+(D+ε)sgn(x))u = -g^{-1}(x)(f(x)+\beta \frac{q}{p} x_2^{2 - \frac {q} {p}} + (D+\varepsilon)sgn(x)) u=−g−1(x)(f(x)+βpq​x22−pq​​+(D+ε)sgn(x))
稳定性分析,设李雅普诺夫函数 V=12s2V = \frac {1} {2} s^2V=21​s2,所以有 V˙=ss˙\dot V = s \dot sV˙=ss˙,将 uuu 带入可得
V˙=s(x˙1+β−1pqx2qp−1x˙2)=s(x2+β−1pqx2qp−1(f(x)+g(x)u+d(x)))=s(x2+β−1pqx2qp−1(f(x)+g(x)(−g−1(x)(f(x)+βqpx22−qp+(D+ε)sgn(x)))+d(x)))=s(x2+β−1pqx2qp−1(f(x)−(f(x)+βqpx2qp+(D+ε)sgn(x))+d(x)))=s(x2+β−1pqx2qp−1(−βqpx22−qp−(D+ε)sgn(x)+d(x)))=s(β−1pqx2qp−1(−(D+ε)sgn(x)+d(x))=β−1pqx2qp−1(−(D+ε)∣s∣+sd(x))≤β−1pqx2qp−1(−ε∣s∣)\begin{align} \dot V &= s(\dot x_1 + \beta^{-1} \frac {p} {q} x_2^{\frac {q} {p} - 1}{\dot x_2}) \\ &= s(x_2 + \beta^{-1} \frac {p} {q} x_2^{\frac {q} {p} - 1}(f(x) + g(x)u + d(x))) \\ &= s(x_2 + \beta^{-1} \frac {p} {q} x_2^{\frac {q} {p} - 1}(f(x) + g(x)(-g^{-1}(x)(f(x)+\beta \frac{q}{p} x_2^{2 - \frac {q} {p}} + (D+\varepsilon)sgn(x))) + d(x))) \\ &= s(x_2 + \beta^{-1} \frac {p} {q} x_2^{\frac {q} {p} - 1}(f(x) - (f(x)+\beta \frac{q}{p} x_2^{\frac {q} {p}} + (D+\varepsilon)sgn(x)) + d(x))) \\ &= s(x_2 + \beta^{-1} \frac {p} {q} x_2^{\frac {q} {p} - 1}(- \beta \frac{q}{p} x_2^{2-\frac {q} {p}} - (D+\varepsilon)sgn(x) + d(x))) \\ &= s(\beta^{-1} \frac {p} {q} x_2^{\frac {q} {p} - 1}(- (D+\varepsilon)sgn(x) + d(x)) \\ &= \beta^{-1} \frac {p} {q} x_2^{\frac {q} {p} - 1}(- (D+\varepsilon)|s| + sd(x)) \\ &\le \beta^{-1} \frac {p} {q} x_2^{\frac {q} {p} - 1} (-\varepsilon |s|) \\ \end{align} V˙​=s(x˙1​+β−1qp​x2pq​−1​x˙2​)=s(x2​+β−1qp​x2pq​−1​(f(x)+g(x)u+d(x)))=s(x2​+β−1qp​x2pq​−1​(f(x)+g(x)(−g−1(x)(f(x)+βpq​x22−pq​​+(D+ε)sgn(x)))+d(x)))=s(x2​+β−1qp​x2pq​−1​(f(x)−(f(x)+βpq​x2pq​​+(D+ε)sgn(x))+d(x)))=s(x2​+β−1qp​x2pq​−1​(−βpq​x22−pq​​−(D+ε)sgn(x)+d(x)))=s(β−1qp​x2pq​−1​(−(D+ε)sgn(x)+d(x))=β−1qp​x2pq​−1​(−(D+ε)∣s∣+sd(x))≤β−1qp​x2pq​−1​(−ε∣s∣)​​
根据上述分析可知 x2≠0x_2 \ne 0x2​=0 时,满足李雅普诺夫稳定条件。接下来需要分析的就是在之前的奇异点的问题,我们发现,将控制量带入到系统模型方程可得
x˙2=−βqpx22−pq+d(x)−(D+ε)sgn(s)\dot x_2 = -\beta \frac{q}{p}x_2^{2-\frac{p}{q}} + d(x) - (D+\varepsilon)sgn(s) x˙2​=−βpq​x22−qp​​+d(x)−(D+ε)sgn(s)
当 x2=0x_2 = 0x2​=0 有:
x˙2=d(x)−(D+ε)sgn(s)\dot x_2 = d(x) - (D+\varepsilon)sgn(s) x˙2​=d(x)−(D+ε)sgn(s)
分析可知,此时当 s>0s>0s>0 则 x2x_2x2​ 快速减小,此时当 s<0s<0s<0 则 x2x_2x2​ 快速增加。所以可以在有限时间内实现 s=0s=0s=0。

收敛速度问题

该方法解决了奇异性问题,但是收敛速度问题并没有解决,在接近滑模面时的收敛速度仍然较慢。所以在此基础上提出了非奇异快速终端滑膜控制

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