滑模变结构控制MATLAB仿真：基本理论与设计方法（第4版）（电子信息与电气工程技术丛书）

本书从MATLAB仿真的角度系统地介绍滑模变结构控制的基本理论、基本方法和应用技术，是作者多年来从事控制系统教学和科研工作的结晶，同时融入了国内外同行近年来所取得的新成果。

本书是在第3版基础上修订而成的，增加了部分内容。全书共分14章，内容包括绪论、滑模控制基本方法、几种典型滑模控制、自适应鲁棒滑模控制、基于干扰及输出测量延迟观测器的滑模控制、反演及动态面滑模控制、基于滤波器及状态观测器的滑模控制、模糊滑模控制、神经网络滑模控制、离散滑模控制、基于LMI的滑模控制、Terminal滑模控制、控制系统执行器问题的滑模控制、基于四元数变换的滑模控制。书中对每种控制方法都利用MATLAB程序进行仿真分析。

本书各部分内容既相互联系又相对独立，读者可根据自己需要选择学习。本书适用于从事生产过程自动化、计算机应用、机械电子和电气自动化领域工作的工程技术人员阅读，也可作为高等学校工业自动化、自动控制、机械电子、自动化仪表、计算机应用等专业的教学参考书。

刘金琨 辽宁省大连市瓦房店人，分别于1989年、1994年和1997年获东北大学工学学士、硕士和博士学位。1997─1999年在浙江大学工业控制技术研究所从事博士后研究工作。现为北京航空航天大学控制理论与控制工程专业教授、博士生导师。主要从事智能控制、滑模变结构控制领域的研究和教学工作。自从从事研究工作以来，主持国家自然科学基金等科研项目10余项，发表学术论文100余篇，出版图书10余部。

本书特色：

（1） 滑模变结构控制算法重点置于学科交叉部分的前沿研究和介绍一些有潜力的新思想、新方法，同时又兼顾基本概念、基本理论和基本方法；

（2） 针对每种滑模控制算法给出了完整的MATLAB仿真程序，并给出了程序的说明和仿真结果，具有很强的可读性；

（3） 着重从应用领域角度出发，突出理论联系实际，面向广大工程技术人员，具有很强的工程性和实用性。书中有大量应用实例及其结果分析，为读者提供了有益的借鉴；

（4） 所给出的各种滑模变结构控制算法完整，程序设计结构设计力求简单明了，便于自学和进一步开发。

变结构控制出现于20世纪50年代，经历了60余年的发展，现已形成一个相对独立的研究分支，成为自动控制系统的一种典型的设计方法，适用于线性与非线性系统、连续与离散系统、确定性与不确定性系统、集中参数与分布参数系统、集中控制与分散控制等。这种控制方法通过控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动，使系统在受到参数摄动和外部干扰的时候具有不变性，正是这种特性使得变结构控制方法受到各国学者的广泛重视。

由于滑模变结构控制算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

在滑模变结构控制理论及其工程应用领域，近年来已有大量的论文发表。作者多年来一直从事控制理论及应用方面的教学和研究工作，为了促进变结构控制和自动化技术的进步，发布滑模变结构控制设计与应用中的最新研究成果，并使广大工程技术人员能了解、掌握和应用这一领域的最新技术，学会用MATLAB语言进行滑模变结构控制器的设计。作者编写了这本书，以抛砖引玉，供广大读者学习参考。

本书是在总结作者多年研究成果的基础上，进一步理论化、系统化、规范化、实用化后编写而成的，其特点如下：

（1） 滑模变结构控制算法取材新颖，内容先进，重点介绍学科交叉部分的前沿研究和一些有潜力的新思想、新方法和新技术，取材着重于基本概念、基本理论和基本方法。

（2） 每种滑模控制算法都给出了完整的MATLAB仿真程序，并给出了程序的说明和仿真结果，具有很强的可读性。

（3） 从应用领域角度出发，突出理论联系实际，面向广大工程技术人员，具有很强的工程性和实用性。书中有大量应用实例及其结果分析，为读者提供了有益的借鉴。

（4） 本书给出的各种滑模变结构控制算法非常完整，程序结构设计简单明了，便于自学和进一步开发。

本书程序算法使用说明如下：

（1） 本书程序可到清华大学出版社网站下载，也可扫描下方二维码下载。

（2） 下载程序并复制到硬盘MATLAB运行的路径中，即可运行仿真。

（3） 所有算法均在MATLAB R2013a版本下运行成功，也兼容更高级版本。

（4） 所有控制算法都按章归类，程序名与书中的程序名对应一致。

本书是基于MATLAB R2013a由于采用的软件仿真环境为MATLAB R2013a英文版，所以书中仿真插图均为英文。环境下开发的，各个章节的内容都具有很强的独立性，读者可以结合自己的研究方向深入地进行研究。

作者在滑模控制的研究中得到北京航空航天大学尔联洁教授的热情支持和指导。本书的撰写和研究工作得到了国家自然科学基金项目“N连杆柔性机械臂PDE建模及自适应边界控制理论研究”（编号： 61374048）的支持。

由于作者水平有限，书中难免存在一些不足和疏漏之处，欢迎广大读者批评指正。

刘金琨

于北京航空航天大学

第1章绪论

1.1滑模变结构控制简介

1.2变结构控制发展历史

1.3滑模变结构控制基本原理

1.4滑模面的参数设计

1.5滑模变结构控制理论研究方向

1.5.1滑模变结构控制系统的抖振问题

1.5.2离散系统滑模变结构控制

1.5.3自适应滑模变结构控制

1.5.4不匹配不确定性系统的滑模变结构控制

1.5.5针对时滞系统的滑模变结构控制

1.5.6非线性系统的滑模变结构控制

1.5.7Terminal滑模变结构控制

1.5.8全鲁棒(Global)滑模变结构控制

1.5.9滑模观测器的研究

1.5.10神经滑模变结构控制

1.5.11模糊滑模变结构控制

1.5.12积分滑模变结构控制

1.5.13高阶滑模控制

1.6滑模变结构控制应用

1.6.1在电机中的应用

1.6.2在机器人控制中的应用

1.6.3在飞行器控制中的应用

1.6.4在倒立摆控制中的应用

1.6.5在伺服系统中的应用

1.7滑模变结构控制相关研究著作

1.8控制系统S函数设计

1.8.1S函数介绍

1.8.2S函数基本参数

1.8.3S函数描述实例

1.9简单自适应控制系统设计实例

1.9.1系统描述

1.9.2滑模控制律设计

1.9.3仿真实例

附录

参考文献

第2章滑模控制基本方法

2.1滑模面设计及应用实例

2.1.1滑模面的参数设计

2.1.2滑模控制的工程意义

2.1.3一个简单的滑模控制实例

2.1.4仿真实例

2.2基于趋近律的滑模控制

2.2.1几种典型的趋近律

2.2.2控制器设计

2.2.3仿真实例

2.3基于趋近律的滑模鲁棒控制

2.3.1系统描述

2.3.2仿真实例

2.4基于上界的滑模控制

2.4.1系统描述

2.4.2控制器设计

2.4.3仿真实例

2.5基于准滑动模态的滑模控制

2.5.1准滑动模态

2.5.2仿真实例

2.6基于连续切换的滑模控制

2.6.1双曲正切函数性质

2.6.2基于双曲正切函数的滑模控制

2.6.3仿真实例

2.7等效滑模控制

2.7.1系统描述

2.7.2等效控制

2.7.3滑模控制

2.7.4仿真实例

2.8滑模控制的数字化仿真

2.8.1基本原理

2.8.2仿真实例

参考文献

第3章几种典型滑模控制

3.1基于名义模型的滑模控制

3.1.1系统描述

3.1.2控制系统结构

3.1.3针对名义模型的控制

3.1.4滑模控制器的设计

3.1.5仿真实例

3.2全局滑模控制

3.2.1系统描述

3.2.2全局滑模函数的设计

3.2.3滑模控制器的设计

3.2.4仿真实例

3.3基于线性化反馈的滑模控制

3.3.1线性化反馈控制

3.3.2仿真实例

3.3.3基于线性化反馈的滑模控制

3.3.4仿真实例

3.4输入输出反馈线性化控制

3.4.1系统描述

3.4.2控制器设计

3.4.3仿真实例

3.5基于输入输出反馈线性化的滑模控制

3.5.1系统描述

3.5.2控制器设计

3.5.3仿真实例

3.6模型参考滑模控制

3.6.1系统描述

3.6.2滑模控制器设计

3.6.3仿真实例

3.7一阶系统滑模控制

3.7.1系统描述

3.7.2滑模控制器设计

3.7.3仿真实例

3.8滑模预测控制

3.8.1系统描述

3.8.2传统滑模控制算法

3.8.3预测滑模控制算法

3.8.4仿真实例

参考文献

第4章自适应鲁棒滑模控制

4.1自适应鲁棒滑模控制描述

4.1.1问题的提出

4.1.2自适应滑模控制律的设计

4.1.3仿真实例

4.2无须物理参数的倒立摆自适应滑模控制

4.2.1系统描述

4.2.2控制律设计

4.2.3仿真实例

4.3基于HJI理论的滑模鲁棒控制

4.3.1基本原理

4.3.2控制器设计与分析

4.3.3仿真实例

参考文献

第5章基于干扰及输出测量延迟观测器的滑模控制

5.1基于慢时变干扰观测器的连续滑模控制

5.1.1系统描述

5.1.2观测器设计

5.1.3仿真实例

5.1.4基于慢时变干扰观测器的连续滑模控制

5.1.5仿真实例

5.2基于指数收敛干扰观测器的滑模控制

5.2.1系统描述

5.2.2指数收敛干扰观测器的问题提出

5.2.3指数收敛干扰观测器的设计

5.2.4滑模控制器的设计与分析

5.2.5仿真实例

5.3基于输出延时观测器的滑模控制

5.3.1系统描述

5.3.2输出延迟观测器的设计

5.3.3滑模控制器的设计与分析

5.3.4仿真实例

5.4一种时变测量延迟观测器及滑模控制

5.4.1系统描述

5.4.2输出延迟观测器的设计

5.4.3按A-KC为Hurwitz进行K的设计

5.4.4观测器仿真实例

5.4.5基于时变测量输出延迟观测器的滑模控制

5.4.6闭环控制仿真实例

参考文献

第6章反演及动态面滑模控制

6.1简单反演滑模控制

6.1.1基本原理

6.1.2滑模反演控制器的设计

6.1.3仿真实例

6.2鲁棒反演滑模控制

6.2.1系统描述

6.2.2Backstepping滑模控制器的设计

6.2.3仿真实例

6.3自适应反演滑模控制

6.3.1控制律的设计

6.3.2仿真实例

6.4简单动态面滑模控制

6.4.1系统描述

6.4.2动态面控制器的设计

6.4.3动态面控制器的分析

6.4.4动态面滑模控制器的设计

6.4.5仿真实例

6.5基于反演的动态滑模控制

6.5.1系统描述

6.5.2控制律设计

6.5.3仿真实例

参考文献

第7章基于滤波器及状态观测器的滑模控制

7.1基于低通滤波器的滑模控制

7.1.1系统描述

7.1.2滑模控制器设计

7.1.3仿真实例

7.2基于Kalman滤波器的滑模控制

7.2.1系统描述

7.2.2卡尔曼滤波器原理

7.2.3仿真实例

7.3基于高增益观测器的滑模控制

7.3.1高增益观测器机理分析

7.3.2高增益观测器的滑模控制器设计

7.3.3仿真实例

7.4基于扩张观测器的滑模控制

7.4.1扩张观测器的设计

7.4.2扩张观测器的分析

7.4.3仿真实例

7.4.4基于扩张观测器的滑模控制器设计

7.4.5仿真实例

7.5基于高增益微分器的滑模控制

7.5.1系统描述

7.5.2传统滑模控制器的设计

7.5.3高增益微分器设计

7.5.4高增益微分器的滑模控制器设计

7.5.5仿真实例

7.6基于K观测器的高阶系统设计与分析

7.6.1K观测器设计与分析

7.6.2按A0为Hurwitz进行k的设计

7.6.3基于K观测器的高阶系统滑模控制

7.6.4仿真实例

参考文献

第8章模糊滑模控制

8.1基于模糊切换增益调节的滑模控制

8.1.1系统描述

8.1.2滑模控制器设计

8.1.3模糊规则设计

8.1.4仿真实例

8.2基于等效控制的模糊滑模控制

8.2.1系统描述

8.2.2模糊滑模控制律的设计

8.2.3仿真实例

8.3一种简单的模糊自适应滑模控制

8.3.1问题描述

8.3.2模糊逼近原理

8.3.3控制算法设计与分析

8.3.4仿真实例

8.4基于线性化反馈的自适应模糊滑模控制

8.4.1线性化反馈方法

8.4.2滑模控制器设计

8.4.3自适应模糊滑模控制器设计

8.4.4仿真实例

8.5一种简单的切换模糊化自适应滑模控制

8.5.1系统描述

8.5.2自适应模糊滑模控制器设计

8.5.3仿真实例

8.6一种复杂的切换模糊化自适应滑模控制

8.6.1系统描述

8.6.2自适应模糊滑模控制器设计

8.6.3仿真实例

8.7具有积分滑模面的模糊滑模控制

8.7.1系统描述

8.7.2控制器的设计

8.7.3仿真实例

8.8控制输入模糊化的自适应滑模控制

8.8.1系统描述

8.8.2控制器的设计

8.8.3自适应控制算法设计

8.8.4仿真实例

参考文献

第9章神经网络滑模控制

9.1一种简单的RBF网络自适应滑模控制

9.1.1问题描述

9.1.2RBF网络原理

9.1.3控制算法设计与分析

9.1.4仿真实例

9.2RBF网络自适应鲁棒滑模控制

9.2.1问题描述

9.2.2基于RBF网络逼近f(·)的滑模控制

9.2.3仿真实例

9.3一种复杂的RBF网络自适应鲁棒滑模控制

9.3.1问题描述

9.3.2基于RBF网络逼近f(·)和g(·)的滑模控制

9.3.3仿真实例

9.4基于神经网络的直接自适应滑模控制

9.4.1系统描述

9.4.2理想的滑模控制器及神经网络逼近

9.4.3控制器设计及分析

9.4.4仿真实例

9.5基于神经网络最小参数学习法的自适应滑模控制

9.5.1问题描述

9.5.2基于RBF网络逼近的自适应控制

9.5.3仿真实例

9.6基于RBF网络摩擦补偿的滑模控制

9.6.1系统描述

9.6.2基于RBF网络逼近的滑模控制

9.6.3仿真实例

参考文献

第10章离散滑模控制

10.1离散滑模控制描述

10.2离散时间滑模控制的特性

10.2.1准滑动模态

10.2.2离散滑模的存在性和可达性

10.2.3离散滑模控制的不变性

10.3基于趋近律的离散滑模控制

10.3.1离散趋进律的设计

10.3.2离散控制律的设计

10.3.3仿真实例

10.3.4基于趋近律的离散滑模控制位置跟踪

10.3.5仿真实例

10.4基于等效控制的离散滑模控制

10.4.1控制器设计

10.4.2稳定性分析

10.4.3仿真实例

10.5基于变速趋近律的滑模控制

10.5.1变速趋近律设计

10.5.2基于变速趋近律的滑模控制

10.5.3基于组合趋近律的控制

10.5.4仿真实例

10.6自适应离散滑模控制

10.6.1离散指数趋近律控制的抖振分析

10.6.2自适应滑模控制器的设计

10.6.3仿真实例

10.7离散滑模控制的设计与分析

10.7.1系统描述

10.7.2控制器设计与分析

10.7.3仿真实例

10.8基于干扰观测器的离散滑模控制

10.8.1系统描述

10.8.2基于干扰观测器的离散滑模控制

10.8.3干扰观测器的收敛性分析

10.8.4稳定性分析

10.8.5仿真实例

参考文献

第11章基于LMI的滑模控制

11.1LMI及其MATLAB求解

11.1.1传统的LMI求解方法

11.1.2新的LMI求解方法——YALMIP工具箱

11.1.3YALMIP工具箱仿真实例

11.2基于LMI的一类线性系统控制

11.2.1系统描述

11.2.2基于LMI的线性系统稳定镇定

11.2.3基于LMI的线性系统跟踪控制

11.2.4仿真实例

11.3基于LMI的一类线性系统滑模鲁棒控制

11.3.1系统描述

11.3.2控制器设计

11.3.3仿真实例

11.4基于LMI的Lipschitz非线性系统稳定镇定

11.4.1系统描述

11.4.2镇定控制器设计

11.4.3仿真实例

附录

11.5基于LMI的Lipschitz非线性系统跟踪控制

11.5.1系统描述

11.5.2跟踪控制器设计

11.5.3仿真实例

11.6基于LMI的欠驱动倒立摆系统滑模控制

11.6.1系统描述

11.6.2基于等效的滑模控制

11.6.3基于辅助反馈的滑模控制

11.6.4仿真实例

11.7基于LMI的混沌系统动态补偿滑模控制

11.7.1系统描述

11.7.2传统的基于LMI的滑模控制

11.7.3基于动态补偿的LMI滑模控制

11.7.4仿真实例

参考文献

第12章Terminal滑模控制

12.1一种非线性系统的Terminal滑模控制

12.1.1系统描述

12.1.2Terminal滑模控制器设计

12.1.3仿真实例

12.2快速Terminal滑模控制

12.2.1传统快速Terminal滑模控制

12.2.2非奇异Terminal滑模控制

12.2.3仿真实例

12.3全局快速Terminal滑模控制

12.3.1全局快速Terminal滑动模态

12.3.2全局快速滑模控制器的设计及分析

12.3.3全局快速滑模控制的鲁棒性分析

参考文献

第13章控制系统执行器问题的滑模控制

13.1执行器自适应容错滑模控制

13.1.1控制问题描述

13.1.2控制律的设计与分析

13.1.3仿真实例

13.2执行器卡死的自适应容错滑模控制

13.2.1控制问题描述

13.2.2控制律的设计与分析

13.2.3仿真实例

13.3执行器自适应量化滑模控制

13.3.1系统描述

13.3.2量化控制器设计与分析

13.3.3仿真实例

13.4控制方向未知的滑模控制

13.4.1基本知识

13.4.2系统描述

13.4.3控制律的设计

13.4.4仿真实例

13.5主辅电机的协调滑模控制

13.5.1系统描述

13.5.2控制律设计与分析

13.5.3仿真实例

附录

参考文献

第14章基于四元数变换的滑模控制

14.1基于四元数的三维姿态建模与控制

14.1.1系统描述

14.1.2控制律的设计

14.1.3控制系统的分析

14.1.4仿真实例

14.2基于四元数的航天器滑模控制

14.2.1模型描述

14.2.2控制器设计与分析

14.2.3仿真实例

附录

参考文献