不确定切换系统的鲁棒积分滑模控制及在矿井电气设备中的应用

The switching type hybrid dynamic systems(HDS) referred to as switching system has resulted from the penetration of modern computer application technology, especially digital control technology to control of continuous system. Correspondingly, research work of robust control for switching system in recent years attracted attentions of the international and domestic academic and engineering. Moreover, abundant uncertainty and wide range of switching rules are prevalent in the actual applications. However, the existing switching system control methods limited in robust H infinity control have restricted ability of handling and solving practical problems. In this project, robust control research of uncertain switching systems by the ideas and methods of the sliding mode variable structure control theory is evolved, in which the new concept of robust integral sliding mode controller synthesis for switching system is proposed. Firstly, problem of the sliding surface design and the stability validation of the overall system are to be resolved. Meanwhile, several sufficient conditions of system robust stability under several hierarchical reaching of the system slidng mode are to be presented. After that, the reachability problem of robust integral sliding mode for a class of linear switching system is researched. Hence the the analysis and synthesis of the overall system is to be completed. Finally, the research work is to be applied to the development of the mine power electronic devices and motor speed control system. The project has important theoretical significance, but also a wide range of applications.

切换型混杂动态系统（Hybrid Dynamic System, HDS）简称切换系统，是现代计算机应用技术特别是数字控制技术渗透到连续变量动态控制系统中的产物，因此切换系统的鲁棒控制研究近年来引起国际国内学术与工程界的关注。实际工程中普遍存在大量不确定性和各式各样切换规则，而现有的切换系统控制研究限于鲁棒H无穷控制器综合方法，处理和解决实际问题的能力有限。本项目通过滑模变结构控制理论的思路和方法来进行不确定线性切换系统的鲁棒控制研究，提出切换系统鲁棒积分滑模控制器综合的新观念，首先解决滑模面设计与整个系统鲁棒稳定性的判别问题，并提出在各种滑模递阶到达模式下系统鲁棒稳定的充分条件。在此条件下，研究一类不确定线性切换系统鲁棒积分滑模的可达性问题，完成整个系统积分滑模控制器的分析与综合，并应用到矿井电力电子装置与电机调速系统的研制中去。项目具有重要的理论意义，也有广泛的应用价值。

切换系统是工业过程中一类同时按照连续时间动力学和离散事件动力学演化并相互作用的复杂系统。本项目以矿用电机控制系统为主要应用对象，根据计划任务书开展了不确定切换系统的鲁棒积分滑模控制理论和方法的研究工作。主要包括不确定切换系统的鲁棒积分滑模面的设计研究、已知切换策略及未知切换策略下鲁棒积分滑模控制器的设计研究、典型工程切换系统如DC-DC变换器及电力电子-电机控制（调速）系统的应用研究等。项目取得了如下结果和进展。（1）提出了一种任意切换策略下的鲁棒积分滑模控制。该方法通过公共鲁棒积分滑模面，避免了多滑模的模态间跳跃，实现了任意切换规则下的系统镇定。通过提高、推广公共Lyapunov函数的构造法，使之能够应用到鲁棒稳定矩阵集对象。（2）提出了一种切换策略控制下的鲁棒积分滑模控制。该方法通过切换策略控制，运用多Lyapunov函数的方法来分析积分滑动模态的鲁棒稳定性，改进了公共Lyapunov方法的保守性。滑模面不依赖切换信号，但是切换系统以及控制器均依赖切换规则以实现鲁棒稳定。（3）提出了一种任意切换规则控制下的多滑模鲁棒积分滑模控制。该方法每个子系统都有各自的鲁棒积分滑模面，控制器在任意切换规则下均能使得滑模可达。（4）针对DC-DC变换器应用所提公共鲁棒积分滑模设计方法(Common Robust Integral Sliding Mode, CRISM)，并设计其切换控制信号，切换规则由多Lyapunov方法来证明其稳定性。（5）设计制作了永磁同步电机控制系统，并初步应用所提公共鲁棒积分滑模控制算法，通过了试验调试。项目解决了不确定切换系统公共鲁棒积分滑模面及分散多积分滑模面的设计问题和有限时间到达问题，以及整个切换系统鲁棒稳定判别问题。项目研究在充分考虑参数不确定性、控制通道不确定性的影响下，通过寻找、构造与切换规则相关、无关的多Lyapunov函数，充分利用LMI工具，得到了鲁棒积分滑模面的设计方法以及切换系统鲁棒稳定判据，给出了相应滑模控制器的设计方法。项目研究工作开展取得理论成果丰富，公开发表学术论文28篇，取得专利12项；使得各成员的科研能力得到锻炼和提升，促进了师资队伍建设，实现了科研促进教学。项目工作开展以及后续深入研究对提高传动系统性能具有实际工程意义，将促进相关领域的科学技术进步。