一、什么是滑模控制Simulink

滑模控制是变结构控制（Variable Structure Control, VSC）的一种，它其实是一种非线性控制，主要特点是控制的不连续性和控制结构的可变性，这种控制是依据被控对象的状态动态调整，使得系统状态轨迹按照设计好的滑动模态运动，所以得名滑模控制。

滑模态是预先设计好的，与系统的状态和外界的扰动等都不相关，因此具有参数扰动不灵敏性和实现简单的优点，是一种鲁棒控制方法。

随着系统功能的日益复杂，以自适应控制为代表的先进控制理论与算法越来越多地被投入到工程应用当中。而随着大家对被控物理系统特性本身和控制理论更加深入的研究，像鲁棒控制、模型预测控制、模糊逻辑控制，甚至是强化学习，都逐渐成为了控制工程师口袋中的武器。

然而对于传统的嵌入式应用而言，成本上的考量使得硬件算力的进一步提升成为一种奢望，也从一定程度上限制了更加“智能”的控制算法的应用。例如在自动驾驶或者自主系统控制领域颇为流行的非线性模型预测控制，很难直接应用于算力更加紧张，但也更广泛的传统嵌入式场景当中，工程师们也只能去选择更加“简化”的控制算法来实现部署，这也是为什么在传统的嵌入式控制场景中，基于经典线性控制理论的PID 控制器依然很流行。

但随着被控对象系统的动态越来越复杂，其非线性程度、外部扰动和不确定性越来越高，PID 明显力不从心。相比于直接使用类似非线性模型预测控制这类运算复杂、对硬件算力要求极高的控制算法，工程师们开始越来越多地探索如何在传统 PID 控制中添加一些“自适应”因素，让其能够在有限的硬件资源限制下，尽可能地响应和处理真实物理系统中的未知干扰与不确定性，从而也能达到更好的控制效果。

滑模控制（SMC）是一种以其鲁棒性和高效性著称的非线性控制策略。自 20 世纪 50 年代首次提出以来，滑模控制因其在处理不确定性系统和外部扰动方面的卓越性能，逐渐成为自动控制领域的重要研究方向。滑模控制的最大优势在于其对系统参数变化和外部干扰的强鲁棒性，这使得它在实际应用中能够有效应对各种不确定性（包括不限于系统的非线性特性、外部扰动等等）。此外，滑模控制结构简单，易于实现，且能够提供快速的动态响应，在传统嵌入式应用硬件算力受限的情况下依然适用。在现代控制系统中，滑模控制被广泛应用于电机控制、机器人系统、车辆动态控制以及航空航天等领域。

二、滑模控制的优点

1、精度高

滑模控制是一种基于目标实现的控制方法，可以精确地控制实际输出与目标输出之间的误差，并通过滑模函数有效地消除控制系统的静态误差，从而实现高精度控制。

2、鲁棒性强

滑模控制具有鲁棒性强的特点，对于模型参数的变化和扰动干扰具有很好的抵抗能力，有利于提高系统的稳定性和可靠性。

3、适应性好

滑模控制具有很好的适应性，可以根据系统的实际运行状况及时调整控制参数，以保证控制系统在不同工况下具有良好的控制效果。

4、抗扰动性能强

滑模控制可以有效地抵抗扰动的影响，通过滑模函数的设计可以将扰动信号引导至系统能够容忍的范围内，从而保证控制系统的稳定性和准确性。

5、响应速度快

滑模控制在反馈控制中采用的是滑模控制律，这种控制律具有响应快、控制效果好的特点，可以有效地提高系统的响应速度和控制精度。

6、容易实现

滑模控制的设计方法简单易行，往往不需要复杂的数学模型和计算方法，只需要根据系统的实际应用要求设计合适的滑模函数即可。

三、滑模控制原理

滑模控制是一种特殊的变结构控制，它与常规控制的区别在于控制的不连续性，其核心思想是根据系统所期望的动态特性来设计一个滑模面（Sliding Surface），通过控制器使系统状态从滑模面之外向其快速收敛并保持在该面上。系统一旦到达滑模面，控制器通过反馈控制将保证系统沿该面到达系统原点（目标稳态工况）。由于系统的特性和参数只取决于设计的滑模面而与外界干扰没有关系，所以滑模控制具有很强的鲁棒性。

滑模控制的原理基于滑模曲线的概念和滑模面的设计。滑模曲线是指系统状态变量与滑模面之间的关系曲线，滑模面则是为了实现控制目标而引入的一个特定面。

具体而言，滑模控制的原理如下：

• 滑模面设计：根据系统的性质和控制目标，设计一个合适的滑模面。滑模面通常包含系统状态变量和一些相关参数，可以通过数学建模和分析来确定。合理选择滑模面可以使系统状态能够快速滑动到该面上，并保持在该面上运动。
• 控制律设计：根据滑模面的特点和控制目标，设计相应的控制律。控制律通常包括一个滑模控制项和一个辅助控制项。滑模控制项用于驱动系统状态滑动到滑模面上，辅助控制项用于实现对滑模面上的状态进行调节和稳定。
• 滑模曲线生成：根据滑模面和控制律，可以得到一个滑模曲线方程。滑模曲线可以描述系统状态与滑模面之间的关系，它的斜率和形状决定了系统状态的滑动速度和稳定性。
• 控制过程执行：将设计好的控制律应用于实际系统中，周期性地计算控制信号并施加到系统上。通过控制律的作用，系统状态会根据滑模曲线的要求进行滑动和调节，从而实现对系统状态的精确控制。

四、滑模控制的应用领域

滑模控制广泛应用于飞行器、机器人、电力系统等领域。它是自动控制领域的一颗璀璨明星，为各种复杂系统提供了可靠的控制解决方案。

1、混凝土施工

滑模控制是混凝土施工过程中常用的一种控制方法。滑模控制能够在混凝土施工过程中保持较高的控制精度，使得混凝土的质量更加稳定。同时，滑模控制还能够有效地减少施工过程中的振动和噪声，提高工作效率。

2、机械加工

滑模控制在机械加工领域中也得到了广泛应用。通过滑模控制，机械加工的精度和稳定性都得到了很大的提高。同时，滑模控制还能够有效地避免机械加工过程中的振动和共振现象，提高加工效率。

3、航空航天

在航空航天领域中，滑模控制是一种广泛使用的控制方法。滑模控制能够使得航空航天器的动力系统更加稳定，同时还能够有效地提高航空航天器的控制精度和可靠性。

4、自动化控制

滑模控制在自动化控制领域中也得到了广泛应用。通过滑模控制，自动化系统的控制精度和稳定性都得到了很大的提高。同时，滑模控制还能够有效地避免自动化系统中的振动和共振现象，提高系统的工作效率。