本书从MATLAB仿真角度系统地介绍了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。

全书共分10章，包括滑模变结构控制发展综述、连续时间系统滑模控制、离散时间系统滑模控制、模糊滑模控制、神经滑模控制、基于反演设计的滑模控制、动态滑模控制、基于干扰估计的滑模控制、Terminal滑模控制以及几种新型滑模控制。 每种控制方法都通过MATLAB仿真程序进行了仿真分析。

本书各部分内容既相互联系又相互独立，读者可根据需要选择学习。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学习，也可作为大专院校工业自动化、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。

变结构控制出现于20世纪50年代，经历了50余年的发展，已形成了一个相对独立的研究分支，成为自动控制系统的一种设计方法，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干扰时具有不变性，正是这种特性使得变结构控制方法受到各国学者的重视。

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

有关滑模变结构控制理论及其工程应用，近年来已有大量的论文发表。本书作者多年来一直从事控制理论及应用方面的研究和教学工作，为了促进变结构控制和自动化技术的进步，反映滑模变结构控制设计与应用中的最新研究成果，使广大工程技术人员能够及时了解、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，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、实用化而成的，其特点是：

（1） 滑模变结构控制算法取材新颖、内容先进，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、新方法和新技术，取材着重于基本概念、基本理论和基本方法。

（2）  针对每种滑模控制算法均给出了完整的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力求完整，程序设计、结构设计力求简单明了，便于自学和进一步开发。

本书共分10章。第1章为绪论，介绍了滑模变结构控制的基本原理及其在理论和应用方面的发展状况；第2章介绍连续系统滑模变结构控制的理论基础，并介绍了连续时间系统变结构控制律的几种基本设计方法，通过仿真和分析进行了说明；第3章介绍离散系统数字滑模控制的理论基础，并介绍了离散时间系统变结构控制律的几种基本设计方法及其改进方法，通过仿真和分析进行了说明；第4章介绍了模糊滑模控制的设计方法，包括基本的模糊滑模控制、基于模糊自适应调节的滑模控制和模糊自适应滑模控制的设计；第5章介绍了神经滑模控制的设计方法，包括基本的神经滑模控制、基于神经网络自适应调节的滑模控制和神经网络自适应滑模控制的设计；第6章介绍了基于反演设计的滑模控制设计方法，包括基本的反演控制器、自适应反演滑模控制和基于名义模型的反演滑模控制的设计；第7章介绍了动态滑模控制的设计方法，包括一阶动态滑模控制、基于动态切换函数的动态滑模控制和基于反演设计的自适应动态滑模控制的设计；第8章介绍了基于干扰估计的滑模控制，包括基于干扰观测器的连续滑模控制器和离散滑模控制器的设计、基于灰色不确定参数估计的灰色滑模控制器的设计；第9章介绍了Terminal滑模控制方法，包括高阶MIMO非线性系统的Terminal滑模控制、动态Terminal滑模控制和快速Terminal滑模控制器的设计；第10章介绍了几种新型滑模控制器的设计方法，包括全局滑模控制、基于滤波器的滑模控制、积分滑模控制和模型参考自适应滑模控制的设计。 

    本书是基于MATLAB 5.3环境下开发的，各个章节的内容具有很强的独立性，读者可以结合自己的学习方向深入地进行研究。

作者在研究过程中得到北京航空航天大学尔联洁教授的热情指导。东北大学薛定宇教授在S函数设计及Simulink仿真方面给了作者很大帮助，清华大学徐文立教授对本书给予了热情的推荐和建议。在滑模控制的研究中，研究生李斐、李蓓、钟友武、邬强等参与了部分算法的论证，在文字校对中得到了研究生曹立的帮助，在此一并表示感谢。

本书的研究工作得到了航空基金（编号：00E51022）的资助。

    由于作者水平有限，书中难免存在一些不足和错误之处，真诚欢迎广大读者批评指正。若有指正或需与作者商讨，请通过电子邮件ljk@buaa.edu.cn与作者联系。

 刘金琨

北京航空航天大学

2005年5月

第1章绪论1

1.1滑模变结构控制简介1

1.2变结构控制发展历史1

1.3滑模变结构控制基本原理2

1.4滑模变结构控制理论的研究方向4

1.4.1滑模变结构控制系统的抖振问题4

1.4.2离散系统滑模变结构控制9

1.4.3自适应滑模变结构控制9

1.4.4非匹配不确定性系统的滑模变结构控制10

1.4.5针对时滞系统的滑模变结构控制10

1.4.6非线性系统的滑模变结构控制10

1.4.7Terminal滑模变结构控制11

1.4.8全鲁棒滑模变结构控制11

1.4.9滑模观测器的研究12

1.4.10神经滑模变结构控制12

1.4.11模糊滑模变结构控制13

1.4.12积分滑模变结构控制13

1.5滑模变结构控制应用13

1.5.1在电机中的应用13

1.5.2在机器人控制中的应用14

1.5.3在飞行器控制中的应用14

1.5.4在倒立摆控制中的应用14

1.5.5在伺服系统中的应用14

参考文献15

第2章连续时间系统滑模控制22

2.1滑动模态的存在和到达条件22

2.2等效控制及滑动模态方程22

2.2.1等效控制22

2.2.2滑动模态运动方程23

2.3滑模变结构控制匹配条件及不变性23

2.4滑模控制器设计基本方法24

2.5基于比例切换函数的滑模控制25

2.5.1控制器设计方法25

2.5.2仿真实例25

2.6台车式倒立摆的滑模控制30

2.6.1台车式倒立摆模型30

2.6.2滑模控制器设计31

2.6.3仿真实例31

2.7用趋近律方法设计滑模控制器35

2.7.1几种典型的趋近律35

2.7.2基于趋近律的滑模控制36

2.7.3基于趋近律的位置跟踪40

2.8准滑动模态控制44

2.8.1准滑动模态控制原理44

2.8.2仿真实例45

2.9滑模控制在低速摩擦伺服系统中的应用50

2.9.1伺服系统摩擦模型50

2.9.2一个典型伺服系统描述51

2.9.3滑模控制器设计52

2.9.4仿真实例52

2.10一种基于上下界的滑模控制器设计59

2.10.1系统描述59

2.10.2滑模控制器设计59

2.10.3仿真实例60

参考文献64

第3章离散时间系统滑模控制65

3.1离散滑模控制描述65

3.2离散时间滑模控制的特性65

3.2.1准滑动模态65

3.2.2离散滑模的存在性和可达性66

3.2.3离散滑模控制的不变性66

3.3基于趋近律的离散滑模控制67

3.3.1离散趋近律的设计67

3.3.2离散控制律的设计68

3.3.3仿真实例68

3.4基于等效控制的离散滑模控制71

3.4.1控制器设计71

3.4.2仿真实例73

3.4.3位置跟踪控制器的设计75

3.4.4仿真实例77

3.5基于趋近律的离散滑模控制位置跟踪81

3.5.1控制器设计81

3.5.2仿真实例82

3.6基于滤波器的趋近律滑模控制88

3.6.1Kalman滤波器的设计88

3.6.2仿真实例89

3.7基于变速趋近律的滑模控制93

3.7.1变速趋近律及控制93

3.7.2基于组合趋近律的控制95

3.7.3仿真实例96

3.8自适应离散滑模控制101

3.8.1离散指数趋近律控制的抖振分析101

3.8.2自适应滑模控制器的设计102

3.8.3仿真实例103

参考文献108

第4章模糊滑模控制109

4.1常规模糊滑模控制109

4.1.1基本原理109

4.1.2模糊滑模控制器的设计109

4.1.3仿真实例111

4.2基于模糊自适应调节的滑模控制117

4.2.1模糊自适应调节原理117

4.2.2仿真实例117

4.3基于模糊切换增益调节的滑模控制123

4.3.1系统描述123

4.3.2滑模控制器设计123

4.3.3模糊控制器设计124

4.3.4仿真实例126

4.4基于等效控制的模糊滑模控制141

4.4.1系统描述141

4.4.2滑模控制器设计141

4.4.3模糊控制器设计142

4.4.4仿真实例143

4.5基于线性化反馈的自适应模糊滑模控制150

4.5.1线性化反馈方法150

4.5.2滑模控制器设计151

4.5.3自适应模糊滑模控制器设计151

4.5.4仿真实例153

4.6基于切换模糊化的自适应模糊滑模控制161

4.6.1系统描述162

4.6.2自适应模糊滑模控制器设计162

4.6.3仿真实例164

4.7具有积分滑模面的模糊自适应滑模控制171

4.7.1系统描述171

4.7.2模糊控制器的设计172

4.7.3仿真实例172

4.8自适应模糊滑模控制179

4.8.1控制器设计179

4.8.2自适应控制算法设计179

4.8.3仿真实例181

参考文献187

第5章神经滑模控制188

5.1RBF神经网络逼近188

5.1.1网络结构188

5.1.2逼近算法188

5.1.3仿真实例189

5.2基于RBF神经网络的等效滑模控制196

5.2.1系统描述196

5.2.2等效控制器设计196

5.2.3神经滑模控制器设计197

5.2.4仿真实例198

5.3RBF神经滑模控制202

5.3.1控制器设计202

5.3.2仿真实例203

5.4基于RBF网络上界自适应学习的滑模控制207

5.4.1系统描述207

5.4.2控制器的设计208

5.4.3仿真实例211

5.5基于线性化反馈的神经网络滑模控制217

5.5.1线性化反馈方法217

5.5.2滑模控制器的设计218

5.5.3自适应神经滑模控制器的设计218

5.5.4仿真实例220

5.6基于RBF网络切换增益调节的滑模控制226

5.6.1系统描述227

5.6.2固定增益滑模控制器的设计227

5.6.3基于RBF网络的增益调节228

5.6.4仿真实例229

参考文献235

第6章基于反演设计的滑模控制236

6.1一种简单反演控制器的设计236

6.1.1基本原理236

6.1.2仿真实例237

6.2自适应反演滑模控制240

6.2.1系统描述240

6.2.2Backstepping滑模控制器的设计241

6.2.3仿真实例242

6.2.4自适应Backstepping滑模控制器的设计246

6.2.5仿真实例247

6.3基于名义模型的反演滑模控制251

6.3.1系统描述251

6.3.2控制系统结构252

6.3.3名义模型Backstepping控制器的设计252

6.3.4实际对象全局滑模控制器的设计253

6.3.5仿真实例255

6.4移动机器人的滑模轨迹跟踪控制262

6.4.1移动机器人运动学模型262

6.4.2切换函数的设计264

6.4.3滑模控制器设计264

6.4.4仿真实例265

6.5一种简单的移动机器人变结构控制276

6.5.1控制器设计276

6.5.2稳定性分析276

6.5.3仿真实例276

参考文献278

第7章动态滑模控制279

7.1一阶动态滑模控制279

7.1.1控制器的设计279

7.1.2仿真实例279

7.2基于动态切换函数的动态滑模控制283

7.2.1控制器的设计283

7.2.2仿真实例285

7.3基于反演设计的自适应动态滑模控制289

7.3.1常规自适应滑模控制器289

7.3.2仿真实例289

7.3.3反演自适应动态滑模控制292

7.3.4仿真实例294

7.3.5新型反演自适应动态滑模控制298

7.3.6仿真实例298

参考文献302

第8章基于干扰估计的滑模控制303

8.1一种简单滑模观测器的设计303

8.1.1系统描述303

8.1.2仿真实例303

8.2基于干扰观测器的连续滑模控制304

8.2.1系统描述305

8.2.2常规滑模控制器305

8.2.3带干扰观测器的滑模控制器306

8.2.4仿真实例307

8.3基于干扰观测器的离散滑模控制313

8.3.1系统描述313

8.3.2基于干扰观测器的离散滑模控制器313

8.3.3稳定性分析314

8.3.4仿真实例316

8.3.5基于饱和函数的控制器319

8.3.6稳定性分析320

8.3.7仿真实例321

8.4灰色滑模控制324

8.4.1系统描述325

8.4.2灰色滑模控制器的设计325

8.4.3仿真实例326

参考文献332

第9章Terminal滑模控制333

9.1一种高阶MIMO非线性系统的Terminal滑模控制333

9.1.1系统描述333

9.1.2Terminal滑模控制器设计333

9.1.3仿真实例之一: SISO系统的Terminal滑模控制336

9.1.4仿真实例之二： MIMO系统的Terminal滑模控制343

9.2动态Terminal滑模控制352

9.2.1系统描述352

9.2.2动态Terminal滑模控制器的设计352

9.2.3仿真实例355

9.3快速Terminal滑模控制器的设计360

9.3.1快速Terminal滑模的设计360

9.3.2全局快速滑模控制器的设计362

9.3.3全局快速滑模到达时间及稳定性分析363

9.3.4仿真实例364

9.3.5位置跟踪控制器的设计368

9.3.6仿真实例368

9.3.7具有鲁棒性的全局快速滑模控制372

9.3.8仿真实例374

9.4非奇异Terminal滑模控制379

9.4.1普通Terminal滑模控制379

9.4.2非奇异Terminal滑模控制器的设计380

9.4.3仿真实例381

9.4.4刚性机器人非奇异Terminal滑模控制386

9.4.5仿真实例388

参考文献396

第10章几种新型滑模控制397

10.1二阶不确定系统的全局滑模控制397

10.1.1系统描述397

10.1.2全局滑模切换函数设计397

10.1.3控制器设计398

10.1.4稳定性分析398

10.1.5仿真实例399

10.2N阶不确定系统的全局滑模控制403

10.2.1系统描述403

10.2.2控制器设计403

10.2.3稳定性分析404

10.2.4仿真实例408

10.3基于滤波器的机器人滑模控制414

10.3.1机器人动态方程414

10.3.2滑模控制器的设计414

10.3.3仿真实例之一416

10.3.4仿真实例之二420

10.4一种基于积分切换函数的自适应滑模控制427

10.4.1系统描述427

10.4.2积分型切换函数的设计427

10.4.3滑模控制器的设计428

10.4.4仿真实例428

10.4.5自适应滑模控制器的设计431

10.4.6仿真实例432

10.5基于积分型切换增益的滑模控制436

10.5.1系统描述 436

10.5.2常规滑模控制器的设计436

10.5.3具有积分型切换增益的滑模控制器437

10.5.4仿真实例438

10.6模型参考滑模控制445

10.6.1系统描述445

10.6.2滑模控制器设计446

10.6.3仿真实例446

参考文献452