1 系统一般形式
考虑一个Tracking Problem,即系统目标是,系统参数有界
。令error:
,目标变为
。
误差随时间变化:
其中,令,
为
输入。
2 三种Robust Controller的输入设计
2.1 Sliding Mode
令,有:
通过相平面分析滑模控制原理:
即:
(1)分析系统相图,稳定系统。

(2)项是系统项,
项是引入的控制项,这两项的目标是当系统偏离
稳定系统时将系统状态滑向稳定。
(3)滑模控制存在的问题在于执行器输入在
范围内正负变换频率可能过快,这对执行器来说是很大挑战。例如,自动驾驶车辆方向盘转角高频+-变换是不合理的。
2.2 High Gain
通过足够大的输入抵消不确定性,令,
,有:
2.3 High Frequency
令,
,有:
High Frequency Controller与Sliding Mode Controller有相似性:令,则
由于,Sliding Mode Controller的执行器输入范围为
,而
,故High Frequency Controller的执行器输入范围窄于
,相较于滑模控制更为合理一点。

3 三种Robust Controller稳定系统证明
通过李雅普诺夫直接方法(Lyapunov Direct Method)进行proof。
3.1 Sliding Mode
滑模控制:
假设Lyapunov Function:,有:
因为,故:
因为,即
,代入,有微分方程不等式:
引入函数,使
,求解一阶线性微分方程,通解:
经观察,,故:
代入,有:
上式表明,随着t增加,误差将呈指数方式减小,即证明了通过滑模控制,系统将exponentially stable。
3.2 High Gain
High Gain Controller:
假设Lyapunov Function:,有:
因为,故:
(1)当,有
,故得到微分方程不等式:
,引入非负函数
,有一阶线性微分方程:
通解为:
经观察,,故:
代入,有:
上式表明,当时,随着t增加,误差
将呈指数方式减小,系统将表现为exponentially stable。
(2)当,有
,即
,故:
,又因为
,故进一步,得到微分方程不等式:
引入非负函数,有:
代入,有一阶线性微分方程:
通解:
其中,,代入:
经观察,,
,故:
代入,有:
上式表明,当时,随着t增加,
:
系统误差趋向于,称为Globally Uniformly Ultimately Bounded(GUUB,全局一致最终有界)。此时,当
非常小,系统误差error将趋近于0。但
,随着
减小,系统输入将很大,执行器将面临很大负担。因此,要权衡误差可接受程度和执行器负担,从而设计
的大小。
3.3 High Frequency
High Gain Controller:
假设Lyapunov Function:,有:
因为,故:
很明显,,故得到微分方程不等式:
引入非负函数,有:
代入,有一阶线性微分方程:
通解:
其中,,代入:
经观察,,
,故:
代入,有:
上式表明,随着t增加,:
即全局一致最终有界。在设计的大小时,也要权衡误差可接受程度和执行器负担。
4 Controller比较分析
4.1 Design of Experiments
No. | Name | u_aux | Gain(k) | epsilon | 稳态误差 | 收敛速度 | 瞬态输入 | 稳态输入 |
1 | Sliding Mode | 1 | N/A | 优 | 较优 | 较差 | 差 | |
2 | High Gain | 0.1 | 较优 | 优 | 差 | 较差 | ||
3 | 1 | 较差 | 一般 | 一般 | 较优 | |||
4 | High Frequency | 0.1 | 一般 | 较差 | 较优 | 一般 | ||
5 | 1 | 差 | 差 | 优 | 优 |
4.2 雷达图

5 Reference
感谢王天威博士,《Beauty of Control Systems》。