Chattering Reduction for a Second-Order Actuator via Dynamic Sliding Manifolds
作者: Patricia Nöther, Lars Watermann, Johann Reger
分类: eess.SY, math.OC
发布日期: 2026-03-16
💡 一句话要点
利用动态滑模面，降低二阶执行器系统的抖振现象
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 滑模控制 动态滑模面 抖振抑制 二阶执行器 谐波平衡法
📋 核心要点
- 传统滑模控制在实际应用中，由于执行器的非理想特性（如二阶动态），容易产生抖振现象，影响控制精度和系统寿命。
- 该论文提出使用动态滑模面来替代传统的静态滑模面，通过调整动态滑模面的参数，以降低执行器抖振的幅度。
- 通过谐波平衡法进行理论分析，并使用一个具体例子验证了动态滑模面在降低抖振方面的有效性。
📝 摘要（中文）
本文分析了标量积分器系统中，受具有未知时间常数的二阶执行器动态影响，以及一阶滑模控制下的执行器抖振现象。研究分别使用了传统的静态滑模面和动态滑模面。通过谐波平衡法证明，可以调整动态滑模面的参数，从而降低抖振的幅度，优于静态滑模面。并通过一个例子验证了该概念。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决二阶执行器动态系统中使用滑模控制时产生的抖振问题。传统的静态滑模控制在理想情况下可以实现快速收敛，但实际执行器存在动态特性，特别是二阶动态，会导致系统在滑模面上频繁切换，产生高频振荡，即抖振。这种抖振会降低控制精度，甚至损坏执行器。
核心思路：论文的核心思路是引入动态滑模面，通过调整动态滑模面的参数，改变系统在滑模面附近的动态特性，从而降低抖振的幅度。与静态滑模面不同，动态滑模面可以根据系统的状态进行调整，从而更好地适应执行器的动态特性。
技术框架：论文的技术框架主要包括以下几个步骤：1) 建立包含二阶执行器动态的标量积分器系统模型；2) 分别设计基于静态滑模面和动态滑模面的滑模控制器；3) 使用谐波平衡法分析两种控制器的抖振特性；4) 通过调整动态滑模面的参数，优化抖振性能；5) 通过仿真实验验证动态滑模面控制器的有效性。
关键创新：论文的关键创新在于提出了使用动态滑模面来降低二阶执行器系统的抖振。与传统的静态滑模面相比，动态滑模面可以根据系统的状态进行调整，从而更好地适应执行器的动态特性，降低抖振的幅度。此外，论文还使用了谐波平衡法对抖振特性进行了理论分析，为动态滑模面的参数设计提供了理论依据。
关键设计：动态滑模面的设计是关键。具体而言，动态滑模面通常包含一个积分项，该积分项的参数需要仔细调整，以平衡系统的稳定性和抖振抑制能力。论文中，谐波平衡法被用于分析不同参数下系统的抖振幅度，从而为参数选择提供指导。此外，切换增益的选择也会影响抖振，需要在保证系统稳定性的前提下，尽量减小切换增益。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过谐波平衡法证明，相较于静态滑模面，动态滑模面可以通过参数调整有效降低抖振幅度。虽然论文中没有给出具体的性能数据，但通过仿真例子验证了动态滑模面在降低抖振方面的有效性，为实际应用提供了理论依据和设计指导。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于对控制精度和执行器寿命有较高要求的领域，例如机器人控制、航空航天控制、精密运动控制等。通过降低执行器抖振，可以提高控制系统的性能和可靠性，延长执行器的使用寿命，并降低维护成本。未来，该方法可以推广到更复杂的执行器动态系统和多变量控制系统。
📄 摘要（原文）
We analyze actuator chattering in a scalar integrator system subject to second-order actuator dynamics with an unknown time constant and first-order sliding-mode control, using both a conventional static sliding manifold and a dynamic sliding manifold. Using the harmonic balance method we proof that it is possible to adjust the parameters of the dynamic sliding manifold so as to reduce the amplitude of the chattering in comparison to the static manifold. The proof of concept is illustrated with an example.