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基于观测器的非线性切换系统自适应积分滑模控制
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推荐语
切换系统广泛应用于电力、机器人、航空航天等领域，但实际系统常面临三大难题：状态不可测、模型不确定、外部干扰未知，且切换过程易引发状态跳变和控制抖振。传统滑模控制大多依赖全状态测量和已知干扰边界，难以应对上述挑战。
针对这一问题，本文提出一种基于观测器的自适应积分滑模控制策略。通过设计干扰补偿观测器和多重积分滑模面，在无需预知干扰上界的前提下，实现状态与干扰的同步估计，并保证滑模面的有限时间可达性。该方法同时引入状态-时间联合驱动的切换策略，确保闭环系统的全局渐近稳定性。数值仿真验证了其有效性。
Observer-based adaptive integral sliding mode control for nonlinear switched systems（基于观测器的非线性切换系统自适应积分滑模控制）
作者：Xubin Gao1 · Hui Chen1 · Weijie Sun2 · Zhou Zheng1 · Zhendong Sun1
机构：1山东科技大学 电气与自动化工程学院; 2华南理工大学 自动化科学与工程学院
引用: Gao, X., Chen, H., Sun, W. et al. Observer-based adaptive integral sliding mode control for nonlinear switched systems. Control Theory Technol. (2026). https://doi.org/10.1007/s11768-026-00328-3
摘要
本文针对一类状态不可测的非线性不确定切换系统，提出了一种基于观测器的自适应积分滑模控制策略的设计方法。在控制器设计过程中，假设模型不确定性的信息以及非线性和外部干扰的边界均是未知的。通过利用估计的系统状态，构建了一种新颖的积分型滑模面，并开发了相应的自适应滑模控制器。所提出的控制器不仅能够有效抑制滑模控制固有的抖振现象，还能保证系统在有限时间内到达滑模面。此外，该研究引入了一种混合依赖切换信号，以优化切换逻辑。借助李雅普诺夫理论和线性矩阵不等式技术，建立了充分的条件以确保整个闭环系统在所提控制方案下的稳定性。最后，数值仿真验证了该方法在抑制不确定性和外部干扰方面的有效性与可行性。
引言
切换系统凭借其多模态特性，广泛应用于电力系统、机器人、航空航天等领域。实际应用中，系统常受模型不确定性、匹配非线性、外部干扰及状态不可测等影响，且不确定性边界往往未知，给控制设计带来显著挑战。
滑模控制因其对匹配干扰的强鲁棒性而受到广泛关注。已有研究探讨了异步切换下的非线性时滞系统、马尔可夫切换下的随机系统以及积分滑模在不确定切换非线性系统中的应用。然而，传统方法大多假设系统状态完全可测、非线性边界已知，且切换过程引起的状态跳变难以有效抑制。此外，单一滑模面往往无法同时保证所有子系统的稳定性，而抖振现象也限制了控制性能。
为克服状态不可测问题，研究者提出了多种基于观测器的滑模控制方法，包括针对马尔可夫跳跃奇异系统的观测器设计、非脆弱观测器以及自适应观测器等。针对抖振抑制，自适应滑模控制被引入以缓解滑模控制的固有抖振。尽管如此，现有方法在估计不可测状态、处理匹配非线性和外部干扰、抑制切换引起的状态跳变以及适应系统不确定性等方面仍面临显著困难。具体而言，观测器在切换期间往往产生较大的估计误差，非线性和干扰难以精确建模，且自适应机制对快速变化的参数响应能力有限。
针对上述问题，本文研究一类状态不可测的非线性不确定切换系统，提出一种基于观测器的自适应积分滑模控制策略。主要贡献如下：
干扰补偿观测器：同时估计不可测状态、匹配非线性和外部干扰，无需已知干扰边界，显著提高估计精度。
多重积分滑模面：克服单一滑模面无法同时保证所有子系统稳定性的局限。
自适应滑模控制器：无需预先掌握干扰或非线性边界，增强系统鲁棒性与适应性。
状态-时间联合驱动切换策略：借助线性矩阵不等式和最小投影算法优化切换逻辑，确保全局渐近稳定性。
最后，数值仿真验证了所提方案在状态估计、干扰衰减和控制性能方面的优越性。
结论
本研究针对一类状态不可测的不确定切换系统，探讨了其自适应积分滑模控制问题。为了处理系统中固有的未知非线性项、匹配干扰以及模型不确定性，提出了一种基于观测器的鲁棒控制方案。具体而言，首先构建了一个带有鲁棒补偿项的状态观测器，以实现对不可测状态的精确估计。随后，设计了一种积分滑模面函数，以有效抑制传统滑模控制中固有的抖振现象。在此基础上，开发了一种基于状态估计的自适应滑模控制器。该控制器不仅能够应对系统不确定性和外部干扰，还严格确保了滑模到达条件的满足。理论分析证实，所提出的控制方案保证了切换系统的全局稳定性。数值仿真结果验证了该方法的有效性。未来的研究将把这项工作拓展至具有时滞特性和执行器故障的切换系统的控制问题。
作者介绍
Xubin Gao，于2023年在青岛理工大学获得建筑电气与智能化专业工学学士学位。目前，他正在山东科技大学电气与自动化工程学院攻读控制科学与工程专业的硕士学位。他的研究方向包括切换系统的滑模控制。
Hui Chen，在华南理工大学获得控制理论与控制工程专业的博士学位。他曾作为访问学者在加拿大安大略省滑铁卢大学系统工程系进行学术交流。目前，他就职于山东科技大学电气与自动化工程学院。他的研究方向包括微机电系统的鲁棒控制和非线性控制。
Weijie Sun，于2003年在江苏大学获得热能与动力工程专业工学学士学位；2006年在福州大学获得控制理论与控制工程专业硕士学位；并于2009年在华南理工大学获得控制理论与控制工程专业博士学位。目前，他担任华南理工大学自动化科学与工程学院副教授。他的研究方向包括非线性控制、自适应与学习算法，以及电子器件的动态分析与控制。
Zhou Zheng，于2012年在武汉理工大学获得自动化专业工学学士学位；2015年在华南理工大学获得自动化专业硕士学位；并于2019年在加拿大安大略省滑铁卢大学获得系统设计工程专业博士学位。目前，他就职于山东科技大学电气与自动化工程学院。他的研究方向包括微机电系统器件和智能集成系统。
Zhendong Sun（IEEE高级会员）现任山东科技大学电气与自动化工程学院教授，曾获国家杰出青年科学基金资助。他的研究方向包括切换系统与混合系统的控制与设计，以及微机电系统的优化与集成。
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Control Theory and Technology 2024-2025年期刊合集（中文介绍）
2024-2025刊期合集（英文）
Volume 23 (February - November 2025)
Issue 3, 2025 - Special issue on ADRC: New ADRC developments in Ibero-America
Volume 22 (February - November 2024)
Issue 3, 2024 - Special issue on analysis and control of complex systems in honor of the 90th birthday of Professor Huashu Qin
Issue 2, 2024 - Special issue on system identification and estimation
期刊简介
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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.5)、EI、Scopus (CiteScore 3.2)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目I期(2021-2024年)和II期，2022-2025年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。
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