论文标题：A Two-Phase Switching Adaptive Sliding Mode Control Achieving Smooth Start-Up and Precise Tracking for TBM Hydraulic Cylinders

论文链接：https://doi.org/10.3390/act15010057

期刊名：Actuators

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/actuators

创新性

(1) 提出了两阶段切换控制架构：针对TBM液压缸在强扰动下平滑启动与高精度跟踪的矛盾需求，创新性地设计了一种基于ASMC的两阶段切换控制策略。该策略将“软启动”和“精确跟踪”作为两个独立控制目标分阶段实现，并通过切换机制有机结合，从根本上克服了单一控制器在性能上的权衡限制。

(2) 构建了面向控制的精确模型并实验验证：建立了包含油液可压缩性、内/外泄漏及泵/阀动态在内的完整状态空间模型，并通过实际工况下的实验，获取了推进系统的真实负载特性和关键参数，为控制器设计提供了可靠的模型基础。仿真结果验证了该策略在典型TBM工况下的优越性。

1. 研究背景

硬岩隧道在能源、交通等重大基础设施建设中扮演着关键角色，因此高效、安全的开挖至关重要。随着施工目标向更复杂的地质条件和特殊工况延伸，工程界探索并采用了新型刀盘和开挖配置以提升掘进性能。其中一种实践是采用自由断面刀盘进行开挖，其轴线与隧道横截面平行。在这种工况下，岩石在切削作用下倾向于周期性剥落（见图1），导致推进油缸承受的载荷产生显著的周期性波动。这些波动引入了不确定的扰动，显著削弱了执行器的跟踪精度和运行稳定性，进而影响施工质量和安全，亟需开发适应此类工况的控制算法。

图1. 新型自由断面刀盘

对于液压缸的精确与稳定控制，滑模控制（SMC）已成为主流方法。许多研究通过改进趋近律、结合观测器或神经网络来提升性能，例如交叉耦合SMC、终端SMC、基于扩张状态观测器的反步SMC等。然而，这些方法通常假设负载恒定或缓慢变化，控制器设计依赖于已知的扰动边界或精确模型。抖振的抑制（如通过边界层或高阶SMC）会增加实施复杂性，使其难以在高度动态和不确定条件下保持高精度。因此，现有算法存在依赖精确模型、强依赖于扰动边界、难以平衡鲁棒性和抖振抑制等缺陷。

在不确定负载下，控制挑战更为严峻。为应对未知负载，研究者提出了结合补偿函数观测器、立体视觉与初值识别、扩张状态观测器、扰动观测器等方法，以提升估计精度和鲁棒性。但这些方法大多假设扰动缓慢变化，其观测器的高增益易放大噪声，自适应能力有限，且控制阀的动态也可能引发不稳定。因此，对于具有周期性负载波动和不确定性的自由断面刀盘系统，仍缺乏一种能适应快速变化负载并抑制抖振的智能算法。

2. 研究方法

本文的研究方法主要包括系统建模与控制器设计两大核心部分。

2.1 系统建模

本研究对象为阀控非对称液压缸系统（见图2），其状态空间建模分为机械、液压和阀动态三部分。模型包含了比例阀动态，并通过实验获取了外部负载条件和系统未知参数，为控制器设计奠定了基础。

图2. 推进油缸液压系统图。（1.油箱；2.液压泵；3.溢流阀；4.三/四通换向阀；5.液压锁；6.液压缸）

2.2 控制器设计

本文的核心创新在于提出了一种两阶段切换自适应滑模控制（ASMC）策略，以解决单一控制器难以兼顾平滑启动与高精度跟踪的矛盾。其结构如图3所示。

图3

第一阶段：平滑启动控制

目标：实现软启动，抑制由油液压缩性和负载突变引起的压力尖峰与位移超调。

方法：通过将“平滑选通”和“斜坡启动”机制嵌入到滑模面和等效控制律中。这种方式能主动限制启动时的流量和压力上升速率，而非仅仅依靠事后补偿。此阶段优先保证速度稳定性，可容忍一定的跟踪误差。

第二阶段：精确跟踪控制

目标：实现高精度轨迹跟踪，并保持鲁棒性。

方法：采用带有“遗忘因子”设计的自适应律，对系统不确定性和扰动进行在线估计与补偿。同时结合边界层处理，在保持滑模控制鲁棒性的同时，有效削弱抖振，减小稳态误差。此阶段优先保证跟踪精度。

切换机制：设计了一个基于系统状态（如跟踪误差、速度或时间）的智能切换律。在启动阶段或误差较大时，系统启用第一阶段控制器；当系统进入稳定跟踪阶段后，平滑切换到第二阶段控制器。这种分而治之的策略融合了两者的优点。

稳定性分析：基于李雅普诺夫理论，对所提出的两阶段切换控制系统进行了严格的稳定性分析，证明了在参数变化和外部扰动下，系统状态是有界稳定的，且跟踪误差能够收敛。

3. 实验与结果分析

为验证所提出的两阶段切换ASMC策略的有效性，在MATLAB/Simulink环境中进行了仿真实验，并与传统PID控制器和单一ASMC控制器进行了对比。结果清晰地表明，所提出的两阶段切换ASMC策略成功融合了第一阶段（平滑启动）和第二阶段（精确跟踪）的优点。与对比方法相比，它在启动阶段有效抑制了冲击和超调，在跟踪阶段实现了高精度和强鲁棒性，综合性能最优。这验证了通过智能切换机制解决单一控制器性能权衡问题的有效性。

4. 结论

本文针对TBM液压缸在复杂工况下同时实现平滑启动和高精度跟踪的难题，提出了一种两阶段切换自适应滑模控制策略。

方法：该方法通过构建包含关键非线性因素的状态空间模型，设计了分阶段侧重点不同的ASMC控制器：第一阶段嵌入平滑机制抑制启动冲击，第二阶段结合自适应律和边界层处理实现精确跟踪。通过智能切换机制整合两者优势，并给出了Lyapunov稳定性证明。

主要效果：在典型TBM周期性波动负载下的对比仿真结果表明，与传统的PID控制和单一的ASMC控制相比，本文提出的方法能显著降低启动时的压力峰值、速度峰值和位移超调量，有效抑制了液压冲击；在跟踪阶段，稳态跟踪误差更小，动态响应更快，且在整个负载变化范围内保持了良好的鲁棒性。

价值与意义：该策略无需额外的传感硬件或复杂的先验辨识，便能统一实现TBM液压缸的平滑启动与高精度跟踪，为提升TBM在复杂地质环境下的掘进性能、保障施工安全提供了一条有效且实用的技术路径。

未来工作：受篇幅所限，本研究尚未深入探讨多缸协调和约束优化问题。未来工作将致力于在更大、更复杂的负载工况下开展工程尺度实验验证，并将该两阶段切换ASMC策略拓展至多缸同步控制与能效协同优化领域。

阅读英文原文：

Yang, S.; Han, D.; Jiang, L.; Jia, L.; Zheng, Z.; Tan, X.; Yang, H.; Hu, D. A Two-Phase Switching Adaptive Sliding Mode Control Achieving Smooth Start-Up and Precise Tracking for TBM Hydraulic Cylinders. Actuators 2026, 15, 57. https://doi.org/10.3390/act15010057

Actuators期刊介绍

主编：Kenji Uchino, The Pennsylvania State University, USA; Norman M. Wereley, University of Maryland, USA

Actuators期刊涵盖与执行器和控制系统相关的科学与技术,期刊下设包括执行器材料、航空执行器、机器人执行器、控制系统等10个专题，为执行器和控制系统的科学和技术提供了一个先进的论坛。