多電機(jī)協(xié)同控制的研究

報告的主要內(nèi)容多電機(jī)協(xié)同控制的介紹多電機(jī)協(xié)同控制的發(fā)展多電機(jī)協(xié)同控制的策略現(xiàn)場總線技術(shù)在本課題中的應(yīng)用參考文獻(xiàn)一、多電機(jī)協(xié)同控制的介紹工業(yè)自動化研究中，多電機(jī)協(xié)同控制作為一個研究課題很早就被提出，但是隨著工業(yè)的發(fā)展，對多電機(jī)運(yùn)行性能的要求也更加苛刻。這一部分中，通過對多電機(jī)協(xié)同控制的研究背景和現(xiàn)狀、控制方式的分類、多電機(jī)機(jī)械控制方式和電控控制方式的比較等問題的介紹，說明了多電機(jī)協(xié)同控制課題研究的重要性。課題的研究背景隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，多電機(jī)協(xié)同控制普遍應(yīng)用于印刷設(shè)備、造紙機(jī)、垂直升船機(jī)、精密加工機(jī)床等制造與生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)中。在傳動控制系統(tǒng)中，一般都要求各電機(jī)之間保持同步運(yùn)行關(guān)系。多臺電機(jī)之間協(xié)調(diào)運(yùn)行性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的可靠性和控制精度等。因此，多電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中同步協(xié)調(diào)控制一直是運(yùn)動控制研究領(lǐng)域的重要課題之一，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值。課題的研究現(xiàn)狀

經(jīng)過研究者的努力，多電機(jī)協(xié)同控制研究與應(yīng)用已取得了許多進(jìn)展，但尚有一些需要深入研究的問題，如多電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行與拖動方案的優(yōu)化，多軸之間動態(tài)性能不匹配，協(xié)調(diào)控制方案的優(yōu)化，多軸負(fù)載及其它不確定擾動影響因素較多情況下系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，多電機(jī)速度、轉(zhuǎn)角(位移)雙重協(xié)調(diào)控制等問題，多電機(jī)變速過程的協(xié)調(diào)控制問題研究等。多電機(jī)協(xié)同控制的分類協(xié)同控制系統(tǒng)中的各臺電機(jī)具有相同的速度，這是通常的狹義的協(xié)同，也是最簡單的協(xié)同控制系統(tǒng)；協(xié)同控制系統(tǒng)中多臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持某一固定比例同步運(yùn)轉(zhuǎn)，如同步軋機(jī)、造紙機(jī)、紡織染整機(jī)械等；協(xié)同控制系統(tǒng)中多臺電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)角(位移)按要求在不同的速度下保持恒定的速差，如精密數(shù)控加工設(shè)備、纖維纏繞編織設(shè)備、機(jī)器人控制等。多電機(jī)協(xié)同控制方式機(jī)械方式采用剛性的齒輪、齒條傳動或柔性帶式、鏈?zhǔn)絺鲃?，來?shí)現(xiàn)多電機(jī)協(xié)同控制。電控方式通過控制多臺電機(jī)的轉(zhuǎn)角、距離、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。機(jī)械方式和電控方式的比較優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)機(jī)械方式同步性高機(jī)械結(jié)構(gòu)固定結(jié)構(gòu)復(fù)雜工作噪音大靈活性差傳動范圍和距離小單元負(fù)載小系統(tǒng)成本高電控方式同步性高克服了機(jī)械方式的種種缺點(diǎn)抗干擾性好由于算法的不同，各種控制方式都有不同的缺陷，但是隨著算法的改進(jìn)，這些問題都可以解決二、多電機(jī)協(xié)同控制的發(fā)展

20世紀(jì)80年代之前，由于大功率交流異步機(jī)的速度調(diào)節(jié)問題一直沒有得到很好的解決，多電機(jī)協(xié)調(diào)控制的研究及應(yīng)用主要集中于直流電機(jī)傳動系統(tǒng)中。然而，多數(shù)工程機(jī)械設(shè)備與系統(tǒng)處于復(fù)雜且惡劣的工作環(huán)境中。所以，此前一些大功率工程機(jī)械設(shè)備與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，包括定速比同步運(yùn)行、位置隨動運(yùn)行等，大多數(shù)還采用機(jī)械式協(xié)調(diào)傳動方式。近年來，隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)、控制理論的迅速發(fā)展，交流變頻供電下的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制方案與控制策略的研究與應(yīng)用不斷引向深入，在多電機(jī)傳動系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制中，要求各軸速度按規(guī)定比例協(xié)調(diào)運(yùn)行、各軸位置隨動運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)與設(shè)備種類很多，應(yīng)用也極為廣泛。常見的有連鑄機(jī)、軋鋼機(jī)、膠帶輸送機(jī)、印刷機(jī)組、染整機(jī)等。

早期的多軸協(xié)調(diào)同步控制主要采用的是非耦合控制。涉及到的控制策略均是針對每一軸，各軸的運(yùn)動控制由相對獨(dú)立的速度、位置控制器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)某一軸的負(fù)載、速度或位置等發(fā)生變化時，其它軸就不能作相應(yīng)調(diào)整，從而影響到協(xié)調(diào)性能。對于非耦合控制，各軸的控制目標(biāo)就是各軸的實(shí)際速度、位置等與其對應(yīng)給定值之間的偏差。對于要求多軸協(xié)調(diào)運(yùn)行的系統(tǒng)，控制目標(biāo)或重要指標(biāo)是多軸的合成速度、位移等參量。因此，當(dāng)利用非耦合控制時，雖通過設(shè)計合適的控制策略使某些軸的單軸跟蹤誤差減小，卻不一定能確保系統(tǒng)的合成誤差一定減小。

針對這一現(xiàn)象，耦合控制思想應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外許多學(xué)者在圍繞雙軸同步，雙軸跟蹤的交叉耦合控制進(jìn)行了研究，其中以Koren為代表及KulKami和Srinivasan等人在此后的十多年里，先后發(fā)表了十余篇關(guān)于交叉混合控制的研究論文，從而為多軸耦合補(bǔ)償控制的研究與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此后，HuaYiChuang等又把自適應(yīng)前饋控制策略用到交叉耦合控制、雙軸同步控制中，以提高動態(tài)響應(yīng)和抗干擾能力。

由于傳統(tǒng)的耦合控制方法都是以跟蹤線性目標(biāo)為前提，當(dāng)遇到非線性軌跡曲線的跟蹤控制時就暴露其局限性。于是，人們采用了變增益交叉耦合控制、變結(jié)構(gòu)控制、白適應(yīng)控制，來實(shí)現(xiàn)這種具有非線性軌跡曲線的跟蹤控制。隨著智能控制理論及其應(yīng)用研究的不斷深入，近年來，一些學(xué)者也不斷在探索應(yīng)用智能控制理論的技術(shù)與方法來實(shí)現(xiàn)雙軸協(xié)調(diào)控制。三、多電機(jī)協(xié)同控制的策略

多電機(jī)協(xié)同控制的基本控制方式主要有非耦合控制和耦合控制兩種方式，在此基礎(chǔ)上又衍生了多種改進(jìn)的控制策略?？偩€技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用也給多電機(jī)協(xié)同控制的研究提供了新的思路。

3.1多電機(jī)非耦合控制方式

多電機(jī)非耦合控制的基本形式主要有兩種：3.1.1、并行同步控制方式3.1.2、主從控制系統(tǒng)3.1.1并行同步控制方式

這種控制方式中，傳動系統(tǒng)中的各電機(jī)之間相互獨(dú)立，電機(jī)之間不存在直接的物理連接，對應(yīng)的控制系統(tǒng)中給定信號是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求的比例分別給定。協(xié)調(diào)控制器則按設(shè)計的控制策略來實(shí)現(xiàn)，而協(xié)調(diào)信號是取自各軸的速度、位置等反饋信號，并可采取不同的采集、變換與計算方案，進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償控制。并行同步控制策略原理圖并行同步控制系統(tǒng)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、啟動，停止階段系統(tǒng)的同步性能很好；2、不同的單元不受距離的限制，可滿足一定條件下的同步要求；3、任一單元的擾動不會影響任何其它單元的工作狀態(tài)。缺點(diǎn)：某一單元出現(xiàn)擾動，會出現(xiàn)失同步的現(xiàn)象，不適用于同步性要求嚴(yán)格的場合。3.1.2主從控制方式

以雙電機(jī)為例，主從同步控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖所示。在這種情況下，主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速值作為從電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速值。由此可以得出，從電機(jī)能夠反映并且跟隨任何加在主電機(jī)上的速度命令或者是從電機(jī)的負(fù)載擾動。主從控制的兩種方式第一種方式:第一臺電動機(jī)為主電動機(jī)，其余的所有電動機(jī)為從屬電動機(jī)。主電動機(jī)接收給定的輸入信號，而所有的從屬電動機(jī)共享主電動機(jī)的輸出信號作為輸入信號。第二種方式:第一臺電動機(jī)為主電動機(jī)，最后一臺電動機(jī)為從電動機(jī)。而其余的電動機(jī)充當(dāng)雙重角色，既是主電動機(jī)，又是從電動機(jī)。主從控制方式的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：相對于并行同步控制系統(tǒng)，它在一定程度上提

高了了系統(tǒng)的同步精度缺點(diǎn)：當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，電機(jī)之間的同步精度不能

得到很好的保證。因此，這種控制方式有一定

的局限性，很難獲得良好的協(xié)調(diào)性能。3.2、多電機(jī)耦合控制多電機(jī)耦合控制主要有以下三種類型：交叉耦合控制策略電子虛擬主軸的控制策略偏差耦合控制策略3.2.1、交叉耦合控制策略交叉耦合控制策略最初由Koren在1980年提出的。同非耦合控制策略相比，交叉耦合控制策略主要的特點(diǎn)就是將兩臺電機(jī)的速度信號進(jìn)行比較，從而得到一個差值作為附加的反饋信號，將這個反饋信號作為跟蹤補(bǔ)償信號，使系統(tǒng)能夠接受任何一臺電機(jī)的負(fù)載變化，從而獲得良好的同步控制精度。交叉耦合控制策略示意圖交叉耦合控制的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：各軸對其他軸都有很好的可見性。抗干擾性好，能

夠達(dá)到很高的同步精度；缺點(diǎn)：這種控制策略不適合兩個以上電動機(jī)的同步控制情

況。3.2.2、電子虛擬總軸控制策略

虛擬總軸方案模擬了機(jī)械總軸的物理特性，因而具有與機(jī)械總軸相似的固有同步特性。虛擬總軸系統(tǒng)的系統(tǒng)輸入信號經(jīng)過總軸的作用后，得到各驅(qū)動器的參考輸入信號。即各驅(qū)動器同步的是參考輸入信號而不是系統(tǒng)的輸入信號。由于該信號是經(jīng)過總軸作用后得到的信號，因此該信號更易于為單元驅(qū)動器所跟蹤，從而達(dá)到提高同步性能的目的。電子虛擬總軸控制示意圖電子虛擬總軸的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：模擬了機(jī)械總軸的特點(diǎn)，具有機(jī)械和總軸相似

的固有特性。缺點(diǎn)：但是虛擬總軸控制系統(tǒng)在啟動，負(fù)載發(fā)生擾動，

停機(jī)的過程中，軸之間會產(chǎn)生不同步的現(xiàn)象，

并且在主參考值和每個軸之間會保持一個恒定

的偏差。3.2.3、偏差耦合控制策略

偏差耦合控制策略的主要思想是將兩個電機(jī)的速度反饋?zhàn)鞑睿缓髮⒌玫降钠钚盘栕鳛樵撾姍C(jī)的速度補(bǔ)償信號，增益K，，用來補(bǔ)償各電機(jī)之間的不同轉(zhuǎn)動慣量，從而改善了雙軸之間的協(xié)調(diào)控制性能。偏差耦合控制策略示意圖速度補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)：偏差耦合控制策略的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：通過速度差補(bǔ)償各電機(jī)的之間的不同慣量，在一定程度上解決了同步協(xié)調(diào)的問題；缺點(diǎn)：這類補(bǔ)償控制策略還是不能有效地解決多電動

機(jī)之間動態(tài)性能匹配、跟蹤過程及跟蹤軌跡非

線性等一系列問題。3.3改進(jìn)的耦合控制策略通過上面對多電機(jī)協(xié)同控制方法的介紹可以清楚的知道，非耦合控制策略并不能滿足系統(tǒng)協(xié)同的高性能要求；而耦合控制中的電子虛擬總軸策略和偏差耦合策略也不能有效的保證系統(tǒng)的協(xié)同性。所以，近年來國內(nèi)外諸多學(xué)者都把研究方向定在了交叉耦合控制策略的研究和改進(jìn)上，近幾年來，有學(xué)者把最優(yōu)控制、魯棒控制、模糊控制等理論加入到交叉耦合控制策略中來，以期實(shí)現(xiàn)更好的同步性能。一種改進(jìn)的耦合控制策略如圖，這是文獻(xiàn)【4】提出的一種速度可調(diào)位置跟蹤的耦合控制策略。

該系統(tǒng)不僅解決了交叉耦合控制策略的只適合于兩臺電機(jī)的缺點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)多位置無靜差調(diào)節(jié)、啟動性好、位置跟蹤性好等特點(diǎn)。3.4智能控制理論的應(yīng)用

隨著智能控制理論研究的深入以及應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，很多的研究者也把智能控制理論應(yīng)用在多電機(jī)協(xié)同控制之中，模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用為多電機(jī)協(xié)同控制提供了新的思路，而新型補(bǔ)償器和總線技術(shù)也為實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的協(xié)同性能提供了更好的條件。。文獻(xiàn)【1】提出了一種帶模糊PID補(bǔ)償控制的同步方案，而文獻(xiàn)【5】通過自適應(yīng)算法更好的實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)協(xié)同的模糊控制，文獻(xiàn)【6】提出用神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)功能，使雙軸同步誤差的補(bǔ)償量隨控制次數(shù)的增加逐步趨于合理，從而實(shí)現(xiàn)最佳同步控制效果。四、現(xiàn)場總線技術(shù)在課題中的應(yīng)用現(xiàn)場總線(Fieldbus)是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。目前世界市場主要的幾種現(xiàn)場總線有工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus、CAN、LonworkS、FF等。本課題在比較各種現(xiàn)場總線的性能特點(diǎn)以后，決定采用CAN總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信任務(wù)。采用CAN總線的優(yōu)點(diǎn)1.很好的解決了控制系統(tǒng)集成化控制時的通訊競爭問題。CAN網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)控系統(tǒng)信息可以分為不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實(shí)時要求。2.可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。CAN采用了獨(dú)特的位仲裁技術(shù)，具有比CMSA/CD網(wǎng)更高的實(shí)時性。3.通訊協(xié)議簡單，實(shí)施方便，CAN只需通過報文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。4.CAN數(shù)據(jù)幀有效數(shù)字節(jié)數(shù)為8個的短幀結(jié)構(gòu)不會占用總線時間過長，從而保證了通訊的抗干擾性。另外，CAN的每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯措施，平均誤碼率小于10-8次方。參考文獻(xiàn)【1】汪海燕．無刷直流電動機(jī)自適應(yīng)模糊控制的研究[D]．合肥，合肥工業(yè)大學(xué)，2004【2】王杰，陳陳，吳華等．多機(jī)電力系統(tǒng)參數(shù)自適應(yīng)控制的設(shè)計理論與方法[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2002【3】張莉，李彥明，馬培蓀等．基于模糊PID控制器的多電機(jī)同步控制裝置的應(yīng)用[J]．工業(yè)儀表與自動化裝置，2003【4】南余榮.多電機(jī)傳動系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制及其在直進(jìn)式拉絲機(jī)中的應(yīng)用[D].浙江，浙江工業(yè)大學(xué)，2007【5】孫江.多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究[J].太原，太原科技大學(xué)，2009【6】張承慧，石慶升，程金．一種多電機(jī)同步傳動模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計[J]．控制與決策．2007【7】余曉霏．基于模糊矢量控制的交直流電機(jī)同步控制研究[D]．湖南，中南大學(xué)，2007【8】胡學(xué)同．