基于改進(jìn)型偏差耦合結(jié)構(gòu)的多電機(jī)同步控制

1、<p>　　基于改進(jìn)型偏差耦合結(jié)構(gòu)的多電機(jī)同步控制</p><p>　　摘要：針對(duì)現(xiàn)有的多電機(jī)同步控制方案難以滿足高精度控制的要求和不能實(shí)現(xiàn)比例同步控制的局限性，提出一種帶PI補(bǔ)償控制的改進(jìn)型偏差耦合控制結(jié)構(gòu)，可適用于多電機(jī)完全同步和比例同步控制.針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)非線性和強(qiáng)耦合特性，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器來實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的跟蹤控制.建立了4臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)的同步控制仿真模型，仿真實(shí)驗(yàn)表明

2、，所提出的多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)相對(duì)于帶固定增益補(bǔ)償?shù)目刂平Y(jié)構(gòu)具有更高的同步控制精度.與PID和常規(guī)滑?？刂扑惴ㄏ啾龋赃m應(yīng)模糊滑?？刂撇呗跃哂懈叩耐椒€(wěn)定性和更強(qiáng)的魯棒性. </p><p>　　關(guān)鍵詞：多電機(jī)同步控制；偏差耦合控制；PI補(bǔ)償器；滑模控制 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TH165.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p>　　目前，多電機(jī)同步控制技術(shù)

3、已廣泛應(yīng)用于造紙、印染、紡織以及機(jī)械加工等工業(yè)制造領(lǐng)域.多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)和控制算法不僅是實(shí)現(xiàn)高精度同步控制的關(guān)鍵，同時(shí)也直接影響著系統(tǒng)的可靠性和產(chǎn)品制造的質(zhì)量. </p><p>　　同步控制根據(jù)控制參數(shù)不同可分為速度同步、位置同步和相位同步等；按照控制參數(shù)數(shù)值不同可分為完全同步控制和比例同步控制，最常見的應(yīng)用是速度完全同步控制，如大型龍門吊車，需要控制兩臺(tái)電機(jī)以相同的速度驅(qū)動(dòng)負(fù)載.而在有些場合，需要使各電機(jī)的

4、速度保持一定的比例關(guān)系來驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如超高速卷接機(jī)，為了保證各鼓輪在單位時(shí)間內(nèi)煙支的傳輸量相等，各交接處鼓輪的線速度應(yīng)相等，因此要求各鼓輪的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格保持一定的比例關(guān)系.本文重點(diǎn)研究具有速度完全同步和比例同步要求的多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)和控制策略. </p><p>　　常用的多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)有主從式、交叉耦合式和偏差耦合式等.相鄰耦合[1]控制結(jié)構(gòu)僅考慮相鄰兩電機(jī)的狀態(tài)，當(dāng)某臺(tái)電機(jī)受到擾動(dòng)產(chǎn)生速度波動(dòng)時(shí)，只能通過其相

5、鄰電機(jī)逐個(gè)傳遞給其他電機(jī)，這將導(dǎo)致一定的控制時(shí)延從而造成較大的同步誤差，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中受到了很大的限制.通過對(duì)交叉耦合控制結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，PerezPinal等[2]提出了適用于多電機(jī)的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)，其控制效果有了質(zhì)的變化，克服了其他控制策略的缺點(diǎn)，具有很好的同步性能.但是如何根據(jù)各個(gè)電機(jī)拖動(dòng)子系統(tǒng)的負(fù)載變化以及干擾等因素實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)速度補(bǔ)償值是實(shí)現(xiàn)偏差耦合控制的關(guān)鍵.文獻(xiàn)[3-5] 采用固定增益速度補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)偏差耦合控制，該算法雖結(jié)

6、構(gòu)簡單，但因其補(bǔ)償器只考慮了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)同步性能的影響，當(dāng)負(fù)載變化大時(shí)，系統(tǒng)波動(dòng)較大，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.為此，本文提出基于PI補(bǔ)償器的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)可綜合考慮電機(jī)參數(shù)、負(fù)載波動(dòng)以及擾動(dòng)等因素造成的速度偏差，實(shí)時(shí)修正速度補(bǔ)償值，從而獲得更高的同步控制精度. </p><p>　　永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM） 具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于高性能伺服系統(tǒng)，在多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中也被廣泛

7、采用，但是PMSM伺服系統(tǒng)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性時(shí)變系統(tǒng)，一般的控制算法難以達(dá)到令人滿意的效果.文獻(xiàn)[6]采用模糊PID控制算法來實(shí)現(xiàn)多電機(jī)系統(tǒng)的同步控制，雖對(duì)多輸入多輸出、時(shí)變及滯后等復(fù)雜系統(tǒng)都能進(jìn)行控制，但模糊控制規(guī)則太多且過于依賴操作者的經(jīng)驗(yàn)，參數(shù)整定困難，無自學(xué)習(xí)能力，其應(yīng)用范圍受到較大的局限.文獻(xiàn)[7]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制雖具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，但計(jì)算復(fù)雜且實(shí)效性較差.針對(duì)不確定非線性

8、控制系統(tǒng)，滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種較為有效的跟蹤控制方法[8]，它具有響應(yīng)速度快、控制精度高、魯棒性強(qiáng)、算法簡單、易于在線實(shí)現(xiàn)等許多優(yōu)點(diǎn).本文從實(shí)際工程應(yīng)用角度出發(fā)，結(jié)合滑模變結(jié)構(gòu)控制和模糊控制方法，設(shè)計(jì)了基于切換增益自適應(yīng)調(diào)節(jié)的模糊滑?？刂破鳎?并采用帶PI補(bǔ)償控制的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)，對(duì)4臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行同步控制，仿真結(jié)果證明了該控制結(jié)構(gòu)和控制策略的可行性和有效性. </p><p>　　1改進(jìn)型偏差耦合控制結(jié)

9、構(gòu)設(shè)計(jì) </p><p>　　偏差耦合控制是利用各個(gè)電機(jī)系統(tǒng)之間的阻尼系數(shù)關(guān)系在速度反饋信號(hào)中添加各電機(jī)的相對(duì)速度信號(hào)，根據(jù)每臺(tái)電機(jī)的工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)地在各電機(jī)之間分配速度補(bǔ)償信號(hào)，從而達(dá)到很好的同步性能.傳統(tǒng)的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的完全同步控制，而不能實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的比例同步控制.針對(duì)這一問題，本文對(duì)傳統(tǒng)的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的比例同步控制，以3臺(tái)電機(jī)為例，改進(jìn)型的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖

10、1所示. </p><p>　　固定增益速度補(bǔ)償器只考慮了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，當(dāng)負(fù)載變化較大時(shí)，因電機(jī)特性參數(shù)和機(jī)電時(shí)間常速的不同，導(dǎo)致速度波動(dòng)大，且消除速度波動(dòng)的時(shí)間長，這也造成多電機(jī)間速度不同步，即出現(xiàn)同步誤差.對(duì)于每一臺(tái)電機(jī)而言，其他任意一臺(tái)電機(jī)速度的波動(dòng)都是一種干擾，而這種干擾是可測且經(jīng)常變化的，故可通過引入前饋?zhàn)饔脤?shí)時(shí)消除干擾對(duì)各電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)輸出的不良影響，很好地提高系統(tǒng)的控制品質(zhì).本文采用PI控制器代替

11、固定增益，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的前饋控制，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.干擾一旦出現(xiàn)，在被控制量發(fā)生變化前，PI調(diào)節(jié)器就產(chǎn)生控制作用，即直接根據(jù)檢測到的其他電機(jī)的速度按一定規(guī)律快速消除電機(jī)之間的跟隨誤差，使其穩(wěn)定收斂于零，從而保證系統(tǒng)具有優(yōu)良的同步性能的同時(shí)，使系統(tǒng)獲得更好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能. </p><p>　　2模糊滑?？刂破髟O(shè)計(jì) </p><p>　　由于永磁同步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合和非線性的復(fù)雜系統(tǒng)

12、，一般的控制方法難以達(dá)到令人滿意的調(diào)速性能，而滑?？刂疲⊿MC）能夠克服復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性，對(duì)干擾和未建模動(dòng)態(tài)有很強(qiáng)的魯棒性，非常適合作為一種不確定系統(tǒng)的魯棒控制器.但是普通的滑模控制會(huì)存在抖振現(xiàn)象，所以必須采取降抖振措拖才能應(yīng)用于實(shí)際.本文將模糊控制和變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)模糊滑模控制器，采用模糊控制自適應(yīng)調(diào)節(jié)引起滑模抖振的增益系數(shù)以削弱系統(tǒng)抖振，用滑?？刂拼_保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，它不僅保持了模糊控制不依賴系統(tǒng)模型的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可在保證控制