基于改進型偏差耦合結(jié)構(gòu)的多電機同步控制

1、<p>　　基于改進型偏差耦合結(jié)構(gòu)的多電機同步控制</p><p>　　摘要：針對現(xiàn)有的多電機同步控制方案難以滿足高精度控制的要求和不能實現(xiàn)比例同步控制的局限性，提出一種帶PI補償控制的改進型偏差耦合控制結(jié)構(gòu)，可適用于多電機完全同步和比例同步控制.針對永磁同步電動機非線性和強耦合特性，設(shè)計了自適應(yīng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器來實現(xiàn)永磁同步電動機的跟蹤控制.建立了4臺永磁同步電動機的同步控制仿真模型，仿真實驗表明

2、，所提出的多電機同步控制結(jié)構(gòu)相對于帶固定增益補償?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?，自適應(yīng)模糊滑模控制策略具有更高的同步穩(wěn)定性和更強的魯棒性. </p><p>　　關(guān)鍵詞：多電機同步控制；偏差耦合控制；PI補償器；滑?？刂?</p><p>　　中圖分類號：TH165.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A </p><p>　　目前，多電機同步控制技術(shù)

3、已廣泛應(yīng)用于造紙、印染、紡織以及機械加工等工業(yè)制造領(lǐng)域.多電機同步控制結(jié)構(gòu)和控制算法不僅是實現(xiàn)高精度同步控制的關(guān)鍵，同時也直接影響著系統(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，需要控制兩臺電機以相同的速度驅(qū)動負(fù)載.而在有些場合，需要使各電機的

4、速度保持一定的比例關(guān)系來驅(qū)動負(fù)載，如超高速卷接機，為了保證各鼓輪在單位時間內(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.本文重點研究具有速度完全同步和比例同步要求的多電機同步控制結(jié)構(gòu)和控制策略. </p><p>　　常用的多電機同步控制結(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)僅考慮相鄰兩電機的狀態(tài)，當(dāng)某臺電機受到擾動產(chǎn)生速度波動時，只能通過其相

5、鄰電機逐個傳遞給其他電機，這將導(dǎo)致一定的控制時延從而造成較大的同步誤差，因此在實際工程應(yīng)用中受到了很大的限制.通過對交叉耦合控制結(jié)構(gòu)的改進，PerezPinal等[2]提出了適用于多電機的偏差耦合控制結(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，具有很好的同步性能.但是如何根據(jù)各個電機拖動子系統(tǒng)的負(fù)載變化以及干擾等因素實時調(diào)節(jié)速度補償值是實現(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償器實現(xiàn)偏差耦合控制，該算法雖結(jié)

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

7、采用，但是PMSM伺服系統(tǒng)是一個多變量、強耦合、非線性時變系統(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控制算法來實現(xiàn)多電機系統(tǒng)的同步控制，雖對多輸入多輸出、時變及滯后等復(fù)雜系統(tǒng)都能進行控制，但模糊控制規(guī)則太多且過于依賴操作者的經(jīng)驗，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)控制算法實現(xiàn)多電機的同步控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制雖具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，但計算復(fù)雜且實效性較差.針對不確定非線性

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、算法簡單、易于在線實現(xiàn)等許多優(yōu)點.本文從實際工程應(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)計了基于切換增益自適應(yīng)調(diào)節(jié)的模糊滑?？刂破?， 并采用帶PI補償控制的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)，對4臺永磁同步電動機進行同步控制，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改進型偏差耦合控制結(jié)

9、構(gòu)設(shè)計 </p><p>　　偏差耦合控制是利用各個電機系統(tǒng)之間的阻尼系數(shù)關(guān)系在速度反饋信號中添加各電機的相對速度信號，根據(jù)每臺電機的工作狀態(tài)動態(tài)地在各電機之間分配速度補償信號，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)只能實現(xiàn)多電機的完全同步控制，而不能實現(xiàn)多電機的比例同步控制.針對這一問題，本文對傳統(tǒng)的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)做了改進，以實現(xiàn)多電機的比例同步控制，以3臺電機為例，改進型的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖

10、1所示. </p><p>　　固定增益速度補償器只考慮了電機的轉(zhuǎn)動慣量，當(dāng)負(fù)載變化較大時，因電機特性參數(shù)和機電時間常速的不同，導(dǎo)致速度波動大，且消除速度波動的時間長，這也造成多電機間速度不同步，即出現(xiàn)同步誤差.對于每一臺電機而言，其他任意一臺電機速度的波動都是一種干擾，而這種干擾是可測且經(jīng)常變化的，故可通過引入前饋作用實時消除干擾對各電機驅(qū)動子系統(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，實現(xiàn)電機的前饋控制，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)檢測到的其他電機的速度按一定規(guī)律快速消除電機之間的跟隨誤差，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，使系統(tǒng)獲得更好的動態(tài)和靜態(tài)性能. </p><p>　　2模糊滑?？刂破髟O(shè)計 </p><p>　　由于永磁同步電動機是一個多變量、強耦合和非線性的復(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，而滑模控制（SMC）能夠克服復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性，對干擾和未建模動態(tài)有很強的魯棒性，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?？刂茣嬖诙墩瘳F(xiàn)象，所以必須采取降抖振措拖才能應(yīng)用于實際.本文將模糊控制和變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合，設(shè)計模糊滑模控制器，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，同時還可在保證控制