多电机协同控制的研究

报告的主要内容一．多电机协同控制的介绍二．多电机协同控制的发展三．多电机协同控制的策略四．现场总线技术在本课题中的应用五．参考文献一、多电机协同控制的介绍工业自动化研究中，多电机协同控制作为一个研究课题很早就被提出，但是随着工业的发展，对多电机运行性能的要求也更加苛刻。这一部分中，通过对多电机协同控制的研究背景和现状、控制方式的分类、多电机机械控制方式和电控控制方式的比较等问题的介绍，说明了多电机协同控制课题研究的重要性。课题的研究背景随着工业自动化的发展，多电机协同控制普遍应用于印刷设备、造纸机、垂直升船机、精密加工机床等制造与生产过程自动化控制系统中。在传动控制系统中，一般都要求各电机之间保持同步运行关系。多台电机之间协调运行性能的优劣直接影响系统的可靠性和控制精度等。因此，多电机驱动系统中同步协调控制一直是运动控制研究领域的重要课题之一，具有非常重要的现实意义和应用价值。课题的研究现状经过研究者的努力，多电机协同控制研究与应用已取得了许多进展，但尚有一些需要深入研究的问题，如多电机驱动系统协调运行与拖动方案的优化，多轴之间动态性能不匹配，协调控制方案的优化，多轴负载及其它不确定扰动影响因素较多情况下系统的协调控制策略，多电机速度、转角(位移)双重协调控制等问题，多电机变速过程的协调控制问题研究等。多电机协同控制的分类1.协同控制系统中的各台电机具有相同的速度，这是通常的狭义的协同，也是最简单的协同控制系统；2.协同控制系统中多台电机的转速保持某一固定比例同步运转，如同步轧机、造纸机、纺织染整机械等；3.协同控制系统中多台电机输出轴的转角(位移)按要求在不同的速度下保持恒定的速差，如精密数控加工设备、纤维缠绕编织设备、机器人控制等。多电机协同控制方式机械方式采用刚性的齿轮、齿条传动或柔性带式、链式传动，来实现多电机协同控制。电控方式通过控制多台电机的转角、距离、转速等参数，实现多电机之间的协调运行。机械方式和电控方式的比较优点缺点机械方式•同步性高•机械结构固定•结构复杂•工作噪音大•灵活性差•传动范围和距离小•单元负载小•系统成本高电控方式•同步性高•克服了机械方式的种种缺点•抗干扰性好•由于算法的不同，各种控制方式都有不同的缺陷，但是随着算法的改进，这些问题都可以解决二、多电机协同控制的发展20世纪80年代之前，由于大功率交流异步机的速度调节问题一直没有得到很好的解决，多电机协调控制的研究及应用主要集中于直流电机传动系统中。然而，多数工程机械设备与系统处于复杂且恶劣的工作环境中。所以，此前一些大功率工程机械设备与系统的协调运行，包括定速比同步运行、位置随动运行等，大多数还采用机械式协调传动方式。近年来，随着交流变频调速技术、控制理论的迅速发展，交流变频供电下的多电机协调控制方案与控制策略的研究与应用不断引向深入，在多电机传动系统协调控制中，要求各轴速度按规定比例协调运行、各轴位置随动运行的应用系统与设备种类很多，应用也极为广泛。常见的有连铸机、轧钢机、胶带输送机、印刷机组、染整机等。早期的多轴协调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针对每一轴，各轴的运动控制由相对独立的速度、位置控制器实现。当某一轴的负载、速度或位置等发生变化时，其它轴就不能作相应调整，从而影响到协调性能。对于非耦合控制，各轴的控制目标就是各轴的实际速度、位置等与其对应给定值之间的偏差。对于要求多轴协调运行的系统，控制目标或重要指标是多轴的合成速度、位移等参量。因此，当利用非耦合控制时，虽通过设计合适的控制策略使某些轴的单轴跟踪误差减小，却不一定能确保系统的合成误差一定减小。针对这一现象，耦合控制思想应运而生。20世纪80年代以来，国内外许多学者在围绕双轴同步，双轴跟踪的交叉耦合控制进行了研究，其中以Koren为代表及KulKami和Srinivasan等人在此后的十多年里，先后发表了十余篇关于交叉混合控制的研究论文，从而为多轴耦合补偿控制的研究与应用奠定了基础。此后，HuaYiChuang等又把自适应前馈控制策略用到交叉耦合控制、双轴同步控制中，以提高动态响应和抗干扰能力。由于传统的耦合控制方法都是以跟踪线性目标为前提，当遇到非线性轨迹曲线的跟踪控制时就暴露其局限性。于是，人们采用了变增益交叉耦合控制、变结构控制、白适应控制，来实现这种具有非线性轨迹曲线的跟踪控制。随着智能控制理论及其应用研究的不断深入，近年来，一些学者也不断在探索应用智能控制理论的技术与方法来实现双轴协调控制。三、多电机协同控制的策略多电机协同控制的基本控制方式主要有非耦合控制和耦合控制两种方式，在此基础上又衍生了多种改进的控制策略。总线技术和现代控制理论的应用也给多电机协同控制的研究提供了新的思路。3.1多电机非耦合控制方式多电机非耦合控制的基本形式主要有两种：3.1.1、并行同步控制方式3.1.2、主从控制系统3.1.1并行同步控制方式这种控制方式中，传动系统中的各电机之间相互独立，电机之间不存在直接的物理连接，对应的控制系统中给定信号是根据生产工艺要求的比例分别给定。协调控制器则按设计的控制策略来实现，而协调信号是取自各轴的速度、位置等反馈信号，并可采取不同的采集、变换与计算方案，进行实时补偿控制。并行同步控制策略原理图并行同步控制系统的特点优点：1、启动，停止阶段系统的同步性能很好；2、不同的单元不受距离的限制，可满足一定条件下的同步要求；3、任一单元的扰动不会影响任何其它单元的工作状态。缺点：某一单元出现扰动，会出现失同步的现象，不适用于同步性要求严格的场合。3.1.2主从控制方式以双电机为例，主从同步控制系统的基本结构图如图所示。在这种情况下，主电机的输出转速值作为从电机的输入转速值。由此可以得出，从电机能够反映并且跟随任何加在主电机上的速度命令或者是从电机的负载扰动。主从控制的两种方式第一种方式:第一台电动机为主电动机，其余的所有电动机为从属电动机。主电动机接收给定的输入信号，而所有的从属电动机共享主电动机的输出信号作为输入信号。第二种方式:第一台电动机为主电动机，最后一台电动机为从电动机。而其余的电动机充当双重角色，既是主电动机，又是从电动机。主从控制方式的特点优点：相对于并行同步控制系统，它在一定程度上提高了了系统的同步精度缺点：当负载发生变化时，电机之间的同步精度不能得到很好的保证。因此，这种控制方式有一定的局限性，很难获得良好的协调性能。3.2、多电机耦合控制多电机耦合控制主要有以下三种类型：1.交叉耦合控制策略2.电子虚拟主轴的控制策略3.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点就是将两台电机的速度信号进行比较，从而得到一个差值作为附加的反馈信号，将这个反馈信号作为跟踪补偿信号，使系统能够接受任何一台电机的负载变化，从而获得良好的同步控制精度。交叉耦合控制策略示意图交叉耦合控制的特点优点：各轴对其他轴都有很好的可见性。抗干扰性好，能够达到很高的同步精度；缺点：这种控制策略不适合两个以上电动机的同步控制情况。3.2.2、电子虚拟总轴控制策略虚拟总轴方案模拟了机械总轴的物理特性，因而具有与机械总轴相似的固有同步特性。虚拟总轴系统的系统输入信号经过总轴的作用后，得到各驱动器的参考输入信号。即各驱动器同步的是参考输入信号而不是系统的输入信号。由于该信号是经过总轴作用后得到的信号，因此该信号更易于为单元驱动器所跟踪，从而达到提高同步性能的目的。电子虚拟总轴控制示意图电子虚拟总轴的特点优点：模拟了机械总轴的特点，具有机械和总轴相似的固有特性。缺点：但是虚拟总轴控制系统在启动，负载发生扰动，停机的过程中，轴之间会产生不同步的现象，并且在主参考值和每个轴之间会保持一个恒定的偏差。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将两个电机的速度反馈作差，然后将得到的偏差信号作为该电机的速度补偿信号，增益K，，用来补偿各电机之间的不同转动惯量，从而改善了双轴之间的协调控制性能。偏差耦合控制策略示意图速度补偿器结构：偏差耦合控制策略的特点优点：通过速度差补偿各电机的之间的不同惯量，在一定程度上解决了同步协调的问题；缺点：这类补偿控制策略还是不能有效地解决多电动机之间动态性能匹配、跟踪过程及跟踪轨迹非线性等一系列问题。3.3改进的耦合控制策略通过上面对多电机协同控制方法的介绍可以清楚的知道，非耦合控制策略并不能满足系统协同的高性能要求；而耦合控制中的电子虚拟总轴策略和偏差耦合策略也不能有效的保证系统的协同性。所以，近年来国内外诸多学者都把研究方向定在了交叉耦合控制策略的研究和改进上，近几年来，有学者把最优控制、鲁棒控制、模糊控制等理论加入到交叉耦合控制策略中来，以期实现更好的同步性能。一种改进的耦合控制策略如图，这是文献【4】提出的一种速度可调位置跟踪的耦合控制策略。该系统不仅解决了交叉耦合控制策略的只适合于两台电机的缺点，而且可以实现多位置无静差调节、启动性好、位置跟踪性好等特点。3.4智能控制理论的应用随着智能控制理论研究的深入以及应用范围的扩大，很多的研究者也把智能控制理论应用在多电机协同控制之中，模糊控制和神经元网络的应用为多电机协同控制提供了新的思路，而新型补偿器和总线技术也为实现多电机的协同性能提供了更好的条件。。文献【1】提出了一种带模糊PID补偿控制的同步方案，而文献【5】通过自适应算法更好的实现了对电机协同的模糊控制，文献【6】提出用神经元的自学习功能，使双轴同步误差的补偿量随控制次数的增加逐步趋于合理，从而实现最佳同步控制效果。四、现场总线技术在课题中的应用现场总线(Fieldbus)是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。目前世界市场主要的几种现场总线有工业以太网、Profibus、CAN、LonworkS、FF等。本课题在比较各种现场总线的性能特点以后，决定采用CAN总线实现系统中上位机与下位机之间的通信任务。采用CAN总线的优点1.很好的解决了控制系统集成化控制时的通讯竞争问题。CAN网络上的数控系统信息可以分为不同的优先级，以满足不同的实时要求。2.可实现系统数据的实时传输。CAN采用了独特的位仲裁技术，具有比CMSA/CD网更高的实时性。3.通讯协议简单，实施方便，CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、点对多点及全局广播等几种方式发送和接受数据，无需专门的“调度”。4.CAN数据帧有效数字节数为8个的短帧结构不会占用总线时间过长，从而保证了通讯的抗干扰性。另外，CAN的每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，平均误码率小于10-8次方。参考文献【1】汪海燕．无刷直流电动机自适应模糊控制的研究[D]．合肥，合肥工业大学，2004【2】王杰，陈陈，吴华等．多机电力系统参数自适应控制的设计理论与方法[J]．中国电机工程学报，2002【3】张莉，李彦明，马培荪等．基于模糊PID控制器的多电机同步控制装置的应用[J]．工业仪表与自动化装置，2003【4】南余荣.多电机传动系统协调控制及其在直进式拉丝机中的应用[D].浙江，浙江工业大学，2007【5】孙江.多电机同步协调控制系统的研究[J].太原，太原科技大学，2009【6】张承慧，石庆升，程金．一种多电机同步传动模糊神经网络控制器的设计[J]．控制与决策．2007【7】余晓霏．基于模糊矢量控制的交直流电机同步控制研究[D]．湖南，中南大学，2007【8】胡学同．多电机驱动系统协调控制策略与应用研究[D]．南京，东南大学，2004【9】KorenY．Cross-coupledBiaxialComputerControlforManufacturingSystem，ASMEJournalofDynamicsystems[J]．MeasurementandControl，1980【10】刘福才，张学莲．多级