多電機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐紅雨，陳飛，王翠軍

（1.鎮(zhèn)江高等專(zhuān)科學(xué)校電氣與信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇華通動(dòng)力重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

多電機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐紅雨1，陳飛2，王翠軍2

（1.鎮(zhèn)江高等專(zhuān)科學(xué)校電氣與信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇華通動(dòng)力重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

大型瀝青拌和站中交流電機(jī)的數(shù)量達(dá)幾十臺(tái)，為提高各原料的配比精確性、振動(dòng)和攪拌的均勻性，在控制中需要考慮到多個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)同步問(wèn)題，且大功率電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間負(fù)載運(yùn)行，易出現(xiàn)飽和。針對(duì)這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)抗飽和控制策略來(lái)提高系統(tǒng)的控制性能，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了策略的正確性。采用PLC+Delphi設(shè)計(jì)了拌和站的監(jiān)控系統(tǒng)，模擬了拌和站生產(chǎn)的控制流程，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到多個(gè)電機(jī)的電流，設(shè)計(jì)了模塊之間的組合通訊協(xié)議，試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。

多電機(jī)；同步控制；比例積分微分；瀝青拌和站；監(jiān)控；電流

隨著科技的進(jìn)步，生產(chǎn)線自動(dòng)化程度越來(lái)越高，電機(jī)作為生產(chǎn)線主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，數(shù)量也越來(lái)越多［1］。電機(jī)之間不僅存在著連鎖關(guān)系，還存在同步、同比例控制的問(wèn)題，其電機(jī)的協(xié)調(diào)控制也關(guān)系著產(chǎn)品的質(zhì)量、精度和穩(wěn)定性。多電機(jī)同步控制是大型生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)，但多電機(jī)的同步控制性能和精度，在運(yùn)行過(guò)程中往往會(huì)因受到負(fù)載擾動(dòng)、環(huán)境、驅(qū)動(dòng)不匹配、不協(xié)調(diào)等因素的影響而降低。

目前，多電機(jī)同步控制策略主要有同一給定控制、主從控制、虛擬總軸控制、交叉耦合控制和偏差耦合控制等［2］。文獻(xiàn)［3］詳細(xì)綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外提出的典型控制策略，并對(duì)其控制方法展開(kāi)分析，對(duì)控制對(duì)象的解耦性能、魯棒性及跟蹤精度等控制性能進(jìn)行比較研究；提出最小相關(guān)軸數(shù)目的多電機(jī)同步控制策略，設(shè)計(jì)基于相鄰耦合誤差和滑?？刂评碚摰耐娇刂扑惴ǎ?］，用來(lái)消除抖振［5］；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法，把控制器與偏差耦合控制結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的多電機(jī)同步控制策略［6-7］；在相鄰交叉耦合控制策略的基礎(chǔ)上，又提出了加權(quán)交叉耦合的多電機(jī)同步控制策略與算法［8］。并聯(lián)交叉耦合控制結(jié)構(gòu)一定范圍可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，可是當(dāng)同步電機(jī)的數(shù)目大于2時(shí)，因補(bǔ)償規(guī)律很難確定而不適用，這些被控對(duì)象大多數(shù)是基于實(shí)驗(yàn)室的，多電機(jī)控制的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)還不多見(jiàn)［9］。

本文研究的是大型瀝青拌和站的多電機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)多電機(jī)同步控制策略和監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)多電機(jī)的狀態(tài)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有著非常實(shí)用的研究?jī)r(jià)值。

1 拌和站工藝流程

瀝青混合料攪拌設(shè)備的主要功能是將放在冷集料倉(cāng)中的砂料、骨料經(jīng)過(guò)輸入皮帶送入干燥滾筒加熱干燥，然后由熱料提升機(jī)送入振動(dòng)篩進(jìn)行大小骨料篩分，分成6種不同粒徑大小和規(guī)格的骨料，送到6個(gè)熱料倉(cāng)，根據(jù)瀝青混合物工藝要求以及用料的不同級(jí)配需要，由稱重模塊分別計(jì)量，然后放入拌缸；粉料分礦粉和除塵后的廢粉，計(jì)量斗計(jì)量后放入拌缸；瀝青經(jīng)過(guò)脫水加熱融化后向拌缸內(nèi)噴灑，攪拌45 s后，生成瀝青混合料，送入成品倉(cāng)保存?zhèn)溆谩?/p>

在瀝青拌和站中共有大小50臺(tái)電機(jī)，功率最大有250 kW，最小的有0.37 kW。其中，存在同步控制要求的有冷集料斗、骨料的6臺(tái)2.2 kW給料電機(jī)，用來(lái)控制不同規(guī)格的冷料、骨料的輸送；振動(dòng)篩的2臺(tái)30 kW電機(jī)，用來(lái)控制左右振動(dòng)篩的動(dòng)作，區(qū)分料粒；拌缸為采用雙軸形式，由2臺(tái)45 kW電機(jī)拖動(dòng)，需要均勻動(dòng)作。工作時(shí)，必須考慮電機(jī)同步問(wèn)題，否則會(huì)出現(xiàn)骨料的配比不準(zhǔn)確、振動(dòng)篩左右不平衡、攪拌不均勻，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。

所以為提高控制精度和設(shè)備的自動(dòng)化程度，需開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

2 多電機(jī)同步控制策略

多電機(jī)同步運(yùn)行系統(tǒng)中的控制結(jié)構(gòu)主要包括耦合和非耦合2種同步控制結(jié)構(gòu)。這里采用耦合控制，其主要有交叉耦合、偏差耦合、相鄰交叉耦合，其中交叉耦合主要適用于2臺(tái)電機(jī)的系統(tǒng)，偏差耦合適用于電機(jī)數(shù)大于2的系統(tǒng)，相鄰交叉耦合則可以減少控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，控制更簡(jiǎn)單。同步控制中，每臺(tái)電機(jī)的控制器包含了跟蹤誤差和同步誤差控制器，把n臺(tái)電機(jī)分為n個(gè)同步子系統(tǒng)，相鄰3臺(tái)電機(jī)構(gòu)成1個(gè)子系統(tǒng)，首尾相鄰構(gòu)成1個(gè)環(huán)形。相鄰交叉耦合結(jié)構(gòu)在控制時(shí)，只需考慮自身的跟蹤誤差及相鄰i-1，i+1臺(tái)電機(jī)的同步誤差。第i臺(tái)電機(jī)的跟蹤誤差ei(t)定義為

第i臺(tái)電機(jī)與第i-1臺(tái)電機(jī)的同步誤差εi1(t)和第i+1臺(tái)電機(jī)的同步誤差εi2(t)分別定義為

要使各電機(jī)同步運(yùn)行，應(yīng)使每臺(tái)電機(jī)的跟蹤誤差ei(t)和它與相鄰兩電機(jī)的同步誤差εi1(t),εi2(t)穩(wěn)定收斂，即要滿足下式：

但在瀝青攪拌站的多電機(jī)控制系統(tǒng)中，往往電機(jī)之間的速度存在一定比例關(guān)系，所以需要對(duì)上述相鄰交叉耦合控制進(jìn)行修正，假設(shè)n臺(tái)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系存在 ω1:ω2:…:ωn=α1:α2:…:αn。則第i臺(tái)電機(jī)與i-1，i+1臺(tái)電機(jī)的比例同步誤差分別為則有

圖1 控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Controller structure diagram

2.2 Anti-windup設(shè)計(jì)

1.3.3 治療擺位 在EDGE直線加速器上，重復(fù)與定位時(shí)一致的體位固定方式，固定患者體位，移動(dòng)治療床到靶區(qū)定位中心，以激光燈和面罩標(biāo)準(zhǔn)線預(yù)擺位，調(diào)用重建的面部體表DICOM影像，啟動(dòng)OSMS軟件，掃描面部，再行體表光學(xué)系統(tǒng)精確擺位，得到面部體表光學(xué)(與DICOM影像比對(duì))監(jiān)測(cè)偏差值，3次監(jiān)測(cè)數(shù)值的均值記錄為當(dāng)次影像偏差值。

瀝青拌和站多電機(jī)系統(tǒng)中的速度控制器通常含有較大的積分環(huán)節(jié)和一些限幅環(huán)節(jié)，系統(tǒng)易飽和，當(dāng)電機(jī)速度大范圍快速變化時(shí)，控制系統(tǒng)必然會(huì)產(chǎn)生Windup現(xiàn)象，使得線性控制器的輸出與被控對(duì)象的輸入不相等，造成閉環(huán)響應(yīng)變差，震蕩加劇，穩(wěn)定性變差。引入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償環(huán)節(jié)，使控制系統(tǒng)在出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時(shí)仍能達(dá)到比較滿意的性能指標(biāo)，Anti-windup設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為具有飽和特性控制系統(tǒng)的基本方法?？癸柡偷淖兘Y(jié)構(gòu)PID控制算法，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。對(duì)控制輸入飽和誤差un-us進(jìn)行積分并通過(guò)自適應(yīng)系數(shù)調(diào)整將其加到PID控制的積分項(xiàng)中。

圖2 基于Anti-windup的PID控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Controller structure diagram based on Anti-windup PID

變結(jié)構(gòu)PID算法采用系數(shù)γ實(shí)現(xiàn)積分項(xiàng)自適應(yīng)調(diào)整，自適應(yīng)變化律為

基于Anti-windup的PID控制算法為

為驗(yàn)證控制策略的正確性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，設(shè)指令為階躍信號(hào)，輸入控制在［0，10］范圍內(nèi)，分別采用傳統(tǒng)PID和Anti-windup的PID控制算法仿真，仿真時(shí)，取ρ=2,kp=30,ki=10,kd=2，三相交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可近似為

圖3是基于Anti-windup和基于傳統(tǒng)PID控制的階躍響應(yīng)對(duì)比和控制器輸出結(jié)果對(duì)比，2種控制方法的響應(yīng)速度都比較快，系統(tǒng)也能穩(wěn)定，但本方法階躍響應(yīng)誤差要明顯減小，說(shuō)明此控制方法具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，且基于Anti-windup的PID控制器輸出收斂于控制輸入飽和后的曲線，而傳統(tǒng)PID控制逼近性能較弱，說(shuō)明此控制器設(shè)計(jì)的輸出特性得到了改善。

圖3 2種控制方法比較Fig.3 Comparison of two control methods

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4為監(jiān)控界面。根據(jù)瀝青混合料的生產(chǎn)工藝流程，采用PLC+Delphi開(kāi)發(fā)了瀝青拌和站多電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)［10-11］。監(jiān)控界面能夠?qū)崟r(shí)地反映出拌和站生產(chǎn)工藝流程及工作時(shí)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。界面分為系統(tǒng)監(jiān)視、電機(jī)控制和模擬運(yùn)行3個(gè)，模擬運(yùn)行界面用來(lái)實(shí)時(shí)反映拌和站運(yùn)行狀態(tài)。中間部分是一個(gè)模擬的生產(chǎn)工藝流程畫(huà)面，可以監(jiān)控各個(gè)環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息；左邊下方顯示的6個(gè)冷集料斗的電機(jī)運(yùn)行和頻率，可以設(shè)定頻率參數(shù)實(shí)現(xiàn)同步控制；右上方顯示的是振動(dòng)篩和骨料斗，6個(gè)骨料斗的剩余料比例，需要根據(jù)不同生產(chǎn)比例，通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)設(shè)定6個(gè)電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速；右下方是雙軸攪拌缸，2個(gè)5 kW電機(jī)采用同步控制策略。界面下方是石料、瀝青、布袋進(jìn)出氣、熱倉(cāng)、成品倉(cāng)和成品實(shí)時(shí)溫度顯示窗口。右邊一列用來(lái)顯示電機(jī)電流實(shí)時(shí)值，如振動(dòng)篩和攪拌缸的電流等。

圖4 監(jiān)控界面Fig.4 Monitoring interface

4 多電機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

4.1 遠(yuǎn)程輸入與輸出

遠(yuǎn)程輸入主要用于監(jiān)控控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)“*”表示元器中處于分?jǐn)酄顟B(tài)，“·”表示處于合閘狀態(tài)。遠(yuǎn)程輸出用于監(jiān)控動(dòng)力控制柜內(nèi)輸出狀況，方便用戶排查通訊狀況是否正常，如圖5所示。鼠標(biāo)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)上面按鈕圖案，即可運(yùn)轉(zhuǎn)或停止電動(dòng)機(jī)。

圖5 系統(tǒng)遠(yuǎn)程輸入輸出Fig.5 Remote input-output system

在按鈕控制窗口的上方有主樓調(diào)試、礦粉調(diào)試、舊粉調(diào)試、卸粉手動(dòng)共4個(gè)功能按鈕。主樓調(diào)試用于控制電動(dòng)機(jī)啟停的先后順序，是由低級(jí)電動(dòng)機(jī)到高級(jí)電動(dòng)機(jī)，即按照冷給料電機(jī)、平皮帶電機(jī)、斜皮帶電機(jī)、干燥筒電機(jī)、熱提升電機(jī)、振動(dòng)篩電機(jī)的順序。礦粉調(diào)試用于控制礦粉系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的啟停，其功能類(lèi)似于主樓調(diào)試功能按鈕。

4.2 電機(jī)參數(shù)

電機(jī)參數(shù)界面包含星三角切換時(shí)間、溫度參數(shù)、廢料處理啟動(dòng)延時(shí)、廢料處理停止時(shí)間、振動(dòng)篩反接制動(dòng)時(shí)間和粉斗參數(shù)6個(gè)對(duì)話框，如圖6所示。如星三角切換時(shí)間包括有引風(fēng)機(jī)、攪拌缸、熱提升和烘干筒4個(gè)參數(shù)設(shè)定。

圖6 電機(jī)參數(shù)設(shè)置界面Fig.6 Motor parameter setting interface

5 通訊與巡檢

系統(tǒng)采用三菱Q00U型CPU，輸入輸出模塊分別是QX42，QX42P，系統(tǒng)采用雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)，可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，2臺(tái)工控機(jī)分別通過(guò)RS485和USB接口與主控PLC連接通訊。拌和站的通信模塊根據(jù)對(duì)象不同，分為RS-485，Ethernet和CC-link 3種組合實(shí)行通信，采用的控制模塊分別為QJ71C24N-R4，QJ71E71-100，QJ61BT11N。其中QJ71C24N-R4為RS-485通信模塊，RDA與485+連接，RDB與485-連接，RDA，RDB分別與SDA，SDB短接，實(shí)現(xiàn)CPU與電流模塊、變頻器通訊；以太網(wǎng)QJ71E71-100模塊1和3對(duì)接，2和6對(duì)接，其他對(duì)應(yīng)相接，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC通訊；QJ61BT11N中的DA，DB是功能相同的數(shù)據(jù)線，將主站和從站的DA，DB以及地線DG對(duì)應(yīng)相連，屏蔽SLD端子應(yīng)與屏電纜的屏蔽層連接，實(shí)現(xiàn)CPU與遠(yuǎn)程I/O、溫度模塊、稱重模塊通訊，本系統(tǒng)CPU為每個(gè)CC-Link模塊分配32個(gè)地址單元，輸入、輸出地址分別為XA0-XBF，YA0-YBF［12］。本系統(tǒng)采用WBHS-09型多路電流監(jiān)測(cè)器，1#，2#電流監(jiān)測(cè)儀用于接入本文需要采用同步控制策略的電機(jī)，如圖7所示。

圖7 1#，2#電流監(jiān)測(cè)儀接線Fig.7 Current monitor wiring of 1#and 2#

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖8 混合料質(zhì)量指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖Fig.8 Mixture quality index test data analysis chart

混合料質(zhì)量指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖，如圖8所示。為驗(yàn)證方案的可行性，在企業(yè)的試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)，對(duì)采用同步控制策略和普通控制的瀝青產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用常用的馬歇爾試驗(yàn)法，對(duì)混合料的空隙率、彎拉應(yīng)變強(qiáng)度2個(gè)性能指標(biāo)隨機(jī)采樣8個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。從圖8這組數(shù)據(jù)可以看出，采用同步控制策略的瀝青拌和站生產(chǎn)出的混合物質(zhì)量指標(biāo)曲線數(shù)據(jù)大部分都在普通控制方法之上，說(shuō)明可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，節(jié)約原料成本。

7 結(jié)論

該多電機(jī)同步控制策略是為某路面機(jī)械公司的4000型瀝青拌合站開(kāi)發(fā)的，為提高瀝青混合料的性能指標(biāo)，采用的Anti-windup控制方法有效降低系統(tǒng)的飽和，提高了系統(tǒng)的控制性能。設(shè)計(jì)了多電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控界面能夠模擬各個(gè)電機(jī)及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)過(guò)程，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各電機(jī)電流并自動(dòng)故障預(yù)警及報(bào)警功能，具有較好的發(fā)展前景。

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Design and Implementation of the Multi-motor Synchronous Control System

TANG Hongyu1，CHEN Fei2，WANG Cuijun2
（1.School of Electrical and Information Engineering，Zhenjiang College，Zhenjiang 212003，Jiangsu，China；2.Jiangsu Jhkinetics Co.，Ltd.，Zhenjiang 212003，Jiangsu，China）

The number of AC motors in the large asphalt mixing station is up to a few dozen.In order to improve the accuracy of the proportion of raw materials，the uniformity of vibration and stir，the coordination-synchronous problem is to be considered in the multi-motors control.And large power motors are easy to appear saturated during the long time load operation.Aiming at this phenomenon，the ant-windup control strategy was designed to improve the control performance of the system，and the correctness of the strategy was verified by simulation.The monitoring system of the mixing station was designed with PLC+Delphi，and the control flow of the mixing station was simulated.The system could be used to monitor the current of multi-motors in real time，and the communication protocols between the modules were designed.The test results show that the method can improve product quality index.

multi-motors；synchronouscontrol；proportionintegraldifferential；asphaltmixingstation；monitoring；current

TP273

A

10.19457/j.1001-2095.20170610

2015-12-07

修改稿日期：2016-10-26

路機(jī)產(chǎn)品控制系統(tǒng)多功能試驗(yàn)平臺(tái)校企合作項(xiàng)目（2027070005）；

多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制研究校級(jí)課題（GZ2015120712）

唐紅雨（1975-），男，碩士，副教授，Email：t_redrain@126.com