多電機同步控制策略的改進

文/許智勇 王冬華

隨著我國工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展進步，各行各業(yè)對機械設(shè)備的性能質(zhì)量要求也越來越高，許多大型的機械設(shè)備必須依靠多臺電機的共同協(xié)作才能保證生產(chǎn)的順利完成。由此可見，單臺電機的使用已無法適用機械設(shè)備的發(fā)展需要，由于多臺電機在共同協(xié)作時，會存在位置、速度約束的問題，所以需要采用一定的辦法來改善多電機同步運轉(zhuǎn)效率和質(zhì)量。

1 多電機同步控制的措施

機械設(shè)備加工控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分是傳動控制。機械設(shè)備系統(tǒng)的運行需要多個軸的共同傳動協(xié)作，電動機的控制驅(qū)動軸的功能就是控制這些軸的轉(zhuǎn)動。保證電機的正常運行。在傳動系統(tǒng)的同步控制技術(shù)包括多種技術(shù)方法。它們分別主從控制、偏差耦合控制、虛擬總軸控制、交叉耦合控制和并行控制。

1.1 并行控制

并行控制又稱為同等控制，高速控制系統(tǒng)在運行過程中，會以同一速度進行運轉(zhuǎn)，一旦系統(tǒng)存在負(fù)載嚴(yán)格相同的情況，就能保證同步控制。這種控制辦法側(cè)重于控制實際速度和理論速度的誤差，不太注重于不同電機間的誤差情況。利用并行控制法時，多電機在停止、起動階段具有良好的同步性，這是并行控制策略的優(yōu)勢。但是在這種控制法下，整個系統(tǒng)如同處于開環(huán)控制中，如果系統(tǒng)一旦受到外界因素干擾，容易降低其同步性能，不能有效保證電機的同步控制性能，影響電機的運行質(zhì)量和效率。

1.2 主從控制法

電機在運行過程中的轉(zhuǎn)速輸入?yún)⒖贾敌枰麟姍C的輸出。以此方法來保證從電機能與主電機速度同步運行。由于從機和主機的轉(zhuǎn)換反饋環(huán)節(jié)不存在于主從控制法中，因此在具體的實際操作中，電機如果具有轉(zhuǎn)多慣量大的特點，那種就選擇此種電機作為主機，屬于轉(zhuǎn)動慣量小電機，則作為從機。

1.3 虛擬主軸控制法

這種控制法最早是由西方國家的研究人員提出的。該控制是基于利用相對剛度控制的特點，經(jīng)西方研究人員Lorenz和Valenzula的深化擴展而成的。該控制通過模擬機械總軸的功能，利用其同步運行的特點，當(dāng)總軸與系統(tǒng)輸入信號發(fā)生效應(yīng)后，單元驅(qū)動會產(chǎn)生參考信號，而系統(tǒng)會識別參考信號，進而系統(tǒng)會進行驅(qū)動單元跟蹤。由于信號與總軸發(fā)生效應(yīng)，并且信號是來源于過濾波，因此，在電機運行過程中的實際轉(zhuǎn)速度與主參考值會產(chǎn)生一定的偏差。

1.4 交叉耦合控制法

該控制法是從上世紀(jì)八十時代時的Koren所提出，該控制法是通過運行位置與速度進行對比作差，系統(tǒng)所產(chǎn)生的反饋信號就是其差值，然后再中系統(tǒng)產(chǎn)生的反饋信號。以此達同同步控制的目的，以上就是交叉耦合控制法的運行原理。利用該控制法，單一電機的負(fù)載變化情況都可以通過系統(tǒng)來反應(yīng)。一旦存在超過2臺以上的電機就無法采用該控制法。就是交叉耦合控制法的弊端。

1.5 偏差耦合控制法

偏差耦合控制過電機速度反饋作差來實現(xiàn)同步控制，即比較一臺電機和其它電機的速度反饋情況，將兩者進行分別作差。從而求得電機偏差的數(shù)值，將所有數(shù)值相加匯總，電機所產(chǎn)生的速度補償信號就是所計算的匯總數(shù)值，由于各電機間的轉(zhuǎn)動慣量存在差別，就以增益作為補償。以此來保證電機的同步控制質(zhì)量和效率。

2 控制算法

隨著實踐和研究的不斷深入和發(fā)展，多電機同步控制算法種類已經(jīng)得到廣泛的發(fā)展，它包含PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、H∞控制和、滑模變結(jié)構(gòu)等控制算法?？刂扑惴ê涂刂撇呗韵嗳诤鲜茄芯慷嚯姍C同步控制方法的重點。

2.1 環(huán)形耦合控制

該控制法既考慮到電機在運行過程中產(chǎn)生的跟蹤誤差，也照顧到相鄰電機所產(chǎn)生的同步誤差。環(huán)形耦合控制控制法利用耦合補償原理的作用，結(jié)合同一給定控制的理論特點，將兩者統(tǒng)一融合而形成環(huán)形耦合控制控制法。在多電機的運行過程中，電機之間的轉(zhuǎn)速差的補償，可以通過環(huán)形耦合控制控制法來實現(xiàn)。因此，該控制法能有效地促進電機的同步性能的發(fā)展。確保多電機同步控制的質(zhì)量和效率

2.2 自抗擾控制

上世紀(jì)九十年代，我國研究專家通過運用PID控制原理的基礎(chǔ)上，吸收現(xiàn)代控制理論的最新成果，發(fā)展出了自抗擾控制法。自抗擾控制法將現(xiàn)代控制理論的知識和經(jīng)典控制理論知識進行有機融合，發(fā)展出補償+觀測的新方法。

2012年我國的研究專家又根據(jù)二階自抗擾技術(shù)的理論觀點，通過研究三電機同步控制的特點，研究分離性原理在多電機同步控制下的特性，通過設(shè)計擴張狀態(tài)跟蹤器、誤差反饋和跟蹤微分器這三大設(shè)備，再綜合各組成部分的特性進行試驗，最后終出的結(jié)論是：電機速度與超調(diào)量之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系可以控制器來進行解決。該控制法能達到從電機與主電機的速度達到同步變化的目的。

2.3 虛擬主軸

該控制法的提出距離現(xiàn)今已經(jīng)有20多年，美國的研究專家Robert D.Lorenz教授在這方面曾展開了大量的研究，虛擬主軸同步法也是由這位教授由2001年發(fā)展而來，該方法當(dāng)時是應(yīng)用在造紙機同步系統(tǒng)。經(jīng)過大量的試驗證明，電機如果出現(xiàn)負(fù)載擾動的現(xiàn)象或部分負(fù)載過大的情況，運用虛擬主軸同步法能夠出色地保證系統(tǒng)的同步性。與傳統(tǒng)的局部負(fù)載系統(tǒng)相對，虛擬主軸同步法也能有效地解決局部系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。

在多電機同步控制方面，虛擬主軸具有出色的性能。因此，我國研究專家也對該方法進行了深入的研究。并在高鐵牽引系統(tǒng)中應(yīng)用了該方法。根據(jù)虛擬主軸控制、交叉耦合控制、主從控制和同等控制的特點，設(shè)置在同等條件下，針對各種控制法的特點進行仿真實驗。經(jīng)過試驗，結(jié)論證明在同等條件下，虛擬主軸控制法的效果明顯比其它三種控制方法要好，在同步跟蹤性能方面，虛擬主軸控制法更具優(yōu)勢。而針對在運用虛擬主軸控制法所存在超調(diào)情況的問題，有研究人員提出了新的解決方案，提出分別控制電機對起動階段和運行過程的解決辦法。在電機工作過程中，對起動階段所產(chǎn)生的誤差，進行補償?shù)姆椒▉硐`差。仿真試驗的結(jié)果證明虛擬主軸具有良好的抗擾動性能，能有效保證多電機同步控制。

3 控制策略之間的對比

通過上面的論述，各種控制策略都有各自的優(yōu)勢和劣勢。傳統(tǒng)的PID控制算法操作簡單方便，有相對固定的控制參數(shù)，但是針對非線性控制的情況就顯得有心而力不足，抗干擾性差，控制效果不佳。

環(huán)形耦合控制和相鄰交叉耦合控制的控制理念相同，通過耦合相鄰的電機形成一個耦合環(huán)，電機的數(shù)量多少不影響到系統(tǒng)的同步運行。耦合控制控制法是通過兩臺電機之間的補償來實現(xiàn)同步控制的目的。耦合控制法具有良好的外部擾動收斂性、同步控制性、動態(tài)性、魯棒性和抗干擾性。

而自抗擾控制上具有控制算法簡單的特點，控制對象模型的情況不影響到它的控制性。而且它具有良好的跟蹤效果，較快的響應(yīng)速度和解耦性。

負(fù)載抗干擾性強和負(fù)載能力高是虛擬主軸控制的特點，而且虛擬主軸控制具有優(yōu)秀的同步跟蹤功能，較快的動態(tài)響應(yīng)速度。因此，虛擬主軸控制法具有較好的機械軸上同步控制性。

4 結(jié)語

隨著我國制造業(yè)水平不斷發(fā)展進步，機械設(shè)備的功能越來越強大，為保證機械設(shè)備的有效運行，特別是大型機械設(shè)備的使用，必須依靠多電機的共同協(xié)作。因此，必須高度重視多電機共同控制策略的研究，通過有效的控制策略來保證多電機的協(xié)同作業(yè)，為機械設(shè)備提供穩(wěn)定不間斷的動力支持，保證機械設(shè)備的高速高效運轉(zhuǎn)。