隧道掘進機刀盤驅(qū)動多電機同步自適應(yīng)耦合控制研究

任穎瑩， 張合沛， 周振建， 江 南， 李叔敖

(盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著大功率變頻技術(shù)的發(fā)展，隧道掘進機刀盤越來越趨向于采用變頻電機驅(qū)動，與傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動相比，具有效率高、維修保養(yǎng)方便、適用范圍廣的特點。隧道掘進機刀盤驅(qū)動系統(tǒng)一般由十幾個電機共同驅(qū)動，其開挖掌子面具有復(fù)雜性、突變性及不可預(yù)測性的特點，容易造成刀盤驅(qū)動電機載荷出現(xiàn)劇烈波動和各電機受力不均衡的情況； 且各個電機與刀盤齒輪是剛性連接，電機的轉(zhuǎn)速被強制同步，如果電機所承受的負(fù)載不均衡，就會造成負(fù)載大的電機發(fā)熱被燒壞、機械軸斷裂等事故，嚴(yán)重影響施工進度。例如： 在北京直徑線項目，掘進機在掘進中遇到卵石緊密的地層，導(dǎo)致電機受力迅速增大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩發(fā)生跳動，最終導(dǎo)致多根機械驅(qū)動軸斷裂?？梢哉f，主驅(qū)動系統(tǒng)的同步性能直接關(guān)系到隧道掘進機掘進的安全可靠性和掘進效率，因此對多電機進行同步控制策略及方法研究，使各個電機承受的負(fù)載相同，避免電機出力不均衡造成電機的被動同步，具有重要意義。

目前，針對多電機同步控制的問題，國內(nèi)外研究者主要從控制策略和控制方法2個方面進行了研究。在控制策略研究方面，早在1980年Koren[1]提出了交叉耦合多電機控制方案，隨后文獻[2-5]對其進行了深入研究，提出了具有代表性的交叉耦合補償控制結(jié)構(gòu)，但這種方式由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜只適用于2臺電機同步控制。因此，文獻[6-7]經(jīng)過進一步研究提出了偏差耦合控制結(jié)構(gòu)。文獻[8]提出了一種基于相鄰耦合誤差的多電機同步控制策略，通過該模型適當(dāng)?shù)匮a償了多電機間的轉(zhuǎn)速差，但這種方法建模、計算等過程過于繁雜，因而對處理器的計算轉(zhuǎn)速有一定的要求。文獻[9]提出了改進型環(huán)形耦合控制結(jié)構(gòu)，具有較好的抗干擾能力和較高的跟蹤精度。

為了保障電機輸入跟蹤的精度，國內(nèi)外研究者進行了刀盤驅(qū)動控制方法研究，將自適應(yīng)控制理論引入到了多電機同步控制系統(tǒng)研究中[10-11]。文獻[12]設(shè)計了基于滑模控制結(jié)構(gòu)的耦合控制結(jié)構(gòu)；文獻[13-15]分別將模糊PID控制、自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制和線性魯棒控制等應(yīng)用到多電機控制系統(tǒng)中，取得了良好的控制效果。文獻[16]將自抗擾技術(shù)應(yīng)用到多電機同步控制系統(tǒng)，構(gòu)成了主從控制結(jié)構(gòu)的多電機同步控制系統(tǒng)。文獻[17]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合的復(fù)合控制策略，充分發(fā)揮算法的優(yōu)點，更好地保障了控制效果。

但目前對于隧道掘進機刀盤驅(qū)動電機同步控制的研究相對較少，一是因為刀盤驅(qū)動的電機數(shù)量眾多，機械傳動機構(gòu)復(fù)雜且傳動比大，二是隧道掘進機運行環(huán)境太過復(fù)雜且不能提前預(yù)知。因此，對隧道掘進機刀盤驅(qū)動多電機控制進行研究仍是一個重要任務(wù)。

綜上所述，為促進我國隧道掘進機主驅(qū)動系統(tǒng)同步控制理論發(fā)展，解決主驅(qū)動運行的同步性問題，本文在搜集資料研究各種控制方法的基礎(chǔ)上，從控制的各個環(huán)節(jié)展開分析，設(shè)計一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI算法的隧道掘進機刀盤多電機自適應(yīng)耦合同步控制方法，以期為隧道掘進機的刀盤驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供技術(shù)支撐。

1 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及模型建立

1.1 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

刀盤驅(qū)動系統(tǒng)主要由變頻電機、減速器、安全軸、小齒輪、主軸承和大齒圈組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。刀盤的驅(qū)動力按照電機-減速器-小齒輪-帶齒圈大口徑軸承-刀盤滾筒-中間梁-刀頭的順序進行傳遞。從圖1中可以看出，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)中電機數(shù)量多，機械傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這些特點導(dǎo)致控制的難度大大增加。

圖1 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 刀盤電機變頻驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)

隧道掘進機刀盤變頻驅(qū)動系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。其是一種典型的3層工廠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，自上而下分別由監(jiān)控的工業(yè)控制計算機、PLC(programmable logic controller，可編程邏輯控制器)、最下面的變頻器和對應(yīng)的電機組成。操作人員通過工業(yè)控制計算機發(fā)出各種命令，通過PLC進行計算轉(zhuǎn)換來控制變頻器的啟停、電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的大小。另外，傳感器將所檢測到的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流等數(shù)據(jù)反饋給PLC，再通過PLC傳到工業(yè)控制計算機，給操作人員的操作提供參考。

圖2 隧道掘進機刀盤變頻驅(qū)動系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

PLC是電氣控制的一個核心部件，多電機同步控制通過PLC來控制各個變頻器。圖2所示的結(jié)構(gòu)是每臺變頻器獨立控制1臺電機，各變頻器之間無需直接關(guān)聯(lián)，每臺變頻器工作在轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩模式下對電機的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩進行控制。但有的制造單位再設(shè)計時為了節(jié)約成本，采用的是一拖二的控制結(jié)構(gòu)，例如日立造船盾構(gòu)。一拖一的控制結(jié)構(gòu)相對來說控制要更加靈活，可根據(jù)實際情況對電機做出相應(yīng)的控制，因此，本文研究針對的是一拖一結(jié)構(gòu)。

變頻電機驅(qū)動隧道掘進機刀盤旋轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)原理如圖3所示。目前多電機控制的基本思想是主站獲取上位機設(shè)定的刀盤轉(zhuǎn)速，并換算成變頻器給定頻率，然后廣播式發(fā)送到各個變頻器中。

圖3 變頻電機驅(qū)動隧道掘進機刀盤旋轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)原理圖

1.3 電機矢量控制模型建立

目前刀盤驅(qū)動系統(tǒng)大多采用的是交流電機，但其數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，因此需采用矢量控制。異步電機矢量控制的基本思想是將普通的三相交流電機等效為直流電機，然后運用直流電機的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律以及控制直流電機的方法來實現(xiàn)對異步電機的控制。其優(yōu)點是性能優(yōu)良，可以與直流調(diào)速媲美，具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能。矢量控制原理如圖4所示。

圖4 矢量控制原理圖

1.3.1 坐標(biāo)變換

經(jīng)推導(dǎo)，三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系的變換如式(1)所示。

(1)

式中：iA、iB、iC為靜止坐標(biāo)系交流電機三相繞組電流；iα、iβ為靜止坐標(biāo)系兩相繞組電流。

兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換如式(2)所示。

(2)

1.3.2 解耦過程

計算電機轉(zhuǎn)子磁鏈，如式(3)所示。

(3)

計算電磁轉(zhuǎn)矩,如式(4)所示。

(4)

式(3)-(4)中：Lm為定轉(zhuǎn)子互感；Lr為轉(zhuǎn)子繞組自感；Tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)；p為電機極對數(shù)；ism、ist分別為定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；np為電機磁極對數(shù)。

由式(3)-(4)可知，經(jīng)過對轉(zhuǎn)子磁鏈定向，可以實現(xiàn)定子電流轉(zhuǎn)變?yōu)閯畲欧至縤sm和轉(zhuǎn)矩分量ist上的解耦。得到的模型便可看作直流電機，分別控制2組電流調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。

1.3.3 模型建立

在電機運行時，通過轉(zhuǎn)速控制電機的運轉(zhuǎn)，但往往存在一定的滯后性，因此，帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制法能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速反饋控制與轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合起來，以達到更好的控制效果。

變頻矢量控制系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。變頻器由控制器的力矩給定后，經(jīng)過相關(guān)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換運算獲取控制IGBT的相位脈沖。矢量控制系統(tǒng)封裝在Vector Control模塊中，先通過轉(zhuǎn)速給定傳送給矢量控制模塊，經(jīng)過矢量變換后，輸出控制逆變器的開關(guān)信號，控制逆變器晶閘管的通斷，從而使直流電變成頻率可調(diào)的交流電，供給三相電機，控制電機的運行。系統(tǒng)矢量控制模塊中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的給定轉(zhuǎn)矩Te*。

圖5 變頻矢量控制系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)

矢量控制中各個模塊又有一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，層層封裝，組成功能齊全的電機矢量控制模塊，這是電機矢量控制的核心模塊。

2 轉(zhuǎn)速補償耦合控制策略

目前，對多電機同步控制的策略主要分為2類，即非耦合控制和耦合控制，但應(yīng)用較多的是非耦合控制，即轉(zhuǎn)速并行同步控制和轉(zhuǎn)矩主從控制。非耦合控制主要是各電機的控制器對其進行獨立控制，電機之間沒有反饋信號，特點是結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)。但非耦合控制的一個最大缺點就是不能對同步誤差進行實時補償，造成載荷突變時同步性能不夠理想，不能很好地適應(yīng)地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜多變。

主從控制是將多電機設(shè)為1臺主電機和若干從電機，以主電機的輸出作為從電機的給定值，從而實現(xiàn)從電機對主電機輸出量的一致跟隨，且主電機上的擾動也會在從電機上得到反映。采用主從控制策略的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡單明了，容易實現(xiàn)。但是系統(tǒng)中從電機受到的擾動不會反饋給主電機，也不會對其他從電機形成反饋，所以電機之間的同步精度不能夠得到保證，抗干擾性也不夠理想。另外，如果主電機出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將無法工作。

本設(shè)計以傳統(tǒng)的主從控制策略為基礎(chǔ)，即主電機的轉(zhuǎn)速由系統(tǒng)給定，從電機以主電機的輸出值作為輸入，在結(jié)構(gòu)上主要從3個控制方面進行設(shè)計。

2.1 主電機選擇

為了避免主從控制只有主電機起決定性作用的缺點，本文設(shè)計了一種改進型的主電機自適應(yīng)選擇主從控制，實時調(diào)整刀盤多電機控制系統(tǒng)的主電機，比較各個電機荷載情況，以荷載變化最大的電機作為主電機，直到下一個電機出現(xiàn)載荷變化，主電機進行切換。

對于多電機同步控制系統(tǒng)來說，實現(xiàn)的是電機轉(zhuǎn)速的跟隨，在刀盤系統(tǒng)受到擾動后，受到擾動的電機轉(zhuǎn)速會發(fā)生變化，其他電機的轉(zhuǎn)速跟隨這臺電機的轉(zhuǎn)速而變化。這種方式使每臺電機都可以充當(dāng)主電機，解決了單臺電機起決定性作用的問題，能夠兼顧到各個電機對整個系統(tǒng)擾動的影響，同時避免了單臺電機起決定性作用的缺點。

2.2 起動階段控制

另外，在控制中還存在2個問題： 1)在起動階段，由于主電機跟隨的是一個定值，從電機跟隨主電機的變化而變化，轉(zhuǎn)速跟隨有一定的滯后，存在同步誤差大的缺點； 2)從電機跟隨主電機運行，存在主電機受負(fù)載擾動大時引起的輸出轉(zhuǎn)速過大或過小的問題。為了防止主電機受負(fù)載擾動大導(dǎo)致的輸出轉(zhuǎn)速過大或過小，本設(shè)計對從電機的給定轉(zhuǎn)速進行了上下限限制，從電機的輸入如式(5)所示，這樣同時解決了在起動階段從電機跟隨轉(zhuǎn)速過小、轉(zhuǎn)速變化滯后的問題。

(5)

式中：ωdi為第i臺電機的給定轉(zhuǎn)速；ωdmin和ωdmax為最小和最大給定轉(zhuǎn)速；ω1為輸出轉(zhuǎn)速。

2.3 補償耦合控制

在系統(tǒng)受到擾動后的初始狀態(tài)，電機之間的轉(zhuǎn)速趨于同步越快越好，即應(yīng)盡快消除轉(zhuǎn)速偏差。因此，多電機同步控制系統(tǒng)設(shè)計必須針對電機和機械系統(tǒng)本身的動態(tài)特性，兼顧跟蹤能力和系統(tǒng)擾動的特殊性。為了達到更好的效果，采用了帶補償?shù)鸟詈峡刂?，具體控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速補償耦合控制結(jié)構(gòu)圖

為了簡化計算的復(fù)雜度，將第1臺電機與其他電機之間的轉(zhuǎn)速差經(jīng)過處理計算后閉環(huán)反饋給各個電機，加入到電機給定轉(zhuǎn)速中，作為補償，既保證了控制的精度，又不會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，適合隧道掘進機這種電機數(shù)量多的系統(tǒng)。由于從電機與主電機之間采用了同步誤差補償，因此在起動過程中也能很好地保證轉(zhuǎn)速的一致性。

具體的偏差補償增益Ki計算如式(6)所示。

(6)

式中Ji為電機i的轉(zhuǎn)動慣量。

因此，轉(zhuǎn)速補償值

ei=Ki(ω1-ωi)。

(7)

式中ωi為電機i的輸出轉(zhuǎn)速。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI自適應(yīng)控制器設(shè)計

隧道掘進機工作環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的控制方式難以準(zhǔn)確模擬現(xiàn)實狀況，單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)能力，可通過不斷調(diào)整模型結(jié)構(gòu)來適應(yīng)應(yīng)用場景。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由多個單神經(jīng)組成，具有先進的自學(xué)習(xí)特征，可模擬復(fù)雜程度的非線性系統(tǒng)，具有高魯棒性和強容錯性。本設(shè)計將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與常規(guī)的PI控制相結(jié)合，在系統(tǒng)運行過程中利用其自學(xué)習(xí)能力實時調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的權(quán)值大小，最終獲得具有自適應(yīng)能力的PI參數(shù)，即控制器的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)KI，其可根據(jù)電機的運行狀況實時調(diào)整。這種自適應(yīng)控制方式可保障控制器具有更好的穩(wěn)定性，保障控制跟蹤的精確性，本文設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制結(jié)構(gòu)圖

本控制采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖8所示。其為3-5-2結(jié)構(gòu)，3個輸入分別為給定值、反饋值以及兩者的差值，輸出為PI控制器的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)KI。

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入如式(8)所示。

(8)

2)隱含層輸入如式(9)所示。

(9)

式中wij(i=1、2、3，j=1、...、5)為輸入層到隱含層的權(quán)值。

3)隱含層輸出如式(10)所示。

Qj=f(Hj)。

(10)

其中，隱含層的活化函數(shù)

4)輸出層輸入如式(11)所示。

(11)

式中βjl(j=1、 ...、 5，l=1、2)為隱含層到輸出層的權(quán)值。

5)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出如式(12)所示。

Ol=g(Nl)。

(12)

其中，輸出層的活化函數(shù)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)系數(shù)，因此，隱含層到輸出層加權(quán)系數(shù)Δβjl(k)的計算如式(13)所示。

(13)

式中：g′(x)=g(x)[1-g(x)]；α為慣性系數(shù)；η為學(xué)習(xí)速率。

同理，輸入層到隱含層權(quán)值的加權(quán)系數(shù)Δwij(k)計算如式(14)所示。

(14)

式中f′(x)=[1-f2(x)]/2。

4 模擬仿真研究

本試驗主要是對同步控制、主從控制和自適應(yīng)耦合控制進行對比，以驗證所提出的控制策略的有效性。

4.1 模型建立

利用MATLAB中的Simulink模塊搭建仿真電路模型，模擬4臺電機的同步驅(qū)動控制系統(tǒng)。主從控制單個電機控制的仿真模型如圖9所示。每1臺電機對應(yīng)1臺變頻器。

圖9 主從控制單個電機控制的仿真模型圖

仿真中的模塊主要包括電源、逆變器、電機、電機參數(shù)測量模塊Machines Demux和矢量控制模塊。

仿真模型使用的電機是三相異步電機，電機的額定電壓為380 V，額定頻率為50 Hz，額定功率為110 kW，極對數(shù)為2。在實際系統(tǒng)中各電機的參數(shù)不可能完全一致，因此，在仿真時特意將各電機的定子、轉(zhuǎn)子的電感以及電阻值稍做修改，使得各電機運轉(zhuǎn)有微小的差異，特別表現(xiàn)在起動階段時轉(zhuǎn)速差異較大。其中1臺電機的參數(shù)設(shè)置界面如圖10所示。

4.2 仿真結(jié)果及分析

仿真中，根據(jù)實際刀盤驅(qū)動的轉(zhuǎn)速設(shè)定轉(zhuǎn)速的初始大小為1 200 r/min，采用閉環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制，通過實時監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速，并與設(shè)定轉(zhuǎn)速進行比較、判斷，進行多電機轉(zhuǎn)速跟蹤調(diào)節(jié)。

仿真過程中分別分析起動過程中1臺電機負(fù)載突變以及2臺電機負(fù)載突變3種控制策略下電機的同步效果。

4.2.1 起動過程中的效果

采用并行同步控制策略，4臺電機以同一給定轉(zhuǎn)速運行，并行同步控制起動過程中轉(zhuǎn)速對比如圖11所示。由圖可以看出，同步起動過程中4臺電機的跟蹤轉(zhuǎn)速一致，說明起動階段同步性較好。

圖10 電機參數(shù)設(shè)置界面

圖11 并行同步控制起動過程中轉(zhuǎn)速對比

采用主從控制策略，以電機1為主電機，其余3臺電機為從電機，主電機給定轉(zhuǎn)速為設(shè)定值，從電機以主電機的輸出轉(zhuǎn)速為給定轉(zhuǎn)速。主從控制起動過程中轉(zhuǎn)速對比如圖12所示。由于主從控制從電機的起動轉(zhuǎn)速跟隨主電機，有一定的延遲，在起動過程中同步誤差較大，同步性能很差。

圖12 主從控制起動過程中轉(zhuǎn)速對比

采用自適應(yīng)耦合控制策略，電機1作為主電機的給定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，在起動過程中，一開始的轉(zhuǎn)速過小，根據(jù)式(5)可知，從電機起動過程中的給定轉(zhuǎn)速為ωdmin。起動過程完成，所有電機都穩(wěn)定后，從電機開始跟隨主電機轉(zhuǎn)速運行。自適應(yīng)耦合控制起動過程中轉(zhuǎn)速對比如圖13所示，同步性能較好。

圖13 自適應(yīng)耦合控制起動過程中轉(zhuǎn)速對比

4.2.2 單臺電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比

在最初的0．5 s給4臺電機施加的負(fù)載為30 N·m。在0．5 s時，令電機2的負(fù)載突增為60 N·m來模擬單臺電機負(fù)載突變100%的情況。

并行同步控制單臺電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比如圖14所示。由圖14可以看出，只有負(fù)載發(fā)生變化的電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了劇烈變化，而對其他電機沒有任何影響。這也突出顯示了并行同步控制的缺點。

圖14 并行同步控制單臺電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比

主從控制主電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比如圖15所示。由圖15可以看出，主從控制主電機發(fā)生負(fù)載突變時，從電機根據(jù)主電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)速很快發(fā)生跟隨，達到了一定的同步控制效果。

主從控制從電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比如圖16所示。由圖16可以看出，如果從電機發(fā)生負(fù)載突變，主電機卻無法接收到從電機的轉(zhuǎn)速反饋信號，同樣會產(chǎn)生電機轉(zhuǎn)速不同步的現(xiàn)象。

圖15 主從控制主電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比

圖16 主從控制從電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比

在自適應(yīng)耦合控制策略中，電機1代表主電機，由于在控制中加入了轉(zhuǎn)速補償環(huán)節(jié)，有效抑制了電機之間的轉(zhuǎn)速誤差；主電機是可變化的，避免了其他電機受到擾動無法進行閉環(huán)反饋的問題。自適應(yīng)耦合控制單臺電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比如圖17所示。從圖中可以看出，從電機的跟隨性較好，誤差最大在1 r/min左右，滿足了隧道掘進機的要求。與圖14-16仿真結(jié)果對比可知，自適應(yīng)耦合控制具有明顯的優(yōu)勢，不會因為個別電機負(fù)載突變得不到響應(yīng)造成誤差的增大。這種方式彌補了常規(guī)主從控制的缺點，任意一臺電機受到擾動時，整個系統(tǒng)都能夠感知到，增強了電機間的同步協(xié)調(diào)性。

圖17 自適應(yīng)耦合控制單臺電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比

4.2.3 2臺電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比

為了驗證多臺電機受到擾動時刀盤驅(qū)動系統(tǒng)整體的同步性能，使電機1和電機2同時在0．5 s時施加的負(fù)載增加100%，對3種控制策略進行仿真，結(jié)果如圖18所示。

(a) 并行同步控制2臺電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比

(b) 主從控制2臺電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比

(c) 自適應(yīng)耦合控制2臺電機負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速對比

并行同步控制由于電機轉(zhuǎn)速之間沒有反饋功能，在負(fù)載突變的情況下，受擾動的電機轉(zhuǎn)速會發(fā)生改變，保證不了電機之間的同步性；主從控制由于沒有轉(zhuǎn)速補償功能，造成個別電機同步性能不好；自適應(yīng)耦合控制具有明顯的優(yōu)勢，這主要是因為在控制中加入了轉(zhuǎn)速補償環(huán)節(jié)，有效抑制了電機之間的轉(zhuǎn)速誤差。

4.3 仿真結(jié)果總體分析

通過Simulink仿真結(jié)果分析可以看出，并行同步控制和主從控制存在的問題主要在于： 對于負(fù)載擾動電機的轉(zhuǎn)速，不能夠得到及時反饋。并行同步控制只能夠單純跟隨設(shè)定轉(zhuǎn)速來變化，一個電機受到擾動時對其他電機沒有任何影響，這會嚴(yán)重造成負(fù)載的分配不均衡，導(dǎo)致負(fù)載突變； 主從控制中從電機也是互不干擾的，同樣存在此問題。

自適應(yīng)耦合控制正是針對這一問題，采用主電機根據(jù)負(fù)載情況可選擇的策略，能夠很好地避免此項缺點，而且加入耦合控制更加保證了控制的精度； 另外，控制中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制具有響應(yīng)快、輸出轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、抗干擾能力強的優(yōu)點，可提高同步控制精度和魯棒性。

5 結(jié)論與體會

1)本文所提出的隧道掘進機刀盤系統(tǒng)多電機同步自適應(yīng)耦合控制方法，通過在從電機跟隨控制中增加了刀盤驅(qū)動電機給定轉(zhuǎn)速選擇功能，減小了起動階段電機的同步誤差，同時避免了刀盤驅(qū)動電機運行轉(zhuǎn)速過大或過小的問題。

2)在結(jié)構(gòu)上，可根據(jù)運行荷載改變來選擇不同的主電機，所有的電機具有雙重角色，有效避免了主從控制的缺點；通過耦合轉(zhuǎn)速補償閉環(huán)控制，有針對性地對各個電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，提高了刀盤驅(qū)動多電機之間轉(zhuǎn)速的同步性能，可為后續(xù)的控制系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

3)在控制方法上，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI自適應(yīng)控制方法，隨著電機轉(zhuǎn)速的實時變化自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)，進一步提高了電機跟隨的響應(yīng)轉(zhuǎn)速，更好地保障了系統(tǒng)的控制精度和控制效率。

通過本文研究可知，在對多電機同步控制策略進行設(shè)計時，要考慮到控制結(jié)構(gòu)和控制方法等各方面設(shè)計之間的相互配合，不能顧此失彼，只有面面俱到，才能充分提高刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動能力。