王毅波,曹 寬
(中國航天科技集團(tuán)第十六研究所,西安 710100)
隨著現(xiàn)代社會(huì)對制造設(shè)備和產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提升,在很多場合,比如大型門吊車、紙膠印機(jī)、高端數(shù)控機(jī)床等,單電機(jī)控制已經(jīng)很難滿足使用要求,工業(yè)生產(chǎn)對多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的需求促使同步控制技術(shù)成為了研究重點(diǎn)。
近年來,人們主要從同步控制結(jié)構(gòu)和同步控制算法兩個(gè)維度研究多電機(jī)同步控制技術(shù)。本文通過期刊文獻(xiàn)檢索,對近幾年國內(nèi)外學(xué)者公開發(fā)表、與多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)或同步控制算法相關(guān)的40余篇論文進(jìn)行分析,梳理出采用不同方法的同步系統(tǒng)跟蹤精度、同步性能、抗負(fù)載能力等方面的差異,在此基礎(chǔ)上,總結(jié)了同步控制技術(shù)的研究重點(diǎn),以期對我國今后在該領(lǐng)域的發(fā)展提供借鑒。
機(jī)械同步和電同步是實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步控制的兩種主要方法。相對于機(jī)械同步方法,電同步方法以其靈活性好、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。
電控制方法分為非耦合控制和耦合控制,在下文的控制方式中,主令控制屬于非耦合控制,其余的屬于耦合控制。
(1)主令控制方式
主令控制是一種最原始的同步控制方式,圖1為雙電機(jī)主令控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,兩個(gè)電機(jī)并聯(lián)在一起,接收系統(tǒng)發(fā)送的同一控制信號。
圖1 主令同步方式簡圖
主令控制方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔,各電機(jī)在起動(dòng)、停止時(shí)的同步效果較好。缺點(diǎn)是整個(gè)控制結(jié)構(gòu)開環(huán),不具備對各電機(jī)轉(zhuǎn)速差補(bǔ)償?shù)哪芰?,抗干擾性差。
(2)主從控制方式
圖2是主從同步方式,控制單元發(fā)送轉(zhuǎn)速指令給主電機(jī),從電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號是由主電機(jī)來提供的。
圖2 主從同步方式簡圖
主從控制方式的特點(diǎn)是每臺電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化只會(huì)影響它后面跟隨的電機(jī),而不會(huì)影響前面的電機(jī)。由于每臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號是由前面電機(jī)提供的,所以同步時(shí)存在著時(shí)間差,特別是在系統(tǒng)的起動(dòng)、停止階段,同步效果最差,因此主從控制方式只適用于對電機(jī)實(shí)時(shí)同步性要求低的場合。
(3)交叉耦合控制方式
針對主令同步方式存在的缺點(diǎn),Koren于1980年提出了交叉耦合同步的概念,結(jié)構(gòu)如圖3所示。其原理是在主令同步結(jié)構(gòu)上增加了轉(zhuǎn)速反饋和轉(zhuǎn)速差補(bǔ)償,從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償模塊通過檢測兩臺電機(jī)之間存在的轉(zhuǎn)速差,實(shí)現(xiàn)對每臺電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整,因此系統(tǒng)有著較高的同步性能。
圖3 交叉耦合同步方式簡圖
系統(tǒng)根據(jù)相鄰兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋差值對兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償,以減小同步誤差。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速因負(fù)載擾動(dòng)或環(huán)境因素干擾而產(chǎn)生波動(dòng)時(shí),系統(tǒng)能較快地消除轉(zhuǎn)速差,因此交叉耦合控制方式的抗干擾能力較強(qiáng)。缺點(diǎn)是當(dāng)控制的電機(jī)數(shù)量超過兩臺時(shí),轉(zhuǎn)速補(bǔ)償計(jì)算量變大且效果較差,因此交叉耦合控制方式不適合兩臺以上電機(jī)同步控制的場合。
(4)相鄰交叉耦合控制結(jié)構(gòu)
相鄰交叉耦合結(jié)構(gòu)是Shih等人于2002年提出的,如圖4所示。對于任意一臺電機(jī)的控制,基于最小相關(guān)個(gè)數(shù)的控制思想,即只將和其相鄰的兩臺電機(jī)納入考慮范圍,就可以較大簡化每臺電機(jī)的控制。
圖4 相鄰交叉耦合控制結(jié)構(gòu)圖
由圖4可以看出,相鄰交叉耦合控制中的每個(gè)控制器輸入都包含了兩路同步誤差信號和一路跟蹤誤差信號,具體如圖5所示。
圖5 相鄰交叉耦合控制器結(jié)構(gòu)圖
相鄰交叉耦合控制方式的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)思路簡單,并且系統(tǒng)在起動(dòng)、停止階段能獲得較好的同步性能。但是電機(jī)間的耦合關(guān)系固化了系統(tǒng)對外界擾動(dòng)信號的傳遞方式,使其只能沿相鄰電機(jī)依次傳遞,勢必會(huì)導(dǎo)致信號延遲問題,在系統(tǒng)電機(jī)數(shù)量較多時(shí)表現(xiàn)更為嚴(yán)重。而且,控制器中子系統(tǒng)多,會(huì)增加系統(tǒng)的計(jì)算量,降低系統(tǒng)的同步性能。
(5)雙電機(jī)電子虛擬主軸同步控制方式
圖6為雙電機(jī)電子虛擬主軸同步控制方式的原理圖。該策略最早于1999年被提出,隨后由Loerznl與Valenzuela不斷完善。虛擬主軸是根據(jù)機(jī)械軸演變來的,但它的各個(gè)單元之間的鏈接不再受距離的約束,并且具有較大的輸出功率。
圖6 雙電機(jī)電子虛擬總軸同步方式簡圖
電子虛擬主軸控制也存在著固有的缺點(diǎn):本質(zhì)上,單電機(jī)控制回路中的速度環(huán)、位置環(huán)屬于比例控制,所以,每臺電機(jī)的輸出和虛擬主軸輸出的基準(zhǔn)間存在著穩(wěn)態(tài)誤差;系統(tǒng)在起、停階段或單電機(jī)出現(xiàn)負(fù)載擾動(dòng)時(shí),各軸間會(huì)出現(xiàn)失調(diào)的情況;另外,虛擬主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不易確定。
(6)偏差耦合控制方式
對交叉耦合控制方式進(jìn)行一些改進(jìn),便可以得到偏差耦合控制方式,圖7是以3臺電機(jī)為例的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后,根據(jù)各電機(jī)的工作狀態(tài),系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地進(jìn)行速度補(bǔ)償,補(bǔ)償信號由各電機(jī)速度反饋的差值乘以一個(gè)反饋增益(由系統(tǒng)中各電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的差異確定)所得。
圖7 偏差耦合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
由圖7可以看出,系統(tǒng)中每個(gè)電機(jī)的速度補(bǔ)償信號是由偏差耦合控制的核心——速度反饋模塊提供的,該模塊可以消除過渡階段或負(fù)載擾動(dòng)引起的電機(jī)間的速度差,其結(jié)構(gòu)如圖8所示。
圖8 第一臺電機(jī)速度補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)圖
從圖8可以看出,第一臺電機(jī)速度補(bǔ)償器的輸出:
e1=K12(ω1-ω2)+K13(ω1-ω3)
式中:K12,K13為速度反饋增益,可以補(bǔ)償各電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的差異,其值分別:
式中:J1,J2,J3分別為第1,2,3臺電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
采用偏差耦合控制的系統(tǒng),當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)等因素引起其中任意一臺電機(jī)速度波動(dòng)時(shí),系統(tǒng)中其他電機(jī)也會(huì)收到該波動(dòng)信息,從而做出調(diào)整,因此,整個(gè)系統(tǒng)的同步性能良好。同理,系統(tǒng)在起停階段也具有良好的同步性能。偏差耦合控制方式的缺點(diǎn)是,其他電機(jī)的跟隨誤差以及互相之間的速度不同步信息,都沒有反饋給所控制的電機(jī)。當(dāng)其他電機(jī)出現(xiàn)較大的跟隨誤差時(shí),所控制的電機(jī)消除該誤差的速度會(huì)比較慢,造成整個(gè)系統(tǒng)同步性能的下降。
由以上分析可知,傳統(tǒng)偏差耦合同步控制中,子電機(jī)跟隨誤差以及相互之間同步誤差都沒有反饋給所控制的電機(jī),針對該缺點(diǎn),文獻(xiàn)[2]提出了評價(jià)函數(shù)的概念,即將系統(tǒng)各電機(jī)的轉(zhuǎn)速均值作為信號量傳遞給所控制的電機(jī),以3臺電機(jī)為例,改進(jìn)型速度補(bǔ)償模塊如圖9所示。
圖9 改進(jìn)型速度補(bǔ)償模塊結(jié)構(gòu)
圖9中N為電機(jī)數(shù)量,這里等于3。改進(jìn)后,系統(tǒng)中電機(jī)出現(xiàn)速度波動(dòng)時(shí),補(bǔ)償模塊能快速將同步誤差歸為零。當(dāng)速度波動(dòng)較大時(shí),補(bǔ)償模塊中的評價(jià)跟隨誤差將首先起到較大的調(diào)節(jié)作用,使其他電機(jī)能夠較快跟蹤速度波動(dòng)的電機(jī),然后控制器的控制量使得達(dá)到速度同步的各個(gè)電機(jī)逐漸恢復(fù)到設(shè)定的速度,使系統(tǒng)的同步誤差、跟隨誤差明顯減小。
文獻(xiàn)[3]則采用積分滑??刂破鱽泶嫠俣萈I控制器,增強(qiáng)控制器對轉(zhuǎn)速同步誤差和跟蹤誤差的控制能力。其次,引入最大速度同步誤差和最大加速度的概念,構(gòu)建如下式的同步誤差補(bǔ)償器,其對應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。
ei=Kv(ωi-ωmin)+Kaamax
式中:Kv為速度系數(shù),Ka為加速度系數(shù),ωmin為N臺電機(jī)中速度的最小值,amin為N臺電機(jī)中加速度的最大值,ei為第i臺電機(jī)改進(jìn)策略的速度補(bǔ)償。通過將電機(jī)轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速作差后反饋給各電機(jī),并將系統(tǒng)最大加速度與各電機(jī)加速度作差反饋給各電機(jī),增強(qiáng)了對轉(zhuǎn)速同步誤差的控制效果,減小了在負(fù)載突變情況下各電機(jī)之間的同步誤差和跟蹤誤差。
圖10 同步誤差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)
文獻(xiàn)[4]將主從控制和偏差耦合控制相結(jié)合,提出最大值偏差耦合控制,即將系統(tǒng)中最大速度和最小速度作差,對各電機(jī)的統(tǒng)一設(shè)定進(jìn)行補(bǔ)償,其結(jié)構(gòu)如圖11所示。
圖11 最大值補(bǔ)償結(jié)構(gòu)
最大值偏差耦合控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn),對于負(fù)載不均衡的系統(tǒng)具有較好的同步性能。
除此之外,為進(jìn)一步提升傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的同步、跟蹤性能,文獻(xiàn)[5]將偏差耦合控制結(jié)構(gòu)和基于反演的自適應(yīng)滑模控制算法結(jié)合起來,設(shè)計(jì)了多電機(jī)同步系統(tǒng)的控制器,該方法簡化了反演設(shè)計(jì)方法、增加了系統(tǒng)對不確定性的魯棒性、削弱了滑??刂茙淼亩墩?。仿真結(jié)果表明,該方法的同步性能好、收斂速度快、魯棒性強(qiáng)。文獻(xiàn)[6]為抑制負(fù)載擾動(dòng)對系統(tǒng)同步性能的影響,利用自抗擾控制器的觀測補(bǔ)償機(jī)制,提升了多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的跟蹤精度。文獻(xiàn)[7]針對大多控制器對電機(jī)無差別處理而導(dǎo)致的同步精度下降的問題,參考相鄰交叉耦合控制策略,提出了加權(quán)交叉耦合的多電機(jī)同步控制策略及相應(yīng)的控制算法,對系統(tǒng)中不同權(quán)重的電機(jī)采取不同的控制強(qiáng)度,減小了各電機(jī)之間的同步誤差并簡化了控制結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]在被控對象的模型參數(shù)未知的情況下,采用自適應(yīng)方法在線估計(jì)參數(shù),并利用交叉耦合控制策略減小多軸系統(tǒng)的同步誤差,實(shí)現(xiàn)了較高的同步控制精度。文獻(xiàn)[9]利用積分滑模和終端滑模相結(jié)合的控制算法對偏差耦合控制策略進(jìn)行改進(jìn),用終端吸引趨近方式的趨近律,并將系統(tǒng)狀態(tài)量的冪函數(shù)引入到積分與終端吸引兩種趨近方式中,減小了系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象,所設(shè)計(jì)的控制器具有較好的魯棒性、穩(wěn)定性和自適應(yīng)性。
通過對上述各控制結(jié)構(gòu)的對比分析可知,相比于耦合控制結(jié)構(gòu),非耦合控制結(jié)構(gòu)較為簡單、更易實(shí)現(xiàn),可以用在一些控制精度要求較低的場合;耦合控制結(jié)構(gòu)中,交叉耦合控制方式適用于雙電機(jī)同步控制系統(tǒng),而偏差耦合控制方式則主要應(yīng)用于3臺以及3臺以上電機(jī)的同步控制領(lǐng)域。通過對眾多學(xué)者提出的改進(jìn)策略的對比分析可知,除了優(yōu)化、改進(jìn)控制結(jié)構(gòu)外,結(jié)合智能控制算法對提升多電機(jī)系統(tǒng)的同步控制性能也非常重要[8]。
傳統(tǒng)PID控制算法簡單、易實(shí)現(xiàn),目前應(yīng)用最為廣泛。但它的自調(diào)整能力差,對非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)的控制效果不理想。智能控制不需要被控對象精確的數(shù)學(xué)模型,且可以適應(yīng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)環(huán)境,因此,受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。目前,在同步控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的智能控制算法有:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,模糊控制,滑模變結(jié)構(gòu)控制,自抗擾控制等[9]。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過大量神經(jīng)元互聯(lián)形成的網(wǎng)絡(luò)。常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括無反饋前向多層網(wǎng)絡(luò)、有反饋前向多層網(wǎng)絡(luò)、層內(nèi)有互聯(lián)的多層前饋網(wǎng)絡(luò)、任意元有聯(lián)接的相互結(jié)合型網(wǎng)絡(luò)等。應(yīng)用較為普遍的誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種有隱含層的多層前饋網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)和非線性逼近能力,缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的獲取需要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,在經(jīng)濟(jì)投入有限或者系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高的情況下,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法局限性較大。
智能控制較早的形式就是模糊控制,它吸收了人類思維具有模糊性的特點(diǎn),通過模糊集合理論來統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的控制方式,包括三部分:精確量的模糊化、模糊推理、模糊判決。
模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種智能的非線性控制策略,其控制效果不依靠系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型,在過程控制以及較為復(fù)雜的系統(tǒng)中得到了較廣泛的應(yīng)用。但是,如果僅僅將一個(gè)簡單的傳統(tǒng)模糊控制器用于較為復(fù)雜的不確定系統(tǒng)時(shí),則往往精度較低,總結(jié)模糊控制規(guī)則過分地依賴現(xiàn)場操作,調(diào)節(jié)時(shí)間長,達(dá)不到令人十分滿意的控制性能,把模糊控制系統(tǒng)與其他控制方法相結(jié)合會(huì)獲得更優(yōu)良的性能。
滑??刂剖乔疤K聯(lián)研究人員Emelyanov和Utkin提出的一種特殊的控制方法,與其他方法的不同在于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不固定,狀態(tài)在不停地變動(dòng),系統(tǒng)根據(jù)給定軌跡進(jìn)行有目的的變化?;?刂埔云鋵?shù)變化及擾動(dòng)不敏感、魯棒性強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是,它的開關(guān)特性在保證了系統(tǒng)魯棒性的同時(shí),也導(dǎo)致了輸出抖振現(xiàn)象。減弱抖振的策略主要分為以下幾種:趨近律法、加補(bǔ)償器法、加濾波器法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、觀測器法、模糊法以及遺傳算法等,不同的策略有各自的優(yōu)缺點(diǎn),針對具體問題,選取特定方法,都可以有效地消除或抑制抖振現(xiàn)象。
自抗擾控制器是韓京清研究員在現(xiàn)代控制理論研究的基礎(chǔ)上,提出的一種采用狀態(tài)觀測器加補(bǔ)償?shù)姆蔷€性控制器。自抗擾控制器保留了控制器不依賴精確數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn),同時(shí),通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器能夠?qū)崟r(shí)觀察系統(tǒng)的內(nèi)外擾動(dòng)并進(jìn)行補(bǔ)償。因此,自抗擾控制器的動(dòng)、靜態(tài)性能以及抗干擾性能優(yōu)于其他控制器。自抗擾控制以其優(yōu)點(diǎn),在電機(jī)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了積分型滑模變結(jié)構(gòu)偏差耦合控制系統(tǒng),加快了起動(dòng)速度,但當(dāng)起動(dòng)階段同步誤差較大時(shí),系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)超調(diào)、暫態(tài)性能惡化的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[11]采用調(diào)度增益結(jié)合自適應(yīng)方法,對速度滑??刂破鞯那袚Q增益進(jìn)行實(shí)時(shí)整定,削弱了系統(tǒng)抖振現(xiàn)象,改善了控制性能。文獻(xiàn)[12]提出二階非奇異終端滑模算法,并結(jié)合自抗擾控制技術(shù),設(shè)計(jì)了基于干擾觀測器的分?jǐn)?shù)階滑??刂品桨福鰪?qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和同步性能,缺點(diǎn)是系統(tǒng)參數(shù)較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)較困難。文獻(xiàn)[13]運(yùn)用模糊控制對滑模變結(jié)構(gòu)控制中切換項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)整定,削弱了系統(tǒng)抖振,減小了電機(jī)的跟隨誤差,提高了系統(tǒng)的同步性能。文獻(xiàn)[14]將自適應(yīng)反步法和滑模觀測器相結(jié)合,設(shè)計(jì)出張力自適應(yīng)觀測器,提高了多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。文獻(xiàn)[15]將自適應(yīng)算法和滑模變結(jié)構(gòu)控制方法結(jié)合,提高了系統(tǒng)的魯棒性以及同步性能,缺點(diǎn)是應(yīng)用條件較苛刻。
智能控制算法中,滑模變結(jié)構(gòu)控制若能解決好抖振問題,是一種提升控制精度的好方法;自抗擾控制技術(shù)算法簡單、易于實(shí)現(xiàn),參數(shù)易調(diào)節(jié),響應(yīng)速度快且抗干擾能力強(qiáng)。從眾多學(xué)者提出的改進(jìn)算法的效果可以看出,對于實(shí)際問題,應(yīng)針對每種算法的特點(diǎn),取長補(bǔ)短,以滿足實(shí)際工程的需要。
多電機(jī)同步控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外工業(yè)領(lǐng)域,根據(jù)以上分析可知,其研究的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下五點(diǎn):
1)高跟蹤精度。系統(tǒng)跟蹤性能是系統(tǒng)綜合性能評定的重要指標(biāo),比如常見的多機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng),除了要求良好的同步性能,系統(tǒng)還必須對輸入信號進(jìn)行高精度跟蹤,以滿足各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性,從而改善軌跡曲線。
2)實(shí)時(shí)同步性。在實(shí)際應(yīng)用場合,抗干擾能力是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的最基本反映。隨著工作環(huán)境的變化,控制參數(shù)可能會(huì)發(fā)生漂移,較強(qiáng)的魯棒性能保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)的同步性。
3)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)是多電機(jī)同步控制系統(tǒng)重要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),它不僅要求系統(tǒng)對輸入信號跟隨速度快,而且要超調(diào)小甚至無超調(diào)。
4)良好的負(fù)載特性。采取合適的策略和算法,以提高控制參數(shù)的適應(yīng)性,從而保證系統(tǒng)的同步性能不受一定范圍內(nèi)負(fù)載變化的影響。
5)高可靠性和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)多電機(jī)同步控制系統(tǒng)時(shí),除了實(shí)現(xiàn)功能外,還必須考慮系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
本文通過對比分析目前常用的同步控制結(jié)構(gòu)和控制算法的優(yōu)缺點(diǎn),梳理出了多電機(jī)同步控制研究的關(guān)鍵技術(shù),以期對我國在多電機(jī)同步控制技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供借鑒。