淺析多機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)控制同步與復(fù)合同步

劉云山

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110023）

振動(dòng)電機(jī)因其功率有限，在振動(dòng)機(jī)械中往往要安裝兩臺(tái)或多臺(tái)振動(dòng)電機(jī)作為激振器，振動(dòng)電機(jī)間需要同步運(yùn)轉(zhuǎn)使得振動(dòng)機(jī)械的工作效能達(dá)到理想狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外科技工作者依靠振動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)間的耦合，設(shè)計(jì)出振動(dòng)同步機(jī)械，創(chuàng)造出一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近幾十年來(lái)，將控制方法引入到振動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)中，發(fā)展出振動(dòng)系統(tǒng)控制同步與復(fù)合同步理論，解決了振動(dòng)同步理論不能解決的工程實(shí)際問(wèn)題[1]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)概況

1.1 控制同步研究

控制機(jī)械系統(tǒng)同步是新興的一門(mén)跨學(xué)科綜合性科學(xué)技術(shù)，這門(mén)技術(shù)有機(jī)結(jié)合了機(jī)械技術(shù)、電力電子技術(shù)和信息技術(shù)。其發(fā)展與別的相關(guān)技術(shù)發(fā)展也有密切的聯(lián)系，控制同步的主要對(duì)象是電動(dòng)機(jī)（在液壓系統(tǒng)中是油缸和活塞），主要控制參數(shù)是位移、速度和相位。目前控制參數(shù)除轉(zhuǎn)速、相位等參數(shù)外，還包括作用力和變形等其他參數(shù)。

控制同步理論主要包括兩部分內(nèi)容：對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的控制策略和對(duì)電機(jī)的控制方法。

現(xiàn)在應(yīng)用較多的為主從式控制策略和虛擬主軸控制策略。主從式控制策略開(kāi)始進(jìn)入科研工作者的視角。主從式控制策略將一臺(tái)電機(jī)設(shè)定為主電機(jī)，把其他電機(jī)都設(shè)定為從電機(jī)，這樣從電機(jī)的轉(zhuǎn)速受控于主電機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從電機(jī)與主電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步。主從式控制策略的一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)從電機(jī)受到擾動(dòng)時(shí)主電機(jī)不會(huì)有減小誤差的響應(yīng)，這樣整個(gè)系統(tǒng)就不會(huì)達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)。主從式控制策略的另一個(gè)缺點(diǎn)是，只適用于精度不高的應(yīng)用。主從式控制策略非常顯著的優(yōu)點(diǎn)是，適合電機(jī)的多種控制情況，不會(huì)因電機(jī)數(shù)量的增加而使得系統(tǒng)的控制精度降低，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。軟件方式和硬件方式是主從式控制策略的兩種實(shí)現(xiàn)方式。在軟件方式上，用上述方法來(lái)實(shí)現(xiàn)主從式控制策略。在硬件方式上，不同的是每一級(jí)都是追蹤上一級(jí)電機(jī)。這種改進(jìn)后的主從式非常適合電機(jī)的控制策略[2]。虛擬主軸控制策略可以避免從電機(jī)的擾動(dòng)無(wú)法反饋給主電機(jī)的缺點(diǎn)，這種控制策略最早由Lorenz 提出。該控制策略是建立在主從式控制策略的基礎(chǔ)上，將從電機(jī)軸的反饋信號(hào)輸入到主電機(jī)軸的輸入里，這樣就實(shí)現(xiàn)了主從電機(jī)軸間的耦合。虛擬主軸控制策略是一種沒(méi)有實(shí)際主軸存在的控制策略，這種控制策略只是向其他從電機(jī)軸發(fā)送轉(zhuǎn)速信號(hào)的輸入，這樣其他從動(dòng)軸可以按照虛擬的主軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)，這樣可以消除主從軸間的同步誤差，但從電機(jī)軸受到擾動(dòng)后，這些從電機(jī)的軸之間不能相互耦合來(lái)減小誤差[3]。

對(duì)電機(jī)的控制方法和對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的控制策略一樣，會(huì)很大程度上影響系統(tǒng)的工作性能。模糊智能算法目前雖然在電機(jī)控制中應(yīng)用得很好，但是因?yàn)槿藗儗?duì)其研究不夠深入，目前只是有一定程度的應(yīng)用。模糊PID 作為一種經(jīng)典控制算法可以依靠其不需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，非常適用于復(fù)雜的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該控制器的模糊推理規(guī)則基于預(yù)先設(shè)定的規(guī)則表，不需要復(fù)雜的算法，因此控制器的運(yùn)算速度比較快，能夠適應(yīng)系統(tǒng)的要求，采用轉(zhuǎn)速誤差e 和轉(zhuǎn)速誤差變化率ec 的雙重反饋補(bǔ)償，來(lái)盡快減小同步誤差。但對(duì)其研究不夠深入，依然不能很好地應(yīng)用于大型復(fù)雜系統(tǒng)工程實(shí)際中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法屬于智能控制的一種，其原理是使神經(jīng)元按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和調(diào)整的。此方法雖然不能表達(dá)出準(zhǔn)確的顯性表達(dá)式，但對(duì)于非線性函數(shù)卻具有較強(qiáng)的逼近能力，適用于對(duì)任意復(fù)雜對(duì)象，尤其是單輸入多輸出以及多輸入多輸出的控制系統(tǒng)[4]。

Tomizuka 等[5]將自適應(yīng)前饋控制理論應(yīng)用到同步運(yùn)動(dòng)中。Miklos 等[6]使用了自適應(yīng)滑膜控制算法研究了多臺(tái)感應(yīng)電機(jī)的速度跟蹤與同步。Kong 等[7]研究了兩個(gè)不同感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的同步控制：采用了主從電機(jī)控制策略并用PI 法和自適應(yīng)滑膜來(lái)控制速度，并將相位跟蹤方法引入到相位同步中。

1.2 復(fù)合同步研究

對(duì)多機(jī)的控制同步，由于同步控制器較多，會(huì)降低振動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，并且增大了設(shè)備的投入成本。這就要求以振動(dòng)同步為主、控制同步為輔的方式來(lái)達(dá)到工程中實(shí)際應(yīng)用的目的。這就是聞邦椿院士提出的復(fù)合同步理論。利用振動(dòng)同步運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性，通過(guò)對(duì)最少數(shù)目的電機(jī)進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)最好的控制效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)合同步運(yùn)動(dòng)[1]。該種復(fù)合同步，在達(dá)到控制同步后的電機(jī)組與其他電機(jī)通過(guò)振動(dòng)系統(tǒng)的耦合達(dá)到振動(dòng)同步時(shí)，電機(jī)間的相位差要小于90°，才能使得該種復(fù)合振動(dòng)同步有工程意義。ZHANG 等[8]將振動(dòng)同步與強(qiáng)制同步相結(jié)合實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，從而開(kāi)辟出另一種復(fù)合同步形式。后一種復(fù)合同步形式可以將兩對(duì)激振器的激振力正疊加，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在垂直方向上的線性運(yùn)動(dòng)，這正是工程上期望得到的。

陳曉哲[9]設(shè)計(jì)了以滑膜算法為控制策略的主電機(jī)速度控制器和從電機(jī)相位控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)間的靈活控制同步，再與另外電機(jī)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)同步，從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)合同步?？紫橄10]研究了遠(yuǎn)共振三機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)合同步問(wèn)題。將振動(dòng)同步理論與控制同步理論相結(jié)合，基于小參數(shù)平均法，提出了一種研究三機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)復(fù)合同步運(yùn)動(dòng)的方法，進(jìn)行了仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)電機(jī)和振動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對(duì)復(fù)合同步的影響進(jìn)行了分析。劉樹(shù)英等[11]在分析物料破碎過(guò)程和物料層的滯回特性的基礎(chǔ)上，給出了有間隙物料層滯回力模型，建立了復(fù)合同步振動(dòng)圓錐破碎機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型和考慮物料作用的非線性運(yùn)動(dòng)方程。

2 存在的問(wèn)題與展望

現(xiàn)存多機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)控制同步與復(fù)合同步研究存在的問(wèn)題是：由于在當(dāng)下國(guó)內(nèi)乃至世界范圍內(nèi)對(duì)多機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)的控制同步與復(fù)合同步理論的研究還不夠成熟，真正將該理論應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中還差“最后一公里”。

今后多機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)控制同步與復(fù)合同步研究的發(fā)展方向應(yīng)該是：尋找新的控制理論應(yīng)用到多機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)控制同步與復(fù)合同步研究中，如深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等。再在復(fù)合同步研究中對(duì)其中的振動(dòng)同步理論進(jìn)行深入研究，做到控制同步電機(jī)與振動(dòng)同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)相位差盡可能接近零的理想工作狀態(tài)。

對(duì)不能實(shí)現(xiàn)任意速度比的振動(dòng)同步機(jī)械系統(tǒng)，進(jìn)一步研究能實(shí)現(xiàn)任意速度比的控制同步進(jìn)行深入研究。在振動(dòng)同步的基礎(chǔ)上，對(duì)于雙質(zhì)體的多機(jī)驅(qū)動(dòng)倍頻和同頻控制同步理論還需要進(jìn)一步研究。在對(duì)強(qiáng)制同步與振動(dòng)同步的復(fù)合同步和控制同步與振動(dòng)同步的復(fù)合同步各自進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)于強(qiáng)制同步、控制同步和振動(dòng)同步三種同步形式的復(fù)合同步運(yùn)動(dòng)可以進(jìn)一步開(kāi)展研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了國(guó)內(nèi)外多機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)控制同步理論中的振動(dòng)系統(tǒng)的控制策略，分析探討了電機(jī)控制方法的發(fā)展歷程和成果。對(duì)復(fù)合同步兩種研究形式進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。并對(duì)多機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)控制同步和復(fù)合同步存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，指出要應(yīng)用到工程實(shí)際中，還需尋找適合的控制理論，并對(duì)振動(dòng)同步理論進(jìn)行深入研究。