基于改進型偏差耦合結構的多電機同步控制

摘要：針對現有的多電機同步控制方案難以滿足高精度控制的要求和不能實現比例同步控制的局限性，提出一種帶PI補償控制的改進型偏差耦合控制結構，可適用于多電機完全同步和比例同步控制.針對永磁同步電動機非線性和強耦合特性，設計了自適應模糊滑模變結構控制器來實現永磁同步電動機的跟蹤控制.建立了4臺永磁同步電動機的同步控制仿真模型，仿真實驗表明，所提出的多電機同步控制結構相對于帶固定增益補償的控制結構具有更高的同步控制精度.與PID和常規滑模控制算法相比，自適應模糊滑模控制策略具有更高的同步穩定性和更強的魯棒性.

關鍵詞：多電機同步控制；偏差耦合控制；PI補償器；滑模控制

中圖分類號：TH165.3文獻標識碼：A

目前，多電機同步控制技術已廣泛應用于造紙、印染、紡織以及機械加工等工業制造領域.多電機同步控制結構和控制算法不僅是實現高精度同步控制的關鍵，同時也直接影響著系統的可靠性和產品制造的質量.

同步控制根據控制參數不同可分為速度同步、位置同步和相位同步等；按照控制參數數值不同可分為完全同步控制和比例同步控制，最常見的應用是速度完全同步控制，如大型龍門吊車，需要控制兩臺電機以相同的速度驅動負載.而在有些場合，需要使各電機的速度保持一定的比例關系來驅動負載，如超高速卷接機，為了保證各鼓輪在單位時間內煙支的傳輸量相等，各交接處鼓輪的線速度應相等，因此要求各鼓輪的轉速嚴格保持一定的比例關系.本文重點研究具有速度完全同步和比例同步要求的多電機同步控制結構和控制策略.

常用的多電機同步控制結構有主從式、交叉耦合式和偏差耦合式等.相鄰耦合[1]控制結構僅考慮相鄰兩電機的狀態，當某臺電機受到擾動產生速度波動時，只能通過其相鄰電機逐個傳遞給其他電機，這將導致一定的控制時延從而造成較大的同步誤差，因此在實際工程應用中受到了很大的限制.通過對交叉耦合控制結構的改進，PerezPinal等[2]提出了適用于多電機的偏差耦合控制結構，其控制效果有了質的變化，克服了其他控制策略的缺點，具有很好的同步性能.但是如何根據各個電機拖動子系統的負載變化以及干擾等因素實時調節速度補償值是實現偏差耦合控制的關鍵.文獻[3-5] 采用固定增益速度補償器實現偏差耦合控制，該算法雖結構簡單，但因其補償器只考慮了電機的轉動慣量對同步性能的影響，當負載變化大時，系統波動較大，甚至會導致系統不穩定.為此，本文提出基于PI補償器的偏差耦合控制結構可綜合考慮電機參數、負載波動以及擾動等因素造成的速度偏差，實時修正速度補償值，從而獲得更高的同步控制精度.

永磁同步電動機（PMSM） 具有動態響應快、效率高、可靠性高等優點，非常適合應用于高性能伺服系統，在多電機同步控制系統中也被廣泛采用，但是PMSM伺服系統是一個多變量、強耦合、非線性時變系統，一般的控制算法難以達到令人滿意的效果.文獻[6]采用模糊PID控制算法來實現多電機系統的同步控制，雖對多輸入多輸出、時變及滯后等復雜系統都能進行控制，但模糊控制規則太多且過于依賴操作者的經驗，參數整定困難，無自學習能力，其應用范圍受到較大的局限.文獻[7]采用神經網絡控制算法實現多電機的同步控制，神經網絡控制雖具有自學習和自適應能力，但計算復雜且實效性較差.針對不確定非線性控制系統，滑模變結構控制是一種較為有效的跟蹤控制方法[8]，它具有響應速度快、控制精度高、魯棒性強、算法簡單、易于在線實現等許多優點.本文從實際工程應用角度出發，結合滑模變結構控制和模糊控制方法，設計了基于切換增益自適應調節的模糊滑模控制器， 并采用帶PI補償控制的偏差耦合控制結構，對4臺永磁同步電動機進行同步控制，仿真結果證明了該控制結構和控制策略的可行性和有效性.

1改進型偏差耦合控制結構設計

偏差耦合控制是利用各個電機系統之間的阻尼系數關系在速度反饋信號中添加各電機的相對速度信號，根據每臺電機的工作狀態動態地在各電機之間分配速度補償信號，從而達到很好的同步性能.傳統的偏差耦合控制結構只能實現多電機的完全同步控制，而不能實現多電機的比例同步控制.針對這一問題，本文對傳統的偏差耦合控制結構做了改進，以實現多電機的比例同步控制，以3臺電機為例，改進型的偏差耦合控制結構示意圖如圖1所示.

固定增益速度補償器只考慮了電機的轉動慣量，當負載變化較大時，因電機特性參數和機電時間常速的不同，導致速度波動大，且消除速度波動的時間長，這也造成多電機間速度不同步，即出現同步誤差.對于每一臺電機而言，其他任意一臺電機速度的波動都是一種干擾，而這種干擾是可測且經常變化的，故可通過引入前饋作用實時消除干擾對各電機驅動子系統輸出的不良影響，很好地提高系統的控制品質.本文采用PI控制器代替固定增益，實現電機的前饋控制，其結構如圖3所示.干擾一旦出現，在被控制量發生變化前，PI調節器就產生控制作用，即直接根據檢測到的其他電機的速度按一定規律快速消除電機之間的跟隨誤差，使其穩定收斂于零，從而保證系統具有優良的同步性能的同時，使系統獲得更好的動態和靜態性能.

2模糊滑模控制器設計

由于永磁同步電動機是一個多變量、強耦合和非線性的復雜系統，一般的控制方法難以達到令人滿意的調速性能，而滑模控制（SMC）能夠克服復雜系統的不確定性，對干擾和未建模動態有很強的魯棒性，非常適合作為一種不確定系統的魯棒控制器.但是普通的滑模控制會存在抖振現象，所以必須采取降抖振措拖才能應用于實際.本文將模糊控制和變結構控制相結合，設計模糊滑模控制器，采用模糊控制自適應調節引起滑模抖振的增益系數以削弱系統抖振，用滑模控制確保系統的穩定性，它不僅保持了模糊控制不依賴系統模型的優點，同時還可在保證控制精度的前提下減小滑模控制的抖振，實現對永磁同步電機速度的魯棒控制.

2.1基于比例切換函數的SMC控制器設計

文獻[9]提出了基于比例切換函數的滑模控制方法，對永磁同步電動機實現了較好的速度控制.本文將該方法應用到多永磁同步電動機的速度同步控制中，并將其與所設計的模糊滑模控制方法進行仿真對比.

3.4仿真實驗結果分析

1）由圖5可知，2種補償器均能實現多電機的完全同步控制，而與固定增益補償器相比，PI補償控制下4臺電機能夠更快地到達穩定狀態.當4臺電機發生負載突變時，PI補償控制使系統能重新快速準確地跟蹤目標，速度波動小，調節時間短，消除系統誤差速度快.由表2可以看出，PI補償控制下4臺電機之間的最大同步誤差率更小，到達穩態時同步精度更高，體現了較好的抗干擾性.

2）由圖6可知，2種補償器均能實現多電機的比例同步控制，而與固定增益補償器相比，PI補償控制下，4臺電機在初始時刻能夠快速、穩定地到達穩定狀態，當轉速下降時，同樣能夠快速穩定地到達穩態，當發生負載突變時，系統能夠快速消除誤差，體現了較好的動態性能.由表2可以看出，PI補償控制下，無論是在降速過程中還是在負載發生突變情況下，4臺電機之間的最大同步誤差率更小，到達穩態時同步精度更高，體現了較好的魯棒性.

3）由圖7可知，與傳統的PID控制和文獻[9]提出的基于比例切換函數的滑模控制（SMC）相比，無論是電機1還是電機2，FuzzySMC控制下系統響應更快，速度波動更小.由表3可以看出，在FuzzySMC控制下，系統的同步精度更高，魯棒性更強.

4結論

本文從多電機同步控制結構和控制策略2個方面進行了仿真實驗研究，主要結論如下：

1）對傳統的偏差耦合控制結構進行了改進，實現了多電機的比例同步控制，為多電機的比例同步控制提供了一種參考模型.

2）提出了一種帶PI補償的速度補償器，與傳統的固定增益速度補償器相比，它能使系統更快地到達穩態，當負載突變時，系統消除速度波動的時間更短，控制精度更高，性能更優越.

3）從實際工程應用角度出發，設計了一種自適應模糊滑模控制器，與PID控制和普通滑模控制算法相比，該控制器能使系統的動態性能和靜態性能更好，為多電機的同步控制提供了一種簡單實用的控制策略.

綜上所述，本文設計的改進型偏差耦合控制結構和自適應模糊滑模控制器均為有效的、可靠的多電機同步控制方案，具有較高的實際應用價值.

參考文獻

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