多電機同步協調控制技術初探

王超雄

摘? 要：本文對近年來提出的典型控制策略進行了歸納分析，對比探討了各種控制策略的優缺點，并對多電機同步協調控制技術的發展方向進行了展望。

關鍵詞：多電機同步控制;辨識;發展趨勢

一、多電機控制系統的干擾因素

（一）電源的穩定性。目前，絕大多數的電機是依靠交流電來驅動的。電路系統中大功率設備的通斷、供電電壓波形的變化等因素都會造成控制系統的干擾，而這種干擾對各類系統都會產生影響。因此在多電機控制系統中除了要安裝電抗器以外，對系統的低壓控制電源還需采取額外的抗干擾措施以保證電源的穩定。

（二）信號回路的干擾。多電機系統中自身的眾多信號線在工作過程中會產生相應的串擾和反射，從而影響多電機的控制系統。除此之外外部的電磁噪聲也會對多電機控制系統產生干擾，他們在工作的同時會產生相應的電磁場從而會對多電機控制系統產生干擾。因此也應加強信號線路本身的抗干擾能力。

二、多電機同步協調控制方案分析

（一）機械同步。機械同步當中用一個大功率驅動系統以一個固定的總軸旋轉速度來進行驅動，所有的被驅動單元都嚙合在這個總軸上。當某一單元的載荷發生變化時，通過齒輪箱，就會將這種變化反饋到總軸上，從而使總軸的旋轉速度產生相應的變化，同時其他單元的速度也會隨著擾動單元速度的變化產生相應的變化。因此可知多電機控制系統中的各個單元是一個有機整體，某一單元的變化會對整個系統產生影響。

機械控制系統由于自身的特點，也存在一定的缺陷。主要包括：（1）由于機械總軸電容量的限制，導致各個單元輸出的力矩有限，能承受的載荷也有限。（2）電機機械總軸容易出現震蕩，影響系統的穩定性。（3）各個驅動單元都需要配備相應的變速箱，靈活性不高，且維修成本較高。

（二）電力同步。（1）多電機同步協調的非耦合控制。多電機非耦合控制系統一般包括兩種主要的形式，基于相同給定參數信號的并聯運行模式以及主從同步控制系統。基于相同給定參數信號的并聯運行模式是一種相對比較簡單的非耦合控制方法，如圖1。

圖1? 基于給定相同參數信號的并聯運行模式示意圖

在上述系統中，每個電機的輸入信號直接由系統給定，系統在啟動和停止階段的同步性能非常好。同時各個單元的的輸入信號只受參數信號的作用，屏蔽了其他外界因素的干擾。某一單元信號的波動不會對其他單元產生影響，可以更好地實現多電機的同步性。而另一種非耦合多電機同步協調控制的方式是主從同步控制系統，如圖2所示。

圖2? 主從同步控制系統示意圖

從圖2中可知，從屬電機的輸入轉速值即為主電機的輸出轉速值，也就是說從電機能夠及時反映主電機上的相關參數。如果存在多臺電機的話，上述系統有兩種主要的控制方式。1）第一臺作為主電機，剩下的電機都當做從屬電機。將主電機的輸出信號作為剩下所有從屬電機的輸入信號，這樣的話從屬電機都能直接反應主電機的載荷擾動，而主電機卻不受從屬電機載荷擾動的影響。2）將第一臺電機作為主電機，最后一臺電機作為從屬電機。中間的電機同時兼任主電機和從屬電機兩個角色。在整個控制系統中，除了從屬電機，任何一臺電機的載荷擾動都會對其后面的電機產生相應的影響，而其上游的電機卻不受其影響。

（2）多電機的耦合控制。多電機非耦合控制系統雖然在某種程度上可以提高系統對電機同步性的控制效果，但是其仍存在一定的局限性。因此針對電機的同步協調控制又提出了交叉耦合控制策略以及偏差耦合控制策略。1）交叉耦合信號主要是首先將對應的電機速度信號進行對比差值，將差值作為反饋信號進行跟蹤補償，從而保證系統及時感應接受電機的狀態變化，保證系統獲得良好的同步控制，如圖3。2）偏差耦合控制主要是將相關的電機反饋做差，并將其作為電機的補償信號，從而改善其協調控制性能，如圖4，5。

圖3? 交叉耦合控制系統示意圖

圖4? 多電機偏差耦合控制示意圖

圖5? 速度補償示意圖

但是上述系統還是不能很好的解決多電機動態性能匹配以及跟蹤軌跡非線性等問題。

上述的所有控制系統基本上都是由電動機帶動通過相應的機械結構做相應的機械運動。在實際的運行過程中，產生負載的因素很多，而且負載一般都是動態變化的。因此在相應的系統設計中需要充分考慮負載的變化因素，要采取相應的補償措施來保證多電機的同步性。

三、研究動向展望

（一）較高的跟蹤精度。系統能否跟蹤輸入參數信號并達到較高的精度是評判一個系統同步性的重要標準，某些工業領域不但要求多電機能夠同步，還要求系統能夠高精度的跟蹤相關的輸入信號參數。

（二）良好的負載特性。在一定范圍內，隨著系統載荷的增加，系統的同步協調性能也不受影響。

（三）較強的抗干擾能力和魯棒性能。在實際的應用過程中系統需要較強的抗干擾能力。同時隨著外界環境條件的變化，系統參數的漂移要能控制在一定的范圍內。

（四）較高的穩定性、可靠性和靈敏性。系統的可靠性和穩定性是系統能夠正常運作的前提。同時系統還要能夠及時對外界輸入信號做出反應，并進行相應的跟蹤。

結論：本文針對多電機同步協調控制技術進行了回顧和總結，并對目前多電機同步系統主要的干擾因素以及實現方案進行了闡述，在此基礎上還對目前關于多電機同步協調控制研究的熱點和方向進行了展望，以期為多電機同步協調控制的研究提供參考。

參考文獻：

[1] 項云韋.多臺電機同步協調運轉的變結構控制[J].電氣傳動自動化，1999，21 （3） ： 33-34.

[2] 李艷，邵日樣，邵世煌.模糊控制在電氣傳動中的運用現狀及前景[J].電氣傳動，1997， （2） ： 3-9.endprint

摘? 要：本文對近年來提出的典型控制策略進行了歸納分析，對比探討了各種控制策略的優缺點，并對多電機同步協調控制技術的發展方向進行了展望。

關鍵詞：多電機同步控制;辨識;發展趨勢

一、多電機控制系統的干擾因素

（一）電源的穩定性。目前，絕大多數的電機是依靠交流電來驅動的。電路系統中大功率設備的通斷、供電電壓波形的變化等因素都會造成控制系統的干擾，而這種干擾對各類系統都會產生影響。因此在多電機控制系統中除了要安裝電抗器以外，對系統的低壓控制電源還需采取額外的抗干擾措施以保證電源的穩定。

（二）信號回路的干擾。多電機系統中自身的眾多信號線在工作過程中會產生相應的串擾和反射，從而影響多電機的控制系統。除此之外外部的電磁噪聲也會對多電機控制系統產生干擾，他們在工作的同時會產生相應的電磁場從而會對多電機控制系統產生干擾。因此也應加強信號線路本身的抗干擾能力。

二、多電機同步協調控制方案分析

（一）機械同步。機械同步當中用一個大功率驅動系統以一個固定的總軸旋轉速度來進行驅動，所有的被驅動單元都嚙合在這個總軸上。當某一單元的載荷發生變化時，通過齒輪箱，就會將這種變化反饋到總軸上，從而使總軸的旋轉速度產生相應的變化，同時其他單元的速度也會隨著擾動單元速度的變化產生相應的變化。因此可知多電機控制系統中的各個單元是一個有機整體，某一單元的變化會對整個系統產生影響。

機械控制系統由于自身的特點，也存在一定的缺陷。主要包括：（1）由于機械總軸電容量的限制，導致各個單元輸出的力矩有限，能承受的載荷也有限。（2）電機機械總軸容易出現震蕩，影響系統的穩定性。（3）各個驅動單元都需要配備相應的變速箱，靈活性不高，且維修成本較高。

（二）電力同步。（1）多電機同步協調的非耦合控制。多電機非耦合控制系統一般包括兩種主要的形式，基于相同給定參數信號的并聯運行模式以及主從同步控制系統。基于相同給定參數信號的并聯運行模式是一種相對比較簡單的非耦合控制方法，如圖1。

圖1? 基于給定相同參數信號的并聯運行模式示意圖

在上述系統中，每個電機的輸入信號直接由系統給定，系統在啟動和停止階段的同步性能非常好。同時各個單元的的輸入信號只受參數信號的作用，屏蔽了其他外界因素的干擾。某一單元信號的波動不會對其他單元產生影響，可以更好地實現多電機的同步性。而另一種非耦合多電機同步協調控制的方式是主從同步控制系統，如圖2所示。

圖2? 主從同步控制系統示意圖

從圖2中可知，從屬電機的輸入轉速值即為主電機的輸出轉速值，也就是說從電機能夠及時反映主電機上的相關參數。如果存在多臺電機的話，上述系統有兩種主要的控制方式。1）第一臺作為主電機，剩下的電機都當做從屬電機。將主電機的輸出信號作為剩下所有從屬電機的輸入信號，這樣的話從屬電機都能直接反應主電機的載荷擾動，而主電機卻不受從屬電機載荷擾動的影響。2）將第一臺電機作為主電機，最后一臺電機作為從屬電機。中間的電機同時兼任主電機和從屬電機兩個角色。在整個控制系統中，除了從屬電機，任何一臺電機的載荷擾動都會對其后面的電機產生相應的影響，而其上游的電機卻不受其影響。

（2）多電機的耦合控制。多電機非耦合控制系統雖然在某種程度上可以提高系統對電機同步性的控制效果，但是其仍存在一定的局限性。因此針對電機的同步協調控制又提出了交叉耦合控制策略以及偏差耦合控制策略。1）交叉耦合信號主要是首先將對應的電機速度信號進行對比差值，將差值作為反饋信號進行跟蹤補償，從而保證系統及時感應接受電機的狀態變化，保證系統獲得良好的同步控制，如圖3。2）偏差耦合控制主要是將相關的電機反饋做差，并將其作為電機的補償信號，從而改善其協調控制性能，如圖4，5。

圖3? 交叉耦合控制系統示意圖

圖4? 多電機偏差耦合控制示意圖

圖5? 速度補償示意圖

但是上述系統還是不能很好的解決多電機動態性能匹配以及跟蹤軌跡非線性等問題。

上述的所有控制系統基本上都是由電動機帶動通過相應的機械結構做相應的機械運動。在實際的運行過程中，產生負載的因素很多，而且負載一般都是動態變化的。因此在相應的系統設計中需要充分考慮負載的變化因素，要采取相應的補償措施來保證多電機的同步性。

三、研究動向展望

（一）較高的跟蹤精度。系統能否跟蹤輸入參數信號并達到較高的精度是評判一個系統同步性的重要標準，某些工業領域不但要求多電機能夠同步，還要求系統能夠高精度的跟蹤相關的輸入信號參數。

（二）良好的負載特性。在一定范圍內，隨著系統載荷的增加，系統的同步協調性能也不受影響。

（三）較強的抗干擾能力和魯棒性能。在實際的應用過程中系統需要較強的抗干擾能力。同時隨著外界環境條件的變化，系統參數的漂移要能控制在一定的范圍內。

（四）較高的穩定性、可靠性和靈敏性。系統的可靠性和穩定性是系統能夠正常運作的前提。同時系統還要能夠及時對外界輸入信號做出反應，并進行相應的跟蹤。

結論：本文針對多電機同步協調控制技術進行了回顧和總結，并對目前多電機同步系統主要的干擾因素以及實現方案進行了闡述，在此基礎上還對目前關于多電機同步協調控制研究的熱點和方向進行了展望，以期為多電機同步協調控制的研究提供參考。

參考文獻：

[1] 項云韋.多臺電機同步協調運轉的變結構控制[J].電氣傳動自動化，1999，21 （3） ： 33-34.

[2] 李艷，邵日樣，邵世煌.模糊控制在電氣傳動中的運用現狀及前景[J].電氣傳動，1997， （2） ： 3-9.endprint

摘? 要：本文對近年來提出的典型控制策略進行了歸納分析，對比探討了各種控制策略的優缺點，并對多電機同步協調控制技術的發展方向進行了展望。

關鍵詞：多電機同步控制;辨識;發展趨勢

一、多電機控制系統的干擾因素

（一）電源的穩定性。目前，絕大多數的電機是依靠交流電來驅動的。電路系統中大功率設備的通斷、供電電壓波形的變化等因素都會造成控制系統的干擾，而這種干擾對各類系統都會產生影響。因此在多電機控制系統中除了要安裝電抗器以外，對系統的低壓控制電源還需采取額外的抗干擾措施以保證電源的穩定。

（二）信號回路的干擾。多電機系統中自身的眾多信號線在工作過程中會產生相應的串擾和反射，從而影響多電機的控制系統。除此之外外部的電磁噪聲也會對多電機控制系統產生干擾，他們在工作的同時會產生相應的電磁場從而會對多電機控制系統產生干擾。因此也應加強信號線路本身的抗干擾能力。

二、多電機同步協調控制方案分析

（一）機械同步。機械同步當中用一個大功率驅動系統以一個固定的總軸旋轉速度來進行驅動，所有的被驅動單元都嚙合在這個總軸上。當某一單元的載荷發生變化時，通過齒輪箱，就會將這種變化反饋到總軸上，從而使總軸的旋轉速度產生相應的變化，同時其他單元的速度也會隨著擾動單元速度的變化產生相應的變化。因此可知多電機控制系統中的各個單元是一個有機整體，某一單元的變化會對整個系統產生影響。

機械控制系統由于自身的特點，也存在一定的缺陷。主要包括：（1）由于機械總軸電容量的限制，導致各個單元輸出的力矩有限，能承受的載荷也有限。（2）電機機械總軸容易出現震蕩，影響系統的穩定性。（3）各個驅動單元都需要配備相應的變速箱，靈活性不高，且維修成本較高。

（二）電力同步。（1）多電機同步協調的非耦合控制。多電機非耦合控制系統一般包括兩種主要的形式，基于相同給定參數信號的并聯運行模式以及主從同步控制系統。基于相同給定參數信號的并聯運行模式是一種相對比較簡單的非耦合控制方法，如圖1。

圖1? 基于給定相同參數信號的并聯運行模式示意圖

在上述系統中，每個電機的輸入信號直接由系統給定，系統在啟動和停止階段的同步性能非常好。同時各個單元的的輸入信號只受參數信號的作用，屏蔽了其他外界因素的干擾。某一單元信號的波動不會對其他單元產生影響，可以更好地實現多電機的同步性。而另一種非耦合多電機同步協調控制的方式是主從同步控制系統，如圖2所示。

圖2? 主從同步控制系統示意圖

從圖2中可知，從屬電機的輸入轉速值即為主電機的輸出轉速值，也就是說從電機能夠及時反映主電機上的相關參數。如果存在多臺電機的話，上述系統有兩種主要的控制方式。1）第一臺作為主電機，剩下的電機都當做從屬電機。將主電機的輸出信號作為剩下所有從屬電機的輸入信號，這樣的話從屬電機都能直接反應主電機的載荷擾動，而主電機卻不受從屬電機載荷擾動的影響。2）將第一臺電機作為主電機，最后一臺電機作為從屬電機。中間的電機同時兼任主電機和從屬電機兩個角色。在整個控制系統中，除了從屬電機，任何一臺電機的載荷擾動都會對其后面的電機產生相應的影響，而其上游的電機卻不受其影響。

（2）多電機的耦合控制。多電機非耦合控制系統雖然在某種程度上可以提高系統對電機同步性的控制效果，但是其仍存在一定的局限性。因此針對電機的同步協調控制又提出了交叉耦合控制策略以及偏差耦合控制策略。1）交叉耦合信號主要是首先將對應的電機速度信號進行對比差值，將差值作為反饋信號進行跟蹤補償，從而保證系統及時感應接受電機的狀態變化，保證系統獲得良好的同步控制，如圖3。2）偏差耦合控制主要是將相關的電機反饋做差，并將其作為電機的補償信號，從而改善其協調控制性能，如圖4，5。

圖3? 交叉耦合控制系統示意圖

圖4? 多電機偏差耦合控制示意圖

圖5? 速度補償示意圖

但是上述系統還是不能很好的解決多電機動態性能匹配以及跟蹤軌跡非線性等問題。

上述的所有控制系統基本上都是由電動機帶動通過相應的機械結構做相應的機械運動。在實際的運行過程中，產生負載的因素很多，而且負載一般都是動態變化的。因此在相應的系統設計中需要充分考慮負載的變化因素，要采取相應的補償措施來保證多電機的同步性。

三、研究動向展望

（一）較高的跟蹤精度。系統能否跟蹤輸入參數信號并達到較高的精度是評判一個系統同步性的重要標準，某些工業領域不但要求多電機能夠同步，還要求系統能夠高精度的跟蹤相關的輸入信號參數。

（二）良好的負載特性。在一定范圍內，隨著系統載荷的增加，系統的同步協調性能也不受影響。

（三）較強的抗干擾能力和魯棒性能。在實際的應用過程中系統需要較強的抗干擾能力。同時隨著外界環境條件的變化，系統參數的漂移要能控制在一定的范圍內。

（四）較高的穩定性、可靠性和靈敏性。系統的可靠性和穩定性是系統能夠正常運作的前提。同時系統還要能夠及時對外界輸入信號做出反應，并進行相應的跟蹤。

結論：本文針對多電機同步協調控制技術進行了回顧和總結，并對目前多電機同步系統主要的干擾因素以及實現方案進行了闡述，在此基礎上還對目前關于多電機同步協調控制研究的熱點和方向進行了展望，以期為多電機同步協調控制的研究提供參考。

參考文獻：

[1] 項云韋.多臺電機同步協調運轉的變結構控制[J].電氣傳動自動化，1999，21 （3） ： 33-34.

[2] 李艷，邵日樣，邵世煌.模糊控制在電氣傳動中的運用現狀及前景[J].電氣傳動，1997， （2） ： 3-9.endprint