多電機同步控制技術(shù)發(fā)展簡介

王毅波,曹 寬

(中國航天科技集團第十六研究所，西安 710100)

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會對制造設備和產(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、高端數(shù)控機床等，單電機控制已經(jīng)很難滿足使用要求，工業(yè)生產(chǎn)對多電機同步驅(qū)動的需求促使同步控制技術(shù)成為了研究重點。

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維度研究多電機同步控制技術(shù)。本文通過期刊文獻檢索，對近幾年國內(nèi)外學者公開發(fā)表、與多電機同步控制結(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，以期對我國今后在該領(lǐng)域的發(fā)展提供借鑒。

1 控制結(jié)構(gòu)

機械同步和電同步是實現(xiàn)多電機同步控制的兩種主要方法。相對于機械同步方法，電同步方法以其靈活性好、控制精度高等優(yōu)點得到了廣泛的應用[1]。

1.1 常見的電控制結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點

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為雙電機主令控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，兩個電機并聯(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)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，各電機在起動、停止時的同步效果較好。缺點是整個控制結(jié)構(gòu)開環(huán)，不具備對各電機轉(zhuǎn)速差補償?shù)哪芰Γ垢蓴_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，從電機的轉(zhuǎn)速信號是由主電機來提供的。

圖2 主從同步方式簡圖

主從控制方式的特點是每臺電機運行狀態(tài)的變化只會影響它后面跟隨的電機，而不會影響前面的電機。由于每臺電機的轉(zhuǎn)速信號是由前面電機提供的，所以同步時存在著時間差，特別是在系統(tǒng)的起動、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實時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，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)速差補償，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。運行時轉(zhuǎn)速補償模塊通過檢測兩臺電機之間存在的轉(zhuǎn)速差，實現(xiàn)對每臺電機轉(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)相鄰兩個電機的轉(zhuǎn)速反饋差值對兩個電機轉(zhuǎn)速進行相應的補償，以減小同步誤差。當電機轉(zhuǎn)速因負載擾動或環(huán)境因素干擾而產(chǎn)生波動時，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。缺點是當控制的電機數(shù)量超過兩臺時，轉(zhuǎn)速補償計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。對于任意一臺電機的控制，基于最小相關(guān)個數(shù)的控制思想，即只將和其相鄰的兩臺電機納入考慮范圍，就可以較大簡化每臺電機的控制。

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)點是每個電機的控制器設計思路簡單，并且系統(tǒng)在起動、停止階段能獲得較好的同步性能。但是電機間的耦合關(guān)系固化了系統(tǒng)對外界擾動信號的傳遞方式，使其只能沿相鄰電機依次傳遞，勢必會導致信號延遲問題，在系統(tǒng)電機數(shù)量較多時表現(xiàn)更為嚴重。而且，控制器中子系統(tǒng)多，會增加系統(tǒng)的計算量，降低系統(tǒng)的同步性能。

(5)雙電機電子虛擬主軸同步控制方式

圖6為雙電機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)機械軸演變來的，但它的各個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：本質(zhì)上，單電機控制回路中的速度環(huán)、位置環(huán)屬于比例控制，所以，每臺電機的輸出和虛擬主軸輸出的基準間存在著穩(wěn)態(tài)誤差；系統(tǒng)在起、停階段或單電機出現(xiàn)負載擾動時，各軸間會出現(xiàn)失調(diào)的情況；另外，虛擬主軸的轉(zhuǎn)動慣量也不易確定。

(6)偏差耦合控制方式

對交叉耦合控制方式進行一些改進，便可以得到偏差耦合控制方式，圖7是以3臺電機為例的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)。改進后，根據(jù)各電機的工作狀態(tài)，系統(tǒng)可以動態(tài)地進行速度補償，補償信號由各電機速度反饋的差值乘以一個反饋增益(由系統(tǒng)中各電機轉(zhuǎn)動慣量的差異確定)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)中每個電機的速度補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載擾動引起的電機間的速度差，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 第一臺電機速度補償器結(jié)構(gòu)圖

從圖8可以看出，第一臺電機速度補償器的輸出：

e1=K12(ω1-ω2)+K13(ω1-ω3)

式中：K12，K13為速度反饋增益，可以補償各電機轉(zhuǎn)動慣量的差異，其值分別：

式中：J1，J2，J3分別為第1，2，3臺電機的轉(zhuǎn)動慣量。

采用偏差耦合控制的系統(tǒng)，當負載擾動等因素引起其中任意一臺電機速度波動時，系統(tǒng)中其他電機也會收到該波動信息，從而做出調(diào)整，因此，整個系統(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是，其他電機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。當其他電機出現(xiàn)較大的跟隨誤差時，所控制的電機消除該誤差的速度會比較慢，造成整個系統(tǒng)同步性能的下降。

1.2 改進型控制結(jié)構(gòu)

由以上分析可知，傳統(tǒng)偏差耦合同步控制中，子電機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，針對該缺點，文獻[2]提出了評價函數(shù)的概念，即將系統(tǒng)各電機的轉(zhuǎn)速均值作為信號量傳遞給所控制的電機，以3臺電機為例，改進型速度補償模塊如圖9所示。

圖9 改進型速度補償模塊結(jié)構(gòu)

圖9中N為電機數(shù)量，這里等于3。改進后，系統(tǒng)中電機出現(xiàn)速度波動時，補償模塊能快速將同步誤差歸為零。當速度波動較大時，補償模塊中的評價跟隨誤差將首先起到較大的調(diào)節(jié)作用，使其他電機能夠較快跟蹤速度波動的電機，然后控制器的控制量使得達到速度同步的各個電機逐漸恢復到設定的速度，使系統(tǒng)的同步誤差、跟隨誤差明顯減小。

文獻[3]則采用積分滑模控制器來代替速度PI控制器，增強控制器對轉(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償器，其對應結(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臺電機中速度的最小值，amin為N臺電機中加速度的最大值，ei為第i臺電機改進策略的速度補償。通過將電機轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速作差后反饋給各電機，并將系統(tǒng)最大加速度與各電機加速度作差反饋給各電機，增強了對轉(zhuǎn)速同步誤差的控制效果，減小了在負載突變情況下各電機之間的同步誤差和跟蹤誤差。

圖10 同步誤差補償結(jié)構(gòu)

文獻[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，對各電機的統(tǒng)一設定進行補償，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 最大值補償結(jié)構(gòu)

最大值偏差耦合控制的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，對于負載不均衡的系統(tǒng)具有較好的同步性能。

除此之外，為進一步提升傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的同步、跟蹤性能，文獻[5]將偏差耦合控制結(jié)構(gòu)和基于反演的自適應滑模控制算法結(jié)合起來，設計了多電機同步系統(tǒng)的控制器，該方法簡化了反演設計方法、增加了系統(tǒng)對不確定性的魯棒性、削弱了滑模控制帶來的抖振。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。文獻[6]為抑制負載擾動對系統(tǒng)同步性能的影響，利用自抗擾控制器的觀測補償機制，提升了多電機同步控制系統(tǒng)的跟蹤精度。文獻[7]針對大多控制器對電機無差別處理而導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)交叉耦合的多電機同步控制策略及相應的控制算法，對系統(tǒng)中不同權(quán)重的電機采取不同的控制強度，減小了各電機之間的同步誤差并簡化了控制結(jié)構(gòu)。文獻[8]在被控對象的模型參數(shù)未知的情況下，采用自適應方法在線估計參數(shù)，并利用交叉耦合控制策略減小多軸系統(tǒng)的同步誤差，實現(xiàn)了較高的同步控制精度。文獻[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行改進，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，所設計的控制器具有較好的魯棒性、穩(wěn)定性和自適應性。

1.3 小結(jié)

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同步控制系統(tǒng)，而偏差耦合控制方式則主要應用于3臺以及3臺以上電機的同步控制領(lǐng)域。通過對眾多學者提出的改進策略的對比分析可知，除了優(yōu)化、改進控制結(jié)構(gòu)外，結(jié)合智能控制算法對提升多電機系統(tǒng)的同步控制性能也非常重要[8]。

2 控制算法

傳統(tǒng)PID控制算法簡單、易實現(xiàn)，目前應用最為廣泛。但它的自調(diào)整能力差，對非線性、強耦合系統(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)學模型，且可以適應較為復雜的系統(tǒng)環(huán)境，因此，受到了眾多學者的關(guān)注。目前，在同步控制系統(tǒng)中應用較廣泛的智能控制算法有：神經(jīng)網(wǎng)絡控制，模糊控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，自抗擾控制等[9]。

2.1 常見智能控制算法

神經(jīng)網(wǎng)絡是通過大量神經(jīng)元互聯(lián)形成的網(wǎng)絡。常見的神經(jīng)網(wǎng)絡包括無反饋前向多層網(wǎng)絡、有反饋前向多層網(wǎng)絡、層內(nèi)有互聯(lián)的多層前饋網(wǎng)絡、任意元有聯(lián)接的相互結(jié)合型網(wǎng)絡等。應用較為普遍的誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡是一種有隱含層的多層前饋網(wǎng)絡。神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)點是具有較強的自主學習和非線性逼近能力，缺點是網(wǎng)絡權(quán)值的獲取需要對大量的數(shù)據(jù)進行訓練，在經(jīng)濟投入有限或者系統(tǒng)實時性要求較高的情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡算法局限性較大。

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，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)學模型，在過程控制以及較為復雜的系統(tǒng)中得到了較廣泛的應用。但是，如果僅僅將一個簡單的傳統(tǒng)模糊控制器用于較為復雜的不確定系統(tǒng)時，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)時間長，達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)合會獲得更優(yōu)良的性能。

滑模控制是前蘇聯(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，系統(tǒng)根據(jù)給定軌跡進行有目的的變化。滑模控制以其對參數(shù)變化及擾動不敏感、魯棒性強、響應速度快等優(yōu)點，在電機調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應用。但是，它的開關(guān)特性在保證了系統(tǒng)魯棒性的同時，也導致了輸出抖振現(xiàn)象。減弱抖振的策略主要分為以下幾種：趨近律法、加補償器法、加濾波器法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、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，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)學模型的優(yōu)點，同時，通過擴張狀態(tài)觀測器能夠?qū)崟r觀察系統(tǒng)的內(nèi)外擾動并進行補償。因此，自抗擾控制器的動、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，在電機控制領(lǐng)域有著廣泛的應用。

2.2 改進型控制算法

文獻[10]設計了積分型滑模變結(jié)構(gòu)偏差耦合控制系統(tǒng)，加快了起動速度，但當起動階段同步誤差較大時，系統(tǒng)會出現(xiàn)超調(diào)、暫態(tài)性能惡化的現(xiàn)象。文獻[11]采用調(diào)度增益結(jié)合自適應方法，對速度滑模控制器的切換增益進行實時整定，削弱了系統(tǒng)抖振現(xiàn)象，改善了控制性能。文獻[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)，設計了基于干擾觀測器的分數(shù)階滑模控制方案，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力和同步性能，缺點是系統(tǒng)參數(shù)較多、結(jié)構(gòu)復雜，工程應用實現(xiàn)較困難。文獻[13]運用模糊控制對滑模變結(jié)構(gòu)控制中切換項系數(shù)進行實時整定，削弱了系統(tǒng)抖振，減小了電機的跟隨誤差，提高了系統(tǒng)的同步性能。文獻[14]將自適應反步法和滑模觀測器相結(jié)合，設計出張力自適應觀測器，提高了多電機同步控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。文獻[15]將自適應算法和滑模變結(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，缺點是應用條件較苛刻。

2.3 小結(jié)

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、易于實現(xiàn)，參數(shù)易調(diào)節(jié)，響應速度快且抗干擾能力強。從眾多學者提出的改進算法的效果可以看出，對于實際問題，應針對每種算法的特點，取長補短，以滿足實際工程的需要。

3 關(guān)鍵技術(shù)梳理

多電機同步控制技術(shù)廣泛應用于國內(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：

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，比如常見的多機構(gòu)聯(lián)動系統(tǒng)，除了要求良好的同步性能，系統(tǒng)還必須對輸入信號進行高精度跟蹤，以滿足各機構(gòu)的運動協(xié)調(diào)性，從而改善軌跡曲線。

2)實時同步性。在實際應用場合，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)可能會發(fā)生漂移，較強的魯棒性能保證系統(tǒng)實時的同步性。

3)快速動態(tài)響應。動態(tài)響應是多電機同步控制系統(tǒng)重要的動態(tài)性能指標，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)良好的負載特性。采取合適的策略和算法，以提高控制參數(shù)的適應性，從而保證系統(tǒng)的同步性能不受一定范圍內(nèi)負載變化的影響。

5)高可靠性和穩(wěn)定性。設計多電機同步控制系統(tǒng)時，除了實現(xiàn)功能外，還必須考慮系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

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，梳理出了多電機同步控制研究的關(guān)鍵技術(shù)，以期對我國在多電機同步控制技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供借鑒。