多電機同步控制策略的改進

文/許智勇 王冬華

隨著我國工業技術的不斷發展進步，各行各業對機械設備的性能質量要求也越來越高，許多大型的機械設備必須依靠多臺電機的共同協作才能保證生產的順利完成。由此可見，單臺電機的使用已無法適用機械設備的發展需要，由于多臺電機在共同協作時，會存在位置、速度約束的問題，所以需要采用一定的辦法來改善多電機同步運轉效率和質量。

1 多電機同步控制的措施

機械設備加工控制系統的關鍵組成部分是傳動控制。機械設備系統的運行需要多個軸的共同傳動協作，電動機的控制驅動軸的功能就是控制這些軸的轉動。保證電機的正常運行。在傳動系統的同步控制技術包括多種技術方法。它們分別主從控制、偏差耦合控制、虛擬總軸控制、交叉耦合控制和并行控制。

1.1 并行控制

并行控制又稱為同等控制，高速控制系統在運行過程中，會以同一速度進行運轉，一旦系統存在負載嚴格相同的情況，就能保證同步控制。這種控制辦法側重于控制實際速度和理論速度的誤差，不太注重于不同電機間的誤差情況。利用并行控制法時，多電機在停止、起動階段具有良好的同步性，這是并行控制策略的優勢。但是在這種控制法下，整個系統如同處于開環控制中，如果系統一旦受到外界因素干擾，容易降低其同步性能，不能有效保證電機的同步控制性能，影響電機的運行質量和效率。

1.2 主從控制法

電機在運行過程中的轉速輸入參考值需要主電機的輸出。以此方法來保證從電機能與主電機速度同步運行。由于從機和主機的轉換反饋環節不存在于主從控制法中，因此在具體的實際操作中，電機如果具有轉多慣量大的特點，那種就選擇此種電機作為主機，屬于轉動慣量小電機，則作為從機。

1.3 虛擬主軸控制法

這種控制法最早是由西方國家的研究人員提出的。該控制是基于利用相對剛度控制的特點，經西方研究人員Lorenz和Valenzula的深化擴展而成的。該控制通過模擬機械總軸的功能，利用其同步運行的特點，當總軸與系統輸入信號發生效應后，單元驅動會產生參考信號，而系統會識別參考信號，進而系統會進行驅動單元跟蹤。由于信號與總軸發生效應，并且信號是來源于過濾波，因此，在電機運行過程中的實際轉速度與主參考值會產生一定的偏差。

1.4 交叉耦合控制法

該控制法是從上世紀八十時代時的Koren所提出，該控制法是通過運行位置與速度進行對比作差，系統所產生的反饋信號就是其差值，然后再中系統產生的反饋信號。以此達同同步控制的目的，以上就是交叉耦合控制法的運行原理。利用該控制法，單一電機的負載變化情況都可以通過系統來反應。一旦存在超過2臺以上的電機就無法采用該控制法。就是交叉耦合控制法的弊端。

1.5 偏差耦合控制法

偏差耦合控制過電機速度反饋作差來實現同步控制，即比較一臺電機和其它電機的速度反饋情況，將兩者進行分別作差。從而求得電機偏差的數值，將所有數值相加匯總，電機所產生的速度補償信號就是所計算的匯總數值，由于各電機間的轉動慣量存在差別，就以增益作為補償。以此來保證電機的同步控制質量和效率。

2 控制算法

隨著實踐和研究的不斷深入和發展，多電機同步控制算法種類已經得到廣泛的發展，它包含PID控制、模糊控制、神經網絡、H∞控制和、滑模變結構等控制算法。控制算法和控制策略相融合是研究多電機同步控制方法的重點。

2.1 環形耦合控制

該控制法既考慮到電機在運行過程中產生的跟蹤誤差，也照顧到相鄰電機所產生的同步誤差。環形耦合控制控制法利用耦合補償原理的作用，結合同一給定控制的理論特點，將兩者統一融合而形成環形耦合控制控制法。在多電機的運行過程中，電機之間的轉速差的補償，可以通過環形耦合控制控制法來實現。因此，該控制法能有效地促進電機的同步性能的發展。確保多電機同步控制的質量和效率

2.2 自抗擾控制

上世紀九十年代，我國研究專家通過運用PID控制原理的基礎上，吸收現代控制理論的最新成果，發展出了自抗擾控制法。自抗擾控制法將現代控制理論的知識和經典控制理論知識進行有機融合，發展出補償+觀測的新方法。

2012年我國的研究專家又根據二階自抗擾技術的理論觀點，通過研究三電機同步控制的特點，研究分離性原理在多電機同步控制下的特性，通過設計擴張狀態跟蹤器、誤差反饋和跟蹤微分器這三大設備，再綜合各組成部分的特性進行試驗，最后終出的結論是：電機速度與超調量之間的負相關關系可以控制器來進行解決。該控制法能達到從電機與主電機的速度達到同步變化的目的。

2.3 虛擬主軸

該控制法的提出距離現今已經有20多年，美國的研究專家Robert D.Lorenz教授在這方面曾展開了大量的研究，虛擬主軸同步法也是由這位教授由2001年發展而來，該方法當時是應用在造紙機同步系統。經過大量的試驗證明，電機如果出現負載擾動的現象或部分負載過大的情況，運用虛擬主軸同步法能夠出色地保證系統的同步性。與傳統的局部負載系統相對，虛擬主軸同步法也能有效地解決局部系統崩潰的現象。

在多電機同步控制方面，虛擬主軸具有出色的性能。因此，我國研究專家也對該方法進行了深入的研究。并在高鐵牽引系統中應用了該方法。根據虛擬主軸控制、交叉耦合控制、主從控制和同等控制的特點，設置在同等條件下，針對各種控制法的特點進行仿真實驗。經過試驗，結論證明在同等條件下，虛擬主軸控制法的效果明顯比其它三種控制方法要好，在同步跟蹤性能方面，虛擬主軸控制法更具優勢。而針對在運用虛擬主軸控制法所存在超調情況的問題，有研究人員提出了新的解決方案，提出分別控制電機對起動階段和運行過程的解決辦法。在電機工作過程中，對起動階段所產生的誤差，進行補償的方法來消除誤差。仿真試驗的結果證明虛擬主軸具有良好的抗擾動性能，能有效保證多電機同步控制。

3 控制策略之間的對比

通過上面的論述，各種控制策略都有各自的優勢和劣勢。傳統的PID控制算法操作簡單方便，有相對固定的控制參數，但是針對非線性控制的情況就顯得有心而力不足，抗干擾性差，控制效果不佳。

環形耦合控制和相鄰交叉耦合控制的控制理念相同，通過耦合相鄰的電機形成一個耦合環，電機的數量多少不影響到系統的同步運行。耦合控制控制法是通過兩臺電機之間的補償來實現同步控制的目的。耦合控制法具有良好的外部擾動收斂性、同步控制性、動態性、魯棒性和抗干擾性。

而自抗擾控制上具有控制算法簡單的特點，控制對象模型的情況不影響到它的控制性。而且它具有良好的跟蹤效果，較快的響應速度和解耦性。

負載抗干擾性強和負載能力高是虛擬主軸控制的特點，而且虛擬主軸控制具有優秀的同步跟蹤功能，較快的動態響應速度。因此，虛擬主軸控制法具有較好的機械軸上同步控制性。

4 結語

隨著我國制造業水平不斷發展進步，機械設備的功能越來越強大，為保證機械設備的有效運行，特別是大型機械設備的使用，必須依靠多電機的共同協作。因此，必須高度重視多電機共同控制策略的研究，通過有效的控制策略來保證多電機的協同作業，為機械設備提供穩定不間斷的動力支持，保證機械設備的高速高效運轉。