船用控制手柄多電機同步控制技術

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 連雪海

寧波財經學院 馬 勰

浙大寧波理工學院 胡可威

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 徐 峰

寧波財經學院 張威巍

浙大寧波理工學院 白 杰 馬修水

船舶工業是現代綜合性產業之一，為國防建設、海洋資源開發和水上交通運輸等行業提供相應的技術裝備，產品技術密集，產業鏈長，可以對海洋資源勘采、機電設計制造、材料及航運等上、下游產業發展起到帶動作用。船用控制手柄是一種用于遠程操縱的船用控制設備，是船舶自動化、信息化中重要組成部分，廣泛應用于船舶推進系統、港口機械、液壓控制等領域。目前，國內船舶控制手柄與國外先進水平相比還存在一定的差距，高端市場由國外知名品牌壟斷，且裝船使用的控制手柄以普通型為主，高端產品如隨動型、主從控制型較少，價格昂貴，且國外進口產品供貨周期長，運維服務不方便。為了提高我國船舶工業水平，國內相關企業開展船舶控制手柄的研制，但起步較晚，產業化企業少，且大多數適用國內低端的船舶市場，急需技術提升。

多電機同步控制是船用控制手柄研發及產業化核心技術之一，該技術已經在造紙業、印刷業、工業機器人以及工業生產線等領域得到了廣泛應用。在船用控制手柄的開發中，多手柄之間構成了多電機同步控制系統，手柄之間同步控制是技術難點之一。早期的多電機同步控制系統一般采用非耦合控制方式，控制策略主要針對單個電機，對各個電機的控制是由相對獨立的速度控制器、位置控制器等實現。在無擾動情況下，控制系統具有良好的同步性，但是，一旦系統受到外界的干擾，系統調整困難，會造成多電機同步控制系統失去同步。耦合控制是一種將同步誤差和跟蹤誤差反饋給控制器進行控制的方法，由于減小了同步誤差和跟蹤誤差，耦合控制在多電機同步控制系統中應用越來越廣泛。本文結合企業的研發實際，主要介紹船用控制手柄并行控制、主從控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制等多電機控制技術，以及與其相關的數字濾波技術。

1 船用手柄多電機同步控制技術

1.1 并行控制

并行控制原理如圖1所示，是最基礎的多電機同步控制，屬于非耦合控制，系統中每臺電機之間沒有耦合關系，當系統運行時，若某一臺電機受到外界的擾動，會導致控制系統的嚴重失調。

1.2 主從控制

為了增強多電機控制系統中電機之間的耦合性，當被控電機超過兩臺時，設計主從控制可以彌補并行控制的缺陷。主從控制可分為一主多從結構和多主多從結構。圖2為一主多從結構，主電機的轉速波動及時傳遞給各臺從電機，從電機讀取主電機信息，按照設計的控制算法調整從電機的轉速。一主多從控制系統只能適應主電機的轉速波動，無法對從電機轉速的波動做出反應。多主多從結構控制系統電機之間具有耦合關系，圖3為兩主多從控制系統結構圖。圖中，相鄰的兩臺電機其中一臺為主電機另一臺為從電機，控制系統中各臺電機之間具有耦合關系，每臺電機可能既是主電機也是從電機。

圖1 并行控制結構圖

圖2 一主多從控制系統結構

1.3 交叉耦合控制

1980，Y.Koren針對雙軸運動平臺提出了交叉耦合同步控制方法，交叉耦合控制結構不分主從電機，如圖4所示，取控制系統中兩臺電機的實時轉速信號差值作為補償量分別對兩臺電機進行補償，通過耦合作用和控制相對運動參數實現同步控制。圖4中，綜合考慮了控制系統中兩臺電機之間的相互影響，通過軟硬件協調，設計解耦算法，減少時延，保障系統的同步。交叉耦合控制結構適用只有兩臺電機的被控系統，對于三臺及以上電機的控制系統不適用。

圖3 兩主多從控制系統結構

圖4 交叉耦合控制結構

1.4 偏差耦合控制

基于交叉耦合控制不能適應3臺以上電機同步控制系統控制問題，對于3臺及以上電機的同步控制，在交叉耦合控制的基礎上改進完善，研發了偏差耦合控制。偏差耦合控制原理如圖5所示，圖中，3臺電機速度給定值是相同的，根據每臺電機的運行狀態進行相應的補償，偏差耦合補償信號是由1臺電機的反饋與其他2臺電機反饋偏差乘以相應的增益之和得到控制器的輸入信號。

圖5 偏差耦合控制結構

偏差耦合控制系統，當負載擾動等因素引起電機1的速度波動時，系統中另外2臺電機也會受到電機1波動的影響，其速度也會相應地變化，其反饋信號作為速度補償器1的輸入，再與給定、電機1的轉速反饋求和比較，得出偏差信號作為控制器1的輸入，控制器1在設計的控制規律下調節電機1的轉速；同理，當電機2或3轉速波動時，通過偏差耦合，實現速度調節。因此，系統在啟動和停止階段也具有良好的同步性能。偏差耦合控制主要不足是：其他電機的跟隨誤差以及互相間的速度不同步信號，沒有反饋給所控制的電機。因此，當其他電機出現較大的跟隨誤差時，控制系統的過渡過程較慢，造成系統同步性能的下降，需要研發更加合適的控制方式。

2 數字濾波技術

在航用手柄多電機控制系統中，不可避免會產生很多隨機干擾信號，如各種電器噪聲干擾等。在船用控制手柄的設計過程中，還需要考慮采集傳感器數據時引入的噪聲和干擾，同時，還要考慮在船舶航行時會受到海浪沖擊，產生手柄的振動也會具有隨機干擾，隨機干擾不能通過一個確定的數學模型來描述，也不能準確地預測，可通過統計規律進行分析和研究。

對于隨機干擾，可以用數字濾波的方法削弱或者消除。所謂數字濾波就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾信號在有用信號的比重，因此數字濾波實際是通過軟件進行濾波。

目前常用的數字濾波算法有：

（1）算術平均濾波；（2）加權平均濾波；（3）滑動平均濾波；（4）中值濾波；（5）一階滯后濾波；（6）加權遞推平均值濾波。

數字濾波技術能夠很好地過濾傳感器采集時產生的噪聲，讓采集到的傳感器數據更加具有準確性，有利于電機的閉環控制。

3 小結

綜上所述，船用手柄多電機同步控制技術可以歸納為以下幾點：

（1）提高跟蹤精度。跟蹤精度是系統綜合性能評定的重要指標，需要不斷利用計算機軟硬件最新的技術、優化控制和信號處理算法，不斷提高控制系統的跟蹤精度，滿足多電機同步控制的運動協調性。

（2）提高實時同步性。在實際應用場合，提高抗干擾能力是控制系統穩定性的最基本要求。在船舶系統惡劣的工作環境下，控制參數發生漂移是不可避免的，提高多電機同步控制系統的魯棒性、保證系統實時的動態同步性是值得研究的內容。

（3）提高動態響應速度。動態響應時間是多電機同步控制系統的重要性能指標，在實際控制系統中，不但要動態響應速度快，減小過渡過程時間，而且還要超調小甚至無超調。

（4）改善負載特性。優化控制策略和算法，提高多電機同步控制系統控制參數的適應性，保證系統的同步性在負載變化時影響較小。

（5）提高可靠性和穩定性。設計多電機同步控制系統硬件和軟件時，除了必須滿足功能要求外，還必須在抗干擾設計、三防設計等方面滿足系統可靠性和穩定性需要。