船用控制手柄多電機(jī)同步控制技術(shù)

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 連雪海

寧波財經(jīng)學(xué)院 馬 勰

浙大寧波理工學(xué)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(jīng)學(xué)院 張威巍

浙大寧波理工學(xué)院 白 杰 馬修水

船舶工業(yè)是現(xiàn)代綜合性產(chǎn)業(yè)之一，為國防建設(shè)、海洋資源開發(fā)和水上交通運輸?shù)刃袠I(yè)提供相應(yīng)的技術(shù)裝備，產(chǎn)品技術(shù)密集，產(chǎn)業(yè)鏈長，可以對海洋資源勘采、機(jī)電設(shè)計制造、材料及航運等上、下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到帶動作用。船用控制手柄是一種用于遠(yuǎn)程操縱的船用控制設(shè)備，是船舶自動化、信息化中重要組成部分，廣泛應(yīng)用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)、港口機(jī)械、液壓控制等領(lǐng)域。目前，國內(nèi)船舶控制手柄與國外先進(jìn)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(chǎn)品如隨動型、主從控制型較少，價格昂貴，且國外進(jìn)口產(chǎn)品供貨周期長，運維服務(wù)不方便。為了提高我國船舶工業(yè)水平，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)開展船舶控制手柄的研制，但起步較晚，產(chǎn)業(yè)化企業(yè)少，且大多數(shù)適用國內(nèi)低端的船舶市場，急需技術(shù)提升。

多電機(jī)同步控制是船用控制手柄研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)之一，該技術(shù)已經(jīng)在造紙業(yè)、印刷業(yè)、工業(yè)機(jī)器人以及工業(yè)生產(chǎn)線等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在船用控制手柄的開發(fā)中，多手柄之間構(gòu)成了多電機(jī)同步控制系統(tǒng)，手柄之間同步控制是技術(shù)難點之一。早期的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)一般采用非耦合控制方式，控制策略主要針對單個電機(jī)，對各個電機(jī)的控制是由相對獨立的速度控制器、位置控制器等實現(xiàn)。在無擾動情況下，控制系統(tǒng)具有良好的同步性，但是，一旦系統(tǒng)受到外界的干擾，系統(tǒng)調(diào)整困難，會造成多電機(jī)同步控制系統(tǒng)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(jìn)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(jī)同步控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。本文結(jié)合企業(yè)的研發(fā)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(jī)控制技術(shù)，以及與其相關(guān)的數(shù)字濾波技術(shù)。

1 船用手柄多電機(jī)同步控制技術(shù)

1.1 并行控制

并行控制原理如圖1所示，是最基礎(chǔ)的多電機(jī)同步控制，屬于非耦合控制，系統(tǒng)中每臺電機(jī)之間沒有耦合關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)運行時，若某一臺電機(jī)受到外界的擾動，會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的嚴(yán)重失調(diào)。

1.2 主從控制

為了增強(qiáng)多電機(jī)控制系統(tǒng)中電機(jī)之間的耦合性，當(dāng)被控電機(jī)超過兩臺時，設(shè)計主從控制可以彌補(bǔ)并行控制的缺陷。主從控制可分為一主多從結(jié)構(gòu)和多主多從結(jié)構(gòu)。圖2為一主多從結(jié)構(gòu)，主電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動及時傳遞給各臺從電機(jī)，從電機(jī)讀取主電機(jī)信息，按照設(shè)計的控制算法調(diào)整從電機(jī)的轉(zhuǎn)速。一主多從控制系統(tǒng)只能適應(yīng)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動，無法對從電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動做出反應(yīng)。多主多從結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)電機(jī)之間具有耦合關(guān)系，圖3為兩主多從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中，相鄰的兩臺電機(jī)其中一臺為主電機(jī)另一臺為從電機(jī)，控制系統(tǒng)中各臺電機(jī)之間具有耦合關(guān)系，每臺電機(jī)可能既是主電機(jī)也是從電機(jī)。

圖1 并行控制結(jié)構(gòu)圖

圖2 一主多從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)不分主從電機(jī)，如圖4所示，取控制系統(tǒng)中兩臺電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速信號差值作為補(bǔ)償量分別對兩臺電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，通過耦合作用和控制相對運動參數(shù)實現(xiàn)同步控制。圖4中，綜合考慮了控制系統(tǒng)中兩臺電機(jī)之間的相互影響，通過軟硬件協(xié)調(diào)，設(shè)計解耦算法，減少時延，保障系統(tǒng)的同步。交叉耦合控制結(jié)構(gòu)適用只有兩臺電機(jī)的被控系統(tǒng)，對于三臺及以上電機(jī)的控制系統(tǒng)不適用。

圖3 兩主多從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 交叉耦合控制結(jié)構(gòu)

1.4 偏差耦合控制

基于交叉耦合控制不能適應(yīng)3臺以上電機(jī)同步控制系統(tǒng)控制問題，對于3臺及以上電機(jī)的同步控制，在交叉耦合控制的基礎(chǔ)上改進(jìn)完善，研發(fā)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(jī)速度給定值是相同的，根據(jù)每臺電機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，偏差耦合補(bǔ)償信號是由1臺電機(jī)的反饋與其他2臺電機(jī)反饋偏差乘以相應(yīng)的增益之和得到控制器的輸入信號。

圖5 偏差耦合控制結(jié)構(gòu)

偏差耦合控制系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載擾動等因素引起電機(jī)1的速度波動時，系統(tǒng)中另外2臺電機(jī)也會受到電機(jī)1波動的影響，其速度也會相應(yīng)地變化，其反饋信號作為速度補(bǔ)償器1的輸入，再與給定、電機(jī)1的轉(zhuǎn)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(shè)計的控制規(guī)律下調(diào)節(jié)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速；同理，當(dāng)電機(jī)2或3轉(zhuǎn)速波動時，通過偏差耦合，實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。因此，系統(tǒng)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(jī)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(jī)。因此，當(dāng)其他電機(jī)出現(xiàn)較大的跟隨誤差時，控制系統(tǒng)的過渡過程較慢，造成系統(tǒng)同步性能的下降，需要研發(fā)更加合適的控制方式。

2 數(shù)字濾波技術(shù)

在航用手柄多電機(jī)控制系統(tǒng)中，不可避免會產(chǎn)生很多隨機(jī)干擾信號，如各種電器噪聲干擾等。在船用控制手柄的設(shè)計過程中，還需要考慮采集傳感器數(shù)據(jù)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(chǎn)生手柄的振動也會具有隨機(jī)干擾，隨機(jī)干擾不能通過一個確定的數(shù)學(xué)模型來描述，也不能準(zhǔn)確地預(yù)測，可通過統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行分析和研究。

對于隨機(jī)干擾，可以用數(shù)字濾波的方法削弱或者消除。所謂數(shù)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(shù)字濾波實際是通過軟件進(jìn)行濾波。

目前常用的數(shù)字濾波算法有：

（1）算術(shù)平均濾波；（2）加權(quán)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(quán)遞推平均值濾波。

數(shù)字濾波技術(shù)能夠很好地過濾傳感器采集時產(chǎn)生的噪聲，讓采集到的傳感器數(shù)據(jù)更加具有準(zhǔn)確性，有利于電機(jī)的閉環(huán)控制。

3 小結(jié)

綜上所述，船用手柄多電機(jī)同步控制技術(shù)可以歸納為以下幾點：

（1）提高跟蹤精度。跟蹤精度是系統(tǒng)綜合性能評定的重要指標(biāo)，需要不斷利用計算機(jī)軟硬件最新的技術(shù)、優(yōu)化控制和信號處理算法，不斷提高控制系統(tǒng)的跟蹤精度，滿足多電機(jī)同步控制的運動協(xié)調(diào)性。

（2）提高實時同步性。在實際應(yīng)用場合，提高抗干擾能力是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的最基本要求。在船舶系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境下，控制參數(shù)發(fā)生漂移是不可避免的，提高多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的魯棒性、保證系統(tǒng)實時的動態(tài)同步性是值得研究的內(nèi)容。

（3）提高動態(tài)響應(yīng)速度。動態(tài)響應(yīng)時間是多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，在實際控制系統(tǒng)中，不但要動態(tài)響應(yīng)速度快，減小過渡過程時間，而且還要超調(diào)小甚至無超調(diào)。

（4）改善負(fù)載特性。優(yōu)化控制策略和算法，提高多電機(jī)同步控制系統(tǒng)控制參數(shù)的適應(yīng)性，保證系統(tǒng)的同步性在負(fù)載變化時影響較小。

（5）提高可靠性和穩(wěn)定性。設(shè)計多電機(jī)同步控制系統(tǒng)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(shè)計、三防設(shè)計等方面滿足系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性需要。