【單片機控制的多電機同步系統(tǒng)探析4400字（論文）】

第第7頁共9頁單片機控制的多電機同步系統(tǒng)研究目錄TOC\o"1-2"\h\u25341引言 16109第1章控制結(jié)構(gòu) 216691.常見的電控制結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點 2303712.改進型控制結(jié)構(gòu) 61589第2章控制算法 9151521.神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法 999452.模糊控制算法 9253433.滑模控制算法 95215結(jié)束語 1025910參考文獻 10摘要：在工業(yè)和生產(chǎn)中廣泛應用多電機同步控制系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)和控制策略對生產(chǎn)的質(zhì)量和效率影響很大。本文在期刊文獻檢索的基礎上，分析了近年來國內(nèi)外學者對同步控制技術的研究，比較了不同控制結(jié)構(gòu)和控制算法的特點和優(yōu)缺點，并對后續(xù)研究的主要方向進行了總結(jié)。以便對中國的多電機同步控制技術有更好的了解，為開發(fā)領域提供參考。關鍵詞：同步控制控制結(jié)構(gòu)控制策略多電機控制引言由于現(xiàn)代社會一直在提高制造設備和產(chǎn)品質(zhì)量要求，在很多情況下，如大型門吊車、紙膠印機、高端數(shù)控機床等，單電機的驅(qū)動力無法滿足使用要求，工業(yè)生產(chǎn)中需要對多臺電機進行同步控制。這種驅(qū)動要求使同步控制技術成為研究的對象。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來研究多電機同步控制技術。本篇文章在基于期刊論文的基礎上，分析了近年來國內(nèi)外學者發(fā)表的與多電機同步控制結(jié)構(gòu)或同步控制算法有關的研究，并對其跟蹤精度、同步特性、抗負荷能力等方面進行了分析。在此基礎上，對同步控制技術的研究重點進行了總結(jié)，為其提供了發(fā)展方向。第1章控制結(jié)構(gòu)多電機同步控制有兩種主要方法：機械同步和電同步。與機械同步方法相比，電同步方法更靈活、控制精度高等，得到了廣泛的應用。1.常見的電控制結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點電氣控制方法有兩種，分別是為非耦合控制和耦合控制。在以下控制方法中，主令控制屬于非耦合控制，其他屬于耦合控制。（1）主令控制方式主控是最原始的同步控制方法。圖1是雙電機主令控制系統(tǒng)的框圖。兩個電機并聯(lián)在一起，接收系統(tǒng)發(fā)送的相同控制信號。圖1主令同步方式簡圖主控系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，啟動和停止時各電機的同步效果好。其缺點是，整個控制結(jié)構(gòu)是一個開環(huán)，沒有補償各電機速度差的功能，防干擾性能差。(2)主從控制方式圖2顯示了主從同步方法，控制單元向主電機發(fā)送速度指令，由主電機提供從電機的速度信號。圖2主從同步方式簡圖主從控制模式的特點是，每個電機的工作狀態(tài)的變化只影響后面的電機，而不影響前面的電機。由于每臺電機的速度信號是由前一臺電機提供的，因此在同步過程中存在時間差，尤其是在系統(tǒng)的啟動和停止階段，同步效果最差，只適合采用主從控制方法，這對電機實時同步的場合要求低少。（3）交叉耦合控制方式考慮到主同步方案的缺點，Koren在1980年提出了交叉耦合同步的概念。如圖3所示是它的結(jié)構(gòu)圖。其原理是在主令同步結(jié)構(gòu)中加入速度反饋和轉(zhuǎn)速差補償，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。在運行過程中，轉(zhuǎn)速補償模塊通過檢測兩個電機之間的轉(zhuǎn)速差來調(diào)整每個電機的轉(zhuǎn)度，從而為系統(tǒng)提供高同步性能。圖3交叉耦合同步方式簡圖該系統(tǒng)根據(jù)相鄰兩臺電機轉(zhuǎn)速的反饋差對兩臺電機的轉(zhuǎn)速進行補償，以減小同步誤差。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速因負載擾動或環(huán)境因素干擾而變化時，系統(tǒng)能迅速消除轉(zhuǎn)速差，因此交叉耦合控制方法的抗干擾性強。缺點是當被控制電機數(shù)量超過兩臺時，轉(zhuǎn)度補償計算量大，效果差，所以交叉耦合控制方法不適用于兩臺以上電機的同步控制。（4）相鄰交叉耦合控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，Shih等人在2002年提出了相鄰交叉耦合結(jié)構(gòu)。為了控制任何電機，基于控制最小關聯(lián)數(shù)的想法，即只考慮兩個相鄰的電機，每個電機的控制可以被大大簡化。圖4相鄰交叉耦合控制結(jié)構(gòu)圖根據(jù)圖4可以觀察到，在相鄰交叉耦合控制中，每個控制器輸入包含兩路定時誤差信號和一路跟蹤誤差信號，如圖5所示。圖5相鄰交叉耦合控制器結(jié)構(gòu)圖每個電機控制器的設計思想很簡單是鄰居交叉耦合控制方法的優(yōu)點，系統(tǒng)在啟動和停止階段可以獲得更好的同步性。然而，電機之間的關系體現(xiàn)了系統(tǒng)傳輸外部干擾信號的方法，因此，它只能依次在相鄰的電機上傳輸，這將不可避免地導致信號延遲問題，當系統(tǒng)中的電機數(shù)量較多時，這個問題更為嚴重。此外，控制器中有許多子系統(tǒng)，這增加了系統(tǒng)的計算量，降低了系統(tǒng)的同步性能。（5）雙電機電子虛擬主軸同步控制方式圖6顯示的是雙電機電子虛擬主軸同步控制的原理圖。這一策略于1999年首次提出，后來由L?rznle和Valenzuela進行完善。虛擬主軸由機械軸演變而來，但其不同節(jié)點之間的通信不再受到距離的限制，而且具有更高的功率輸出。圖6雙電機電子虛擬總軸同步方式簡圖虛擬主軸的電子控制也有固有的缺點：從本質(zhì)上講，單電機控制回路中的速度環(huán)和位置環(huán)是指比例控制，因此每個電機的輸出信號與虛擬主軸的參考輸出信號之間存在穩(wěn)態(tài)誤差；系統(tǒng)在啟動和停止階段或當一個電機出現(xiàn)負載故障時，軸之間會出現(xiàn)錯位；此外，虛擬主軸的慣量不容易確定。（6）偏差耦合控制方式通過對交叉耦合控制方法的一些改進，可以得到偏差耦合控制模式。圖7是三臺電機偏差耦合控制結(jié)構(gòu)的例子。根據(jù)每個電機的運行狀況進行改進，系統(tǒng)可以動態(tài)地進行速度補償。補償信號是由每個電機的速度反饋差值乘以反饋增益（由系統(tǒng)中每個電機的慣性矩差值決定）而得到。圖7偏差耦合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，系統(tǒng)中每臺發(fā)動機的速度補償信號都是從偏差耦合控制單元的核心獲得的，偏差耦合控制單元是速度反饋模塊，可以消除過渡或負載中斷導致的發(fā)動機之間的速度差。下圖8是其結(jié)構(gòu)圖：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（1）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:（2）式中:J1、J2、J3分別為第1、2、3臺電機的轉(zhuǎn)動慣量。在偏差耦合控制方法中，如果其中一臺電機的速度由于負載干擾等原因發(fā)生波動，系統(tǒng)中的其他電機也會收到波動信息并進行調(diào)整，因此整個系統(tǒng)的同步性能良好。同樣，該系統(tǒng)在啟動或停止階段具有出色的同步性能。偏差耦合控制方案的缺點是，其他電機的跟隨誤差和它們之間的速度不同步的信息沒有反饋給被控電機。如果其他電機存在較大的跟蹤誤差，受控電機就會減速以消除誤差，系統(tǒng)的整體同步性能就會下降。2.改進型控制結(jié)構(gòu)從以上分析可以看出，在傳統(tǒng)的偏差耦合同步控制中，子電機的下列誤差和它們之間的同步誤差并沒有反饋給被控電機。考慮到這一缺陷，在評價函數(shù)的概念中，當信號發(fā)送到被控電機時，采用了系統(tǒng)中每個電機的平均速度；以三臺電機為例，如圖9所示是改進的速度補償模塊。圖9改進型速度補償模塊結(jié)構(gòu)在圖9中，N是電機的數(shù)量，這里對應的是3。改進后，如果系統(tǒng)中的電機速度出現(xiàn)波動，補償模塊可以迅速將同步誤差恢復到零。如果速度波動較大，補償模塊中的誤差后的評估首先起到較大的調(diào)整作用，讓其他電機更快地跟蹤速度波動較大的電機，然后控制器的控制量創(chuàng)造每個電機實現(xiàn)速度逐漸恢復到同步設定速度，系統(tǒng)同步誤差，大大減少了錯誤和追蹤錯誤。用積分滑模器取代速度PI控制器，提高了控制器對速度同步誤差和跟蹤誤差的控制能力。然后引入最大速度同步誤差和最大加速度的概念，構(gòu)建下式的同步誤差補償器，相應結(jié)構(gòu)如圖10所示。（3）式中，Kv是速度系數(shù)，Ka是加速度系數(shù)，為N臺電機中速度的最小值，amin是N個電機之間的最大加速度，e是第i臺電機改進策略的速度補償。電機轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的差值被反饋給每個電機，系統(tǒng)的最大加速度與每個電機的加速度之間的差值被反饋給每個電機，從而提高速度同步誤差的控制效果。在降低負載速度的情況下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)通過結(jié)合主從控制和偏差耦合控制，提出了最大偏差耦合控制。這意味著，系統(tǒng)的最高和最低速度之間的差異被用來補償每個電機的統(tǒng)一設置。其結(jié)構(gòu)如圖11所示。圖11最大值補償結(jié)構(gòu)最大偏差耦合控制的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實施，在不平衡負載的系統(tǒng)中具有出色的同步性能。對上述控制結(jié)構(gòu)的比較分析表明，與耦合控制結(jié)構(gòu)相比，非耦合控制結(jié)構(gòu)更簡單，更容易實現(xiàn)，可用于不那么精確的控制?？刂平Y(jié)構(gòu)和交叉耦合控制方法是合適的。在雙電機同步控制系統(tǒng)中使用，偏差耦合控制方法主要用于三個或更多電機的同步控制領域。通過對眾多學者提出的改進策略的比較分析，除了優(yōu)化和改進控制結(jié)構(gòu)外，結(jié)合智能控制算法來提高多電機系統(tǒng)的同步控制性能也非常重要。第2章控制算法傳統(tǒng)的PID控制算法很簡單，容易實現(xiàn)，是目前使用最廣泛的。然而，它的自調(diào)諧能力很低，對非線性、強耦合系統(tǒng)的控制效果也不太理想。智能控制引起了許多學者的關注，因為它不需要被控對象的精確數(shù)學模型，而且可以適應更復雜的系統(tǒng)環(huán)境。目前廣泛用于同步控制系統(tǒng)的智能控制算法包括神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制和自抗擾控制等。1.神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法神經(jīng)網(wǎng)絡是由大量的神經(jīng)元相互連接形成的網(wǎng)絡。常見的神經(jīng)網(wǎng)絡包括無反饋的前向多層網(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。廣泛使用的誤差反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡是一個帶有隱含層的多層前饋網(wǎng)絡。神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)勢在于其強大的自學能力和非線性近似能力，其缺點是，獲得網(wǎng)絡的權重需要在大量的數(shù)據(jù)上進行訓練。對于有限的經(jīng)濟投資和高系統(tǒng)實時性要求，神經(jīng)網(wǎng)絡算法有很大的局限性。2.模糊控制算法早期的智能控制形式是模糊控制，它吸收了人類思維的模糊性特點，并通過模糊集合理論檢查系統(tǒng)控制方法，包括精確量的模糊化、模糊推理和模糊判決這三個部分。模糊控制本質(zhì)上是一種智能非線性控制策略。它的控制效果與系統(tǒng)的精確數(shù)學模型無關。它被廣泛用于過程控制和更復雜的系統(tǒng)。然而，如果在一個比較復雜的不確定系統(tǒng)中只使用簡單的傳統(tǒng)模糊控制器，精度往往很低，而且模糊控制規(guī)則對現(xiàn)場操作的依賴性太強，設置時間很長，無法實現(xiàn)令人滿意的控制。將模糊控制與其他控制方法相結(jié)合，將獲得更高的性能。3.滑?？刂扑惴ɑ？刂剖怯汕疤K聯(lián)的研究人員Emelyanov和Utkin提出的一種特殊控制方法，它與其他方法的不同之處在于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不固定，狀態(tài)不斷變化，系統(tǒng)按照給定的軌跡進行有目的的控制。由于滑?？刂茖?shù)變化和擾動不敏感，魯棒性強，響應速度快等，因此被廣泛用于電機速度控制中。然而，盡管它的開關特性確保了系統(tǒng)的可靠性，但它也會導致輸出抖振。減少抖振的策略主要分為以下幾類：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、模糊法和遺傳算法等。根據(jù)具體問題，不同的策略有其優(yōu)點和缺點，選擇具體的方法可以有效地消除或抑制抖振現(xiàn)象。在智能控制算法中，如果滑模變結(jié)控制能將抖振問題解決，那么將是提高控制精度的好辦法；算法簡單，實現(xiàn)容易，參數(shù)易調(diào)節(jié)，響應能力快且抗干擾能力強都是自抗擾控制技術得優(yōu)點。從許多學者提出的改進算法的結(jié)果可以看出，對于實際應用，我們必須根據(jù)每種算法的特點，互相學習對方的長處，以滿足實際項目的需要。結(jié)束語本文通過對同步控制結(jié)構(gòu)和控制算法的優(yōu)缺點進行比較和