（機械設(shè)計及理論專業(yè)論文）多電機同步控制系統(tǒng)的研究.pdf

摘要 論文題目 多電機同步控制系統(tǒng)的研究 學科專業(yè) 機械設(shè)計及理論 研究生 萬亞斌 導師 李鵬飛副教授 摘要 i l i i i i j i i f i j i i i i i i f j l i i l i i i i i i i f 帥 y 2117 5 31 簽名 五亞斌 簽名 孿璺墾堡壘 多臺電機同步控制技術(shù)在高速高精度機械傳動系統(tǒng)中已得到廣泛應用 如何保證多電 機傳動精度的精確同步性是同步控制系統(tǒng)的核心問題 本文從多電機同步控錆u 系統(tǒng)硬件實 現(xiàn) 多電機同步控制策略 模糊自適應p i d 控制算法 控制系統(tǒng)軟件開發(fā)及實驗方面進行 了研究 主要工作和結(jié)論如下 根據(jù)傳動系統(tǒng)的特點 構(gòu)建了多電機同步控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)平臺 對基于p m a c 多 軸運動控制器控制三個直流伺服電機的閉環(huán)負反饋同步控制系統(tǒng)進行了分析 為實現(xiàn)三個 電機的同步控制做好了硬件基礎(chǔ) 建立了直流伺服電機的數(shù)學仿真模型 通過對p i d 算法及現(xiàn)代智能控帶 j 算法研究分析 設(shè)計模糊自適應p i d 控制器和p i d 控制器仿真系統(tǒng) 在基于m a t l a b 軟件的s i m u li n k 環(huán)境 下對直流電機進行了仿真 比較兩種算法的優(yōu)劣性 仿真結(jié)果顯示智能控帛l j 算法性臺邑優(yōu)于 常規(guī)p i d 算法的控制性能 分析并聯(lián)控制 交叉耦合控制等同步策略的電控方式 結(jié)合智能算法 構(gòu)建基于模糊 自適應p i d 補償器的相鄰偏差耦合三電機同步控制模型 并進行仿真 研究了在負載未 知擾動下多電機的同步性及其實現(xiàn)方法 基于p m a c 控制的三坐標平臺 完成了多電機同步控制實驗研究 編鋁i j 了人機界面 軟件與多電機運動程序開發(fā) 實現(xiàn)了p c 機與p m a c 卡通信并控制電機運行 通過對控 制參數(shù)和p i d 參數(shù)設(shè)置調(diào)整并進行運動調(diào)試 分析了電機跟隨誤差和同步誤差 實現(xiàn)了多 軸同步運行 關(guān)鍵詞t 多電機 相鄰偏差耦合 模糊自適應p i d 同步控制 p m a c 運動控偉i j 器 西安理工大學碩士學位論文 t j t l e r e s e a r c ho nt h e m u l t i m o t o r s y n c h r o n o u s c o n t r o ls y s t e m m a j o r m e c h a n i c a id e s i g na n d t h e o w n a m e y a b i nw a n s u p e r i s o r a s s o c i a t ep r o f p e n g f b il i a b s t 陷c t s i g n a t u 陀 址k 出 s g n a t u 怕 衛(wèi)秘 m u i t i m o t 0 瑙s c h r o n o u sc o n 仃0 lt e c h n o l o g yh 鶴b e e nw i d e l y 啦e di 1 1 h i 曲 s p e e da 1 1 d m g h i r e c l s l o nm e c h 砌c m 仃獅s m i s s i o n s y s t e m s t h ec o r e p r o b l e m i i l m u l t i m o t o r s s y n c h r o n o u sc o 仰舊is y s t e mi sh o wt 0 舢t e e l e p r e c i s es y n c m c i t y0 fm u l t i m o t o r s m 協(xié) o 啪n g 嬲p e c t sl l a v cb e e nr e s e a r c h e di i l t h i sp a p e r t l l eh a r d w a r ei i n p l e m e n t a t i o no f m u i t l m o t o r s 驢c h r o n o u sc 0 n 的ls y s t e m t l l es 姍e g ro fm u l t i 帥0 t o r ss y n c n o u s c o n 昀i m e 嘞a d 印 i v ep i dc o n t r o la l g o r i t t l m t i l ed e v e l o p m e n t0 ft h ec o m r o ls y s t e m 鋤d e x p e r i m e n t s t h em a j nw o r k 鯽dc o n c l u s i o n s a r e 懿f o l l o w s ih el l a r d w 玳 p i a t f o 舳 0 fm cm u l t i 咖o t o r s s y n c h r o n 0 啪c o n 的l s y s t e ml l a sb e e n c o n s 蟣1 c t e db 鼬e d0 nt h ec h 牡a c t e r i s t i c s0 ft i i e t m 嚙m i s s i o ns y s t e m a n 羽y z i n gt l l et i l r e ed c m o t o r sc i o s e d 1 0 0 pf e e d b a c ks y n c h r o n o 岫c o n 仃0 ls y s t e m 訛c hu s en l e p m a cm u l t i a x i s m o t l o nc o n 們l l e ri s p r e p a r e df o rm ek 咄岫f o u n 眈i o n0 f 廿l e 她em o t o r ss y n c h f o n o u s c o n t r o ls y s t e m e s 鼬1 1 s h e dt h ed cs e r v om o t o rm a m e m a t i c a ls i i i l u l a t i o nm o d e l t h e 舭刃a d a p t i v ep i d c o n t r o l l e r 柚dp i dc o n t r o l l e rs i m u l a t i o ns y s t e ma 陀d e s i g i lb a s e d o nt l l e 鯽砒y s i s0 ft l l ep i d a i g o n t t l m 觚dm o d e mi n t e l l i g e n tc o n t r o l 羽g o l i i t h n l t h ed cm o t o rh 勰b e e n s i m u l a t e db 鵲e do n m es 1 m u l l n ke n v i r 0 姍e n to f 腳l a bs o 腳礬t 1 1 es i m u l a t i o n r e s u l ti n d i c a t e st l l a t t l l e i n t e l 1 1 9 e n tc o n n o la l g o r i t h m p e 渤砷觚c ei sb e t t e rt h 觚c o n v e n t i o n a lp i d c o n 仃o la j g o r i t h m s b yc o m b 蛐n gm e 鋤a l y s i s0 f 此e l e c t r i cc o n 昀lm e t h o d s s u c h 嬲刪l e ic o n 的l 鋤d c r 0 鼴c o u p l i n gc o n 昀l 塒t l lm ei n t e l l i g e n t 引g o r i t h m t l l ea 由a c e n t d e v i a t i o n c o u p l i n gt h r e e m o t o 硌驢c h r o n 0 憾c o n 仃d lm o d e lt 1 1 a t 啦e s 如t e l l i g e n t 舵巧p i d c o m p e n s a t o rh a sb e e n c o n s 咖c 砌鋤ds i m u l a t e d 1 1 h es c h r o n i c i t r 饑da p p i i c a t i o nm e t h o d0 f m u l t i m o t 0 瑙c o n 仃0 l u n d e rm eu n l l o 姍l o a dd i s t i 曲舶c eh a s b e e n 他s e a r c h e d 廿勰i n go nt i i et i i r e ec 0 0 r d i n a t e sp i a t f o mw h j c hu n d e rt l l ep m a c c o n 缸d l 恤m u l t i m o t o r s y l l c h r o n o u sc o n 昀l 他s e a r c hh 鼬b e e nf i n i s h e d t km 觚 m a c h i 鵬i n t e 慨e 跚d m u j t i m o t o 璐 i i l 西安理工大學碩士學位論文 c o r l 仃o lp r o c e d u r e sw e r ep m g 鞠m m e d t h ec o m m u m c a t i o no fp ca 1 1 dp m a ch a sb e 朗r e a l i z e d b ya 兩u s t i n gt h ec o n 缸d l sa n dp i dp a m m e t e r s 卸dd e b u g g i n gt h es y s t e m m em o t o rf o l l o we r r o r 觚ds y n c h 的n o u se r r o ra r ea n a l y z e da n d 血em u l t i a x i ss y n c h r o n i z a t i o nm o t i o ni sr e a l i z e d k e yw o r d s m u l t i m o t o r a d j a c e n td e v i a t i o nc 0 u p l i n g f u z 巧a d 印t i v ep i d s r i l c h r o n o u s c o n 仃o l p m a cc o n t r o l l e r 1 緒論 l 緒論 1 1 論文背景及意義 隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展 一臺電機控制已不能滿足實際生產(chǎn)要求 如在大功率拖動 系統(tǒng)中 當一臺電機功率驅(qū)動能力不足時 需要兩臺或多臺伺服電機進行同步拖動 多臺 電機同步控制技術(shù)在高速高精度機械傳動系統(tǒng)中已得到廣泛應用 協(xié)調(diào)控制的精度及同步 性問題普遍存在于控制系統(tǒng)中 多電機同步控制關(guān)注于如何解決多軸運動之間的協(xié)調(diào)問題 以達到系統(tǒng)整體性能最優(yōu) 化 在傳動控制系統(tǒng)中 一般多電機保持同步運行主要有以下幾個方面 同步控制運行 中多個電機之間的速度保持一定的比例或者相同 這是最簡單的同步系統(tǒng) 它已經(jīng)被廣泛 應用在冶金工業(yè)中的多軸輥道 大型同步軋機 大型閘門 紡織工廠的紗錠 煤球機 雙 滾筒驅(qū)動的帶式輸送機 造紙機 橋式或者龍門起重機等 另外在現(xiàn)代大型船舶實驗及大 型飛機控制系統(tǒng)中 單臺電機驅(qū)動能力已嚴重不足 多臺大功率電機協(xié)調(diào)同步驅(qū)動已被廣 泛應用 同步控制系統(tǒng)中多電機之間輸出相同相位或者輸出轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角保持恒定的誤 差 如數(shù)控加工設(shè)備 機器人控制等 在這些精密制造設(shè)備中 多電機的同步控制運行直 接影響控制系統(tǒng)的可靠性 安全性及控制精度 1 所以如何保證多電機的同步控制是運 動控制研究領(lǐng)域的重要課題之一 具有非常重要的現(xiàn)實意義和應用價值 1 2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展 圖卜l 同步控制與相關(guān)學科關(guān)系框圖 f i g 1 1t l i er e l a t i o n s h i po fs y n c h r o n o 峭c o n 缸1 0 i 鋤d 他i a t e dd i s c i p i i n e s 多電機同步控制是一個跨學科的綜合性技術(shù) 包含了伺服技術(shù) 電力電子技術(shù) 電氣 傳動技術(shù) 自動控制技術(shù) 機械技術(shù)等多學科的有機結(jié)合 圖卜1 所示為多電機控制與各 學科關(guān)系 表明多電機同步技術(shù)基于多學科的技術(shù)發(fā)展 伺服技術(shù)是單電機閉環(huán)控制的基 礎(chǔ) 它影響著多電機同步控制精度 1 2 1 伺服技術(shù)的發(fā)展 西安理工大學碩士學位論文 伺服控制是現(xiàn)代傳動控制的高端 成為現(xiàn)代控制理論的重要部分 現(xiàn)代伺服技術(shù)的發(fā) 展與電力電子器件技術(shù) 脈寬調(diào)控技術(shù) 制造工藝 d s p 處理器技術(shù) 電機技術(shù)等工業(yè)技 術(shù)的發(fā)展息息相關(guān) 隨著現(xiàn)代化進程的高速發(fā)展 伺服系統(tǒng)已經(jīng)進入了數(shù)字化時代 新型 功率器件 伺服專用模塊 高性能d s p 層出不窮 其數(shù)字化伺服系統(tǒng)的應用也越來越廣 泛 用戶對伺服驅(qū)動技術(shù)的要求也越來越高 結(jié)合國內(nèi)外伺服技術(shù) 產(chǎn)品路線以及市場變 化需求 伺服技術(shù)主要發(fā)展趨勢概括為以下幾個方面 交流化 3 1 交流電機代替直流電機已經(jīng)成為大的趨勢 目前 國內(nèi)外市場上新研發(fā)產(chǎn)品幾乎都是 交流電機系統(tǒng) 由于直流電機技術(shù)自身發(fā)展的限制 交流電機高精度控制技術(shù)的快速發(fā)展 伺服技術(shù)也從直流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向交流伺服系統(tǒng)發(fā)展 國內(nèi)伺服技術(shù)發(fā)展相對較慢 但生產(chǎn) a c 伺服電機的廠家也越來越多 所以 不久的將來 除了某些特定領(lǐng)域?qū)χ绷麟姍C的需 求之外 交流伺服電機將實現(xiàn)普遍化 b 全數(shù)字化 1 數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了一種信息工業(yè)革命 數(shù)字化已成為現(xiàn)代信息社會的基礎(chǔ) 傳 統(tǒng)的模擬控制制約了現(xiàn)代控制理論的控制算法的實現(xiàn) 隨著采用高性能d s p 和高速微處 理器的伺服控制單元的實現(xiàn)應用 伺服系統(tǒng)的數(shù)字化時代已經(jīng)到來 現(xiàn)代先進智能控制算 法進行軟件實現(xiàn)成為可能 代替硬件實現(xiàn)的高昂代價及限制 從而將用軟件伺服控制來代 替硬件伺服控制 促進伺服控制技術(shù)全面數(shù)字化 c 集成一體化 伺服控制系統(tǒng)包括了電機 反饋裝置 控制驅(qū)動等 模塊越多實現(xiàn)起來越不方便 將 各個部分進行一體化集成也成為一種伺服發(fā)展方向 當然將電機 驅(qū)動 控制集成一體也 將會帶來很多挑戰(zhàn) 隨著伺服數(shù)字化的進程 高度集成也將成為一種可能 集成一種通過 軟件進行參數(shù)設(shè)置 就可改變其控制性能的一體化產(chǎn)品 d 智能化 隨著通信技術(shù) 計算機技術(shù) 智能控制技術(shù)等高科技技術(shù)的高速發(fā)展 智能化概念已 經(jīng)成為我們當前工業(yè)社會的主流 伺服智能化也成為一種發(fā)展趨勢 伺服數(shù)字化的進程使 現(xiàn)代大多驅(qū)動器產(chǎn)品都具備了智能化功能 自動檢測故障分析 算法參數(shù)自整定 進行智 能化一鍵調(diào)試等 通用模塊化和網(wǎng)絡(luò)化 早期很多電機產(chǎn)品只支持本公司驅(qū)動器 很多控制器也只支持本公司電機 這樣使用 戶的選擇受到很多限制 隨著工業(yè)技術(shù)市場化的發(fā)展 通用型伺服控制單元配有大量的參 數(shù)設(shè)置菜單功能 可以方便用戶在不改變硬件配置的前提下進行軟件參數(shù)設(shè)置達到各種應 用場合 使用不同的電機 完成工業(yè)設(shè)計要求 通用模塊化也使整套伺服控制系統(tǒng)像裝電 腦那樣方便 快捷 隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的要求 伺服控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化也是變得很重要 將現(xiàn) 場總線 工業(yè)以太網(wǎng)或者專業(yè)局域網(wǎng)及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成于伺服控制系統(tǒng)中 只需要幾根 2 1 緒論 光纜或者網(wǎng)線便可以實現(xiàn)分布式工業(yè)控制 進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸遠程控制 綜上所述 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 一是實現(xiàn)滿足一般工業(yè)控制要求 追求低成本 簡 單通用 少維護等特點 另一個便是高精度 數(shù)字化 高性能 智能化 高速度 網(wǎng)絡(luò)模 塊化的高端控制 以滿足特定用戶高要求 1 2 2 多電機同步控制策略的研究現(xiàn)狀 多電機同步控制系統(tǒng)是跨學科綜合性的研究課題 保持多電機協(xié)調(diào)運行通常有兩種方 式 一種是傳統(tǒng)的機械方式 通過一臺大功率電機驅(qū)動系統(tǒng)總軸 所有驅(qū)動單元通過齒輪 嚙合在總軸上 則輸出為同一個相位信號 由于其結(jié)構(gòu)簡單 機械連接可靠 早前應用較 為廣泛 但機械同步控制方式有很多缺點 首先由于靠齒輪傳動則同步控制精度低 不能 滿足現(xiàn)代控制精度要求 其次機械控制主軸容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象 由于主軸在傳動過程存在 機械摩擦 齒輪磨損會產(chǎn)生機械諧振 當高速運行時諧振會影響系統(tǒng)穩(wěn)定 極易產(chǎn)生共振 且噪音大 機械諧振是不可避免的 則系統(tǒng)動態(tài)性能不穩(wěn)定 同步控制同步性差 還有機 械傳動中 主軸傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩和傳輸距離成反比 要增加轉(zhuǎn)矩則主軸的截面積隨之增大 如 果進行遠距離傳輸 則對工藝要求較高 從而增加控制系統(tǒng)成本 總上 機械傳動同步控 制適合控制精度低 成本不高的場合 另一種是電控方式 即通過控制多臺電機的轉(zhuǎn)角 相位 轉(zhuǎn)速等參數(shù) 實現(xiàn)多電機之間的協(xié)調(diào)運行 與機械傳動相反 電控方式的多電機協(xié) 調(diào)控制更加靈活 目前 多電機同步控制主要在研究在電控方式 如何提高控制精度 滿 足動態(tài)控制要求 一般來說電控方式控制系統(tǒng)主要是由控制器 驅(qū)動器 電機以及檢查裝 置組成 如圖1 2 所示 圖l 一2 控制系統(tǒng)組成框圖 f i g 1 2t h ed i a g 陽m0 fc o n t r 0 is y s t e m 多軸同步控制技術(shù)主要分為非耦合和耦合兩種控制策略 1 2 0 世紀8 0 年代初 l u l l 和z h e n g 提出了主從控制方式 1 從電機跟隨主電機運行 但從電機不能反饋到主電機 主從控制策略屬于非耦合控制 其同步控制精度相對不高 但在實際控制系統(tǒng)應用也較為 廣泛n 1 交叉耦合控制主要應用在現(xiàn)代高精度同步控制系統(tǒng)中 以k o 啪為代表首先提出 交叉耦合控制 隨后很多學者都對交叉耦合控制進行研究改進 其中有k u l k a 玎l(xiāng) i s r i i l i v 觴鋤 等人為代表 研究并發(fā)表了l o 余篇關(guān)于交叉耦合控制的論文n 1 近年來 隨著交叉耦合 控制理論的成熟 交叉耦合控制技術(shù)已應用在機器人控制系統(tǒng)中 取得了高精度運動控制 睜 1 但也對隨機干擾問題并不能很好的解決 有學者通過把自適應前饋控制策略應用到 交叉耦合控制中進行研究仿真 解決系統(tǒng)外界隨機干擾問題 提高動態(tài)抗干擾性n 幻 有 3 西安理工大學碩士學位論文 文獻中介紹了多臺大功率拖動系統(tǒng)中 通過耦合速度補償器實現(xiàn)多臺大功率電機同步控 制 從實驗上實現(xiàn)耦合同步控制 有以多變量非線性強耦合的多電機同步控制系統(tǒng)為研 究對象 實現(xiàn)單神經(jīng)元自適應p s d 控制n 有針對多電機同步控制系統(tǒng)在動載荷情況 設(shè)計自學習和自適應能力的單神經(jīng)元p i d 同步控制算法 實現(xiàn)了良好的同步控制n u 也 有對三電機同步控制實現(xiàn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定p i d 參數(shù)的控制方法實現(xiàn)同步控制 1 釘?shù)鹊?但在這些控制算法的應用都有一定的其局限性n 釘 大多以線性控制對象或者復雜程度不 夠 于是越來越多的人關(guān)注智能控制算法 采用智能變結(jié)構(gòu)控制 模糊自適應控制 變增 益交叉耦合控制等先進控制算法相結(jié)合的方法 來實現(xiàn)這種具有非線性軌跡曲線的跟蹤控 制n 所以智能控制越來越多的應用在多電機控制系統(tǒng)中 以解決多變控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控 制復雜問題 1 2 3 多電機控制算法的研究現(xiàn)狀 同步控制算法是控制系統(tǒng)的核心 直接影響著控制系統(tǒng)的精度性能 控制理論學科的 研究經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論到現(xiàn)代控制理論 再到目前的智能控制理論的發(fā)展過程 經(jīng)過近 百年的發(fā)展 控制算法也從傳統(tǒng)的p i d 算法 到今年來智能控制算法 如 滑模變結(jié)構(gòu) 控制 h 一控制 模糊邏輯 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 專家系統(tǒng) 遺傳算法等等 并且隨著自動控制理 論 計算機技術(shù) 電力拖動技術(shù) 微電子技術(shù)等的發(fā)展 很多先進控制算法已得到了良好 的應用 智能控制是人工智能和自動控制的結(jié)合物 是一類無需人的干預就能夠獨立地驅(qū)動智 能機器 實現(xiàn)其目標的自動控制 智能控制的注意力并不放在對數(shù)學公式的表達 計算和 處理上 而放在對任務(wù)和模型的描述 符號和環(huán)境的識別以及知識庫和推理機的設(shè)計開發(fā) 上 隨著數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 在伺服驅(qū)動器實現(xiàn)智能控制算法軟件編程已成 為現(xiàn)實 但在國內(nèi)還在初級階段 智能控制算法不僅需要強大的處理器運算速度高 而且 還是占用大量的存儲空間 對控制器硬件要求相對較高 一般的控制器例如p l c 的主頻 相對較低 存儲器容量限制 所以其智能算法在p l c 的應用較少 在國外 智能控制器 已發(fā)展相對較為成熟 其控制器控制功能強大 如美國d e i t at a ud a t as y s t e m 公司生產(chǎn)的 p m a c 控制器 是世界上多軸控制器最強大之一 可以進行智能控制算法軟件編程 隨 著經(jīng)濟全球化 中國經(jīng)濟的高速發(fā)展 智能控制的研發(fā)和生產(chǎn)的重心已慢慢轉(zhuǎn)向中國國內(nèi) 目前 進行研究的智能控制算法有 專家控制 滑模變結(jié)構(gòu) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 遺傳算法 模糊控制算法 自適應算法等等 大多都通過運用人工智能 控制理論 計算機學科等相 關(guān)理論技術(shù)結(jié)合進行研究 滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種特殊的魯棒控制方法 由u t 婦 e m e l e y a v i t i 曲等前蘇聯(lián) 學者提出 其本質(zhì)是解決非線性系統(tǒng)的控制問題 1 糾釘 滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點是 對系統(tǒng) 未知干擾的不確定性有很強的魯棒作用 非常適合非線性系統(tǒng)控制 變結(jié)構(gòu)算法簡單 響 應速度快 但有學者提出了滑模變結(jié)構(gòu)控制嚴重的缺點 即抖振伽1 影響了系統(tǒng)的控制 4 1 緒論 動態(tài)性能 近年來 隨著滑模變結(jié)構(gòu)控制的應用 也有很多學者對其抖振進行了抑制研究 并取得很好的效果 h 控制理論由加拿大著名學者z 鋤e s 提出的 后續(xù)經(jīng)過數(shù)名學者數(shù)年的的研究發(fā)展 而成n 它是以基于使用狀態(tài)空間模型的頻率設(shè)計方法為主要特征 對控制系統(tǒng)中外界 未知干擾的不確定性進行研究 從根本上予以解決 經(jīng)過幾十年的發(fā)展 h 控制已經(jīng)被 應用解決很多問題 有學者引用h 控制理論解決大氣污染問題 幻 并取得良好成果 也有學者結(jié)合現(xiàn)代智能控制算法 把自適應控制引用到h 控制進行研究 2 盯 取得小有 成績 隨著研究學者的越來越多 h 控制理論也會越來月成熟 并更加的使用滿足現(xiàn)代 實際需要 1 模糊控制算法是2 0 世紀6 0 年代中期 美國l a z a d e h 教授基于模糊集合論 模糊 邏輯推理和模糊控制語言等理論 結(jié)合專家經(jīng)驗建立的智能控制算法 經(jīng)過多年的發(fā)展 模糊理論已經(jīng)相當成熟 在國外 根據(jù)模糊控制理論研發(fā)的模糊控制器專業(yè)芯片也相繼應 用在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中 并取得了良好的控制效果 隨著信號處理器d s p 高速微處 理器技術(shù)的發(fā)展及模糊控制理論的完善改進 其應用將會更加廣泛曬1 基于模糊p i d 控制的多電機同步控制算法已經(jīng)廣泛應用在實際控制系統(tǒng)中 p i d 算 法易實現(xiàn) 易操作性和智能模糊理論的相結(jié)合 對實際傳動過程中的非線性 時變性以及 隨機干擾等不確定因素得到了良好控制效果 本文采用了模糊自適應控制算法和p i d 相 結(jié)合的同步控制算法 1 3 論文的主要研究內(nèi)容 多電機同步控制就要解決協(xié)調(diào)控制 高精度問題以及在未知擾動情況下如何保持同 步性等問題 通過對多電機同步控制策略及算法進行研究 構(gòu)建基于模糊自適應p i d 算法 的相鄰偏差耦合多電機同步控制模型 仿真分析多電機在隨機未知干擾下的同步控制性 在基于p m a c 運動控制器構(gòu)建的三軸運動控制實驗平臺 根據(jù)控制器本身性能及控制方法實 現(xiàn)三電機同步運行 本文的主要研究內(nèi)容包括以幾個方面 第一章介紹了國內(nèi)外多電機同步控制相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 確立了本文 的研究內(nèi)容及意義 第二章介紹了多電機同步控制系統(tǒng)的組成部分 分析了基于p m a c 多軸控制器控制 三個直流伺服電機構(gòu)建的閉環(huán)負反饋同步控制系統(tǒng) 為實現(xiàn)同步控制搭好硬件平臺 第三章分析研究了p i d 算法及智能控制算法 對直流電機進行數(shù)學建模 構(gòu)建了 基于m a t l a b 軟件的p i d 算法模型和模糊自適應p i d 模型 通過仿真顯示模糊智能算法 較為優(yōu)越 第四章主要討論了多電機同步控制策略 建立了模糊自適應p i d 補償器的相鄰偏 差耦合多電機同步控制模型 通過仿真分析研究多電機在未知干擾下的同步問題 并進行 5 西安理工大學碩士學位論文 了基于p m a c 控制器的多電機同步軟件實現(xiàn) 第五章利用v c 軟件的m f c 基礎(chǔ)類庫 對基于p m a c 控制器的多電機同步控制 進行上位機軟件編程 實現(xiàn)多電機同步控制軟件開發(fā) 并進行了同步控制實驗 第六章對本論文研究內(nèi)容進行了總結(jié) 并對未來研究展望 6 2 多電機同步控制系統(tǒng)硬件組成 2 多電機同步控制系統(tǒng)硬件組成 多電機同步是通過對電機的精確控制 達到多電機速度同步或者相位的精確定位 精 確要求越高其實現(xiàn)難度越大 成本越高 本文采用的是 p c p m a c 運動控制器 結(jié)構(gòu)組成 的多電機同步控制系統(tǒng) 利用p m a c 在工業(yè)控制中的可靠 成熟 穩(wěn)定的軌跡插補能力以 及可以實現(xiàn)多電機高精確同步控制特點 作為硬件系統(tǒng)平臺的核心控制器 降低了開發(fā)難 度 2 1 系統(tǒng)硬件組成 多電機同步系統(tǒng)硬件組成一般包括 上位機 通訊模塊 控制器 電機 驅(qū)動器以及 其它檢測反饋模塊 其結(jié)構(gòu)控制如圖2 1 所示 圖2 1 多電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 f i g 2 ls t 九j c t u r es c h e m a t i cd m w i n go fm 鋤ym o t o r c o n t r o ls y s t e m 2 1 1 上位機及總線通信 控制系統(tǒng)的上位機一般使用的是工業(yè)控制計算機 這種計算機專門為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè) 計 它具有在惡劣環(huán)境下 無人值守時高穩(wěn)定性運行的特點 本控制系統(tǒng)使用研祥i p c 8 1 0 工控機 其具有可靠性 實時擴充性 軟硬件兼容性 系統(tǒng)檢測和自復位功能 上位機和控制器之間 驅(qū)動器與控制器之間 以及驅(qū)動器與驅(qū)動器之間都需要通信進 行快速的實時數(shù)據(jù)交換 下位機一般完成數(shù)據(jù)采集及對裝置的控制 上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理 7 西安理工大學碩士學位論文 及對控制器的控制 所以通信是控制系統(tǒng)不可缺少的功能 常見的總線通訊方式有r s 2 3 2 r s 4 8 5 c j 氣n p i 之o f i b u s 等 i s a i n d u s 仃ys t 鋤d a r da r c m t e c t u r c 工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)總線 一般電腦都有i s a 插槽 它是8 1 6 b i t 的系統(tǒng)總線 最大傳輸速率僅為8 m b s 但允許多個c p u 共享系統(tǒng)資源 由于兼容性好 是上個世紀8 0 年代應用最廣泛的系統(tǒng)總線 一般有i s a 接口的控制器使 用l s a 總線 如本控制系統(tǒng)使用的p m a c 運動控制器是插卡式的 通過i s a 總線與工控 機進行通信 2 1 2 運動控制器 運動控制器是控制系統(tǒng)的c p u 負責和上位機的通信 數(shù)據(jù)交換及電機的運行方式 目前 運動控制器可以總結(jié)為以下四類 第1 類以微處理器作為核心c p u 的控制器 這類控制器主要是以單片機芯片作為處 理器 外圍通過構(gòu)建擴展芯片和搭建電路組成 由于單片機處理速度性能低下 其構(gòu)建的 控制系統(tǒng)精度不高 但相對成本較為低 適合低速運行 控制精度要求不高控制簡單的場 合應用 第2 類專業(yè)運動控制p l c p l c 控制器由于其可靠性高 抗干擾能力強 使用性 強 已經(jīng)被廣泛應用在工業(yè)控制中 目前一些p l c 廠商也把p l c 應用于精確控制系統(tǒng)中 例如施耐德m 2 3 8 p l c 模塊化控制l x m 3 2 a 伺服交流驅(qū)動器和交流伺服電機組成的閉環(huán) 控制系統(tǒng) 而且其驅(qū)動器控制c a n 協(xié)議控制電機 比脈沖控制電機更為安全可靠 第3 類以a s i c 專用芯片作為核心c p u 的運動控制器 這類控制器結(jié)構(gòu)簡單 但 控制精度低 大多只能輸出脈沖信號 而且容易丟失脈沖 不能提供連續(xù)插補功能 也沒 有前饋功能 所以應用前景黯淡 第4 類基于計算機標準總線的開放式運動控制器 它以d s p 或f p g a 作為核心處 理器 由于d s p 處理器速度高 運算快 其處理能力強 開放程度高 運動軌跡控制精 確 通用好等特點 但成本也相對較高 隨著p c 機的發(fā)展和普及 采用 p c 運動控制 器 的模式將是運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 2 1 3 伺服驅(qū)動器及電機 伺服驅(qū)動器用來給伺服電機發(fā)送驅(qū)動命令 其作用類似于作用于普通交流電機的變頻 器 主要應用在高精度定位系統(tǒng)中 是傳動系統(tǒng)的高端 伺服驅(qū)動囂控制原理 伺服驅(qū)動器主要包括整流單元 逆變單元 控制單元及電流運算單元 其工作原理如 圖2 2 所示 現(xiàn)代伺服驅(qū)動器大多采用數(shù)字信號處理器或者高速微處理器作為中央c p u 電源模塊首先把市電通過三相全橋整流電路單元整流成直流電 再經(jīng)過逆變單元驅(qū)動交流 伺服電機 逆變單元主要是電壓型逆變電路實現(xiàn)輸出可控電壓源 對于直流伺服電機可以 8 2 多電機同步控制系統(tǒng)硬件組成 通過由d c d c 轉(zhuǎn)換器及調(diào)幅 a m 電路組成 所以功率驅(qū)動的工作過程可以簡單說是 a c d c a c 變換過程 整流主要是三相全橋可控整流電路 控制模塊主要是進行脈沖發(fā)送 i 0 輸出 串口通信 編碼器輸出的數(shù)據(jù)處理 圖2 2 伺服驅(qū)動器工作原理圖 f i g 2 2w o r kp r i n c i p l e0 fs e i v 0d r i v e 伺服驅(qū)動器一般可以采用位置 速度和力矩三種控制方式 其中速度和轉(zhuǎn)矩控制都是 用模擬量來控制 位置控制是通過發(fā)脈沖來實現(xiàn) 其控制原理如圖2 3 所示 圖2 3 伺服控制原理圖 f i g 2 3s e r v oc o n 臼d lp r i n c i p l ed i a g 啊m l 力矩控制是通過外部模擬量的輸入設(shè)定電機主軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩大小 要改變力 矩大小可以即時改變模擬量的設(shè)定 參數(shù)內(nèi)部設(shè)定或者通過總線方式改變對應地址數(shù)值來 實現(xiàn) 力矩控制對應于伺服控制的電流環(huán) 通過檢測驅(qū)動器給電機的輸出電流 反饋給電 流設(shè)定進行p i d 調(diào)節(jié) 電流環(huán)就是控制電機轉(zhuǎn)矩 電流環(huán)是三個控制環(huán)的基礎(chǔ) 每個環(huán) 節(jié)都需要電流環(huán)的支持調(diào)節(jié) 9 西安理工大學碩士學位論文 2 速度控制是根據(jù)模擬速度指令的電壓值與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系進行轉(zhuǎn)速控制的 可以 通過模擬量的輸入或者脈沖頻率來實現(xiàn) 對應于伺服控制的速度環(huán) 其中 速度環(huán)是伺服 控制的內(nèi)環(huán) 包含了電流環(huán) 通過檢測編碼器的反饋進行p i d 調(diào)節(jié) 3 位置控制一般是通過外部輸入的脈沖頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小 實際應用中主 要是通過接受脈沖信號的伺服或者步進放大器實現(xiàn)位置控制 其位置給定主要是通過脈沖 輸入和總線兩種方式 位置環(huán)是在驅(qū)動器和電機編碼器間構(gòu)建最終負載調(diào)節(jié) 其運算量最 大 動態(tài)響應慢 b 電機 電機是控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的動力源 作用將控制信號轉(zhuǎn)化為負載位移 來完成具體的 運動 最常用的伺服電機類型有 直流 d c 伺服電機 交流 a c 伺服電機和步進電 機 交流伺服技術(shù)高速發(fā)展 取代直流電機已是大勢所趨 但直流電機在低速 高精度的 特性是其他電機無法所替代的 許多高精度控制應用場合上還需要直流伺服電機技術(shù)的支 持 直流伺服電機的發(fā)展已經(jīng)完全實現(xiàn)了數(shù)字化并且在實際控制系統(tǒng)中應用成熟 本系統(tǒng) 使用了美國c o p l e y 公司生產(chǎn)的4 1 2 c e 直流伺服驅(qū)動器和c m c 公司生產(chǎn)的p l a t e f o r r n 2 6 0 0 系列直流伺服電機 作為p m a c 運動控制器的命令執(zhí)行單元 2 1 4 檢測反饋裝置 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中 將輸出量通過檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較來減小 系統(tǒng)運動誤差 達到高精控制 其中檢測反饋元件包括了傳感器 編碼器 測速機等 測速電機 測速電機實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速測定 也被稱為速度傳感器 現(xiàn)代伺服電機一般都集成了測速 電機 通過被測機構(gòu)與測速機同軸連接 根據(jù)檢測輸出電動勢來獲得測量電機的轉(zhuǎn)動速度 其輸出電壓正比于轉(zhuǎn)速 b 光柵尺 光柵尺全稱為光柵位移傳感器 是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置 位移閉 環(huán)控制中 可以通過編碼器 感應同步器 光柵等位移檢測元件將位移量和位移方向通過 電信號輸出的方式進行負反饋 本文采用了直線光柵尺作為位移反饋裝置 由于其動態(tài)性 能 運行速度可靠性高等特點 深受高精度控制系統(tǒng)青睞 2 2 同步控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn) 本同步控制系統(tǒng)采用了p m a c 作為主控制器 使用了三個伺服直流電機和配套驅(qū)動器 其組成的同步控制系統(tǒng)如圖2 4 所示 其中 伺服驅(qū)動器和伺服直流電機通過測速機構(gòu)成 速度半閉環(huán)反饋控制 光柵通過對執(zhí)行機構(gòu)末端運動位移檢測反饋形成位置閉環(huán)控制系 統(tǒng) l o 2 多電機同步控制系統(tǒng)硬件組成 圖2 4p m a c 的三電機同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 f i g 2 4s 廿u c t u 陀0 ft i l i em o t o rs y n c h r o n o 吣c o n h 0 ls y s t e m sa b o u tp m a c 2 2 1p m a c 控制器 e p a n s i o n 模擬量il 多路復用端口li lim c r o 光纜口i串行端口li顯示螭口il手輪接口ll 比較輸出口 t 一 甜1 6 1 2 b r r a d c i d o 緩存 il 緩存 d s p g a t e2 i o a s i c l o 緩存 埋存 ii d 砌v e r s s e r i a l c o m m u n i c a 丁i o n s n n t r f a c e s r m 1 2 b k 2 4 a c t l v e m e m o r y n a s h 5 1 2 k g 兀r m w r e u s e rb a c k u p c p u 2 4 b i t 4 6 0 8 0m h z d s p 5 6 0 0 2 d p r a m 8 k 1 6 i n t e r f a c e o 鰣呻2 w t c h d o g 1 1 m e r b u s c o m m u n l c a o n s i n t e r f a c e d s pg a t e i 4 c h c i s e r v o a s i c l n p u l y o u t p u t b u f f e i t s a c h l n e p o r t 4 a c i n n e p o r t 3 w a t c h d o g t i m e r d s pg a t e i i n p ir r o u t p l r r 8 u 兀毛l 岱 m c h i n e p o r t 2 a c h i n e p o r t l b u sp o r r 圖2 5p m a c 控制器結(jié)構(gòu)原理圖 f i g 2 5s t r u c t u m lc h a no fp m a c c o n 仃0 i l e r l em u l t i a x i sc 0 n 們l l e r 是美國d e l t at a u 公司開發(fā)的一款高性 l l 西安理工大學碩士學位論文 能多軸同步運動控制器 是世界上最強大的控制器之一 p m a c 控制器的硬件結(jié)構(gòu)原理 如圖2 5 所示 p m a c 控制器使用了d s p g a t e 門陣列i c 每個門陣列可以同時連接4 路電機 每 個p m a c 控制器支持4 個d s p g a t e 門陣列 所以p m a c 控制器如果不給電機換向的話 可以同時控制1 6 路電機 p m a c 控制器采用m o t o r o l a 的d s p 5 6 3 0 0 作為c p u 就是一臺 完整的計算機 具有獨立的內(nèi)存 可以通過存儲在它內(nèi)部的程序進行單獨操作 它還是一 臺實時的 多任務(wù)的計算機 同時執(zhí)行多個任務(wù)并能夠進行優(yōu)先級排序的能力 在處理時 間和任務(wù)切換的復雜性這兩個方面大大減輕主機和編程器負擔 p m a c 運動控制器最重 要的任務(wù)是按照運動程序順序地執(zhí)行運動程序 而且提供了用戶編寫 p l c 程序 的能力 并進行所有運動命令的計算 可以滿足運動控制 離散控制 同主機交互等數(shù)控系統(tǒng)的基 本功能 與其他運動控制器相比 p m a c 的最大特點是開放性 因此具有較好的適用性 和靈活性 p m a c 控制器主要有p m a c l 第一代 p m a c 2 第二代 和t u r b o p m a c 等系列 本文使用的是p m a c 2 中的p c 1 0 4 多軸運動控制卡 該卡可以同時控制四個電機同步運 動 主頻高達4 0 m h z 有5 1 2 k 的閃存和1 2 8 k 的靜態(tài)存儲器 同時提供了伺服控制 p l c 數(shù)據(jù)采集等主要功能 可以滿足伺服運動控制 離散控制 同主機交互運行等數(shù)控系統(tǒng)的 基本應用 2 2 2 硬件連接 同步控制系統(tǒng)中 硬件連接的實現(xiàn) 首先將p m a c 2 a p c 1 0 4 插入研祥工控機i s a 總線插槽內(nèi) 本卡需要1 2 個插槽 會出現(xiàn)i s a 驅(qū)動安裝向?qū)?同時要選擇通訊方式 p m a c 控制器主要有p c i u s b 以太網(wǎng) i s a 及串口通訊方式 本系統(tǒng)采用了i s a 總線與p c 通訊 如圖2 2 所示 圖2 石p m a c 驅(qū)動通信向?qū)?f i g 2 6p m a c d r i v ec o r i u i l u n i c a t i o nw i z a j d 使用i s a 總線插槽可以給p m a c 控制器提供 5 v 電源 再不需要額外電源 然后利 用p m a c 控制器自帶a c c 一8 p 轉(zhuǎn)接板與伺服驅(qū)動器 光柵尺 限位開關(guān)等外部設(shè)備相連 接 p m a c 控制器與a c c 8 p 轉(zhuǎn)接板實物如圖2 7 所示 1 2 2 多電機同步控制系統(tǒng)硬件組成 圖2 7p m a c 控制器與擴展板外觀圖 f i g 2 7t h er e a lf i g u r eo f p m a cc o n t r o l l e ra n de p a n d e dp l a t e p m a c 卡與單個伺服驅(qū)動器 直線光柵尺 限位開關(guān)的具體連接如圖2 8 所示 a c c 8 p 驅(qū)動器 d a c n r e f m o t o r d a c n r e f t a c h 電機 p m a c t a c h g n d m o t o r 玄 1卜 主 東 l i m o z l i m n jj c h n i 光柵尺i c o m 2 4 v c o m 直流電源 圖2 8 單軸伺服接線圖 f i g 2 8c o n n e c t i o nd i a g r a mo fs i n 舀es e r v oa x i s a c c 8 是p m a c 運動控制器自帶的轉(zhuǎn)接板 有6 0 個接口實現(xiàn)與外部設(shè)備連接 保護 控制器免受磨損 在本運動控制系統(tǒng)中 用2 4 v 直流電源給轉(zhuǎn)接板提供電源 c o p l e y 直 流驅(qū)動器采用速度模式實現(xiàn)驅(qū)動電機 測速電機通過驅(qū)動器1 a c h 端子實現(xiàn)速度反饋 控制器通過電壓模擬輸出通道控制驅(qū)動器 位移反饋使用直線光柵尺 由于位移反饋信號 一般都需要較長距離傳輸 所以為增強反饋信號的干擾能力 采用屏蔽線作為傳輸線 限 位開關(guān)是保護運動控制安全性 p m a c 控制器有軟限位和硬限位保護 硬件限位通過安 裝限位開關(guān)安裝在控制軸的兩末端 當限位信號被觸發(fā) 則反饋控制器中發(fā)送停止命令 軟限位通過設(shè)置軟件地址i x l 3 和i x l 4 的參數(shù)對硬限位的補充 從而實現(xiàn)對控制系統(tǒng)進行 雙重保護 限位開關(guān)的極性具有方向性 安裝時注意應把 l i m 對應正向移動 l i m 對 應負向移動 西安理工大學碩士學位論文 2 2 3 電氣控制設(shè)計 本系統(tǒng)電機設(shè)計電路主要實現(xiàn)控制系統(tǒng)啟動 系統(tǒng)回路保護 電機緊急制動以及設(shè)備 電源供電等 控制回路元器件主要包括了交流接觸器實現(xiàn)電路自鎖 常開啟動按鈕和常閉 關(guān)閉按鈕以及開關(guān)帶指示燈 當在緊急情況下按下紅緊急制動按鈕斷開系統(tǒng)電源供電從而 實現(xiàn)保護設(shè)備人身安全 其電氣控制電路如圖2 9 所示 圖2 9 電氣控制電路圖 f i g 2 9e l e c t r i c a lc o n t r o id i a g 陷m 2 2 4 三軸運動控制實驗裝置 圖2 1 0 三軸運動控制實驗裝置 f i g 2 10t h r e e a i sc o n n o lp i 晌咖 本文實驗平臺如圖2 1 0 所示的三軸運動控制實驗裝置 該裝置主要由控制臺 工作 臺 中央滑架 龍門架 傳動機構(gòu)及導軌組成 是一個位置多軸控制系統(tǒng) 工作臺主要是 1 4 2 多電機同步控制系統(tǒng)硬件組成 實現(xiàn)支撐和作業(yè)功能 控制臺進行運動控制 工作臺的x y z 三軸均采用靜壓氣浮導 軌 分別使用了無牙螺桿傳動 滾珠絲杠傳動和同步帶傳動 在運動過程中 通過x 軸 電機驅(qū)動無牙螺桿傳動帶動龍門架沿導軌進行x 方向直線運動 y 軸在電機2 的驅(qū)動下 通過滾珠絲桿傳動進行直線運行 z 軸在電機3 驅(qū)動下通過同步帶傳動進行z 方向直線運 行 2 3 本章小結(jié) 本章主要進行多電機硬件平臺分析研究 通過對p m a c 運動控制器 直流電機及其 檢測裝置的熟悉 詳細介紹了構(gòu)建的多電機同步控制平臺硬件組成以及各主要部件的連接 方式 實現(xiàn)其同步控制三個伺服直流電機的閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng) 西安理工大學碩士學位論文 3 模糊自適應p i d 控制算法研究與仿真 p i d 控制由于它簡單 魯棒性好以及高可靠穩(wěn)定性 被廣泛應用在工業(yè)控制中 尤其 是在線性系統(tǒng)中 然而現(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng)都為非線性系統(tǒng) 為解決非線性性 隨著科技發(fā)展 人類越來越多應用了智能控制系統(tǒng) 如 專家p i d 控制 自適應控制 模糊控制等算法 目前 隨著智能控制理論的發(fā)展 智能控制器的使用也越來越多 3 1p i d 控制算法 p i d p r o p o r t i o n 甜i i l t e g r a ld i f l e r e n t i a l 控制的實質(zhì)是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中根據(jù)反饋計算 的輸入偏差按比例 積分 微分的函數(shù)關(guān)系進行運算調(diào)節(jié) 使輸出達到控制狀態(tài) p i d 控 制由于它的結(jié)構(gòu)簡單 參數(shù)易于調(diào)整 成熟穩(wěn)定等特性 目前 工業(yè)上9 0 左右的控制 回路都采用了p i d 控制算法 3 1 1p i d 控制原理 p i d 控制是一個閉環(huán)反饋控制 它包含比例p 微分d 積分i 控制 可以是獨立控 制算法如比例p 控制 也可以根據(jù)實際控制系統(tǒng)進行組合應用如p i p d 控制等 但一般 積分和微分控制不能單獨使用 圖3 1p i d 控制系統(tǒng)原理圖 f i g 3 lp r i n c i p i eo fp i dc o n 打o ls y s t e m p i d 控制系