【單片機(jī)控制的多電機(jī)同步系統(tǒng)探析4400字（論文）】

第第7頁(yè)共9頁(yè)單片機(jī)控制的多電機(jī)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(jiàn)的電控制結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn) 2303712.改進(jìn)型控制結(jié)構(gòu) 61589第2章控制算法 9151521.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法 999452.模糊控制算法 9253433.滑?？刂扑惴?95215結(jié)束語(yǔ) 1025910參考文獻(xiàn) 10摘要：在工業(yè)和生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用多電機(jī)同步控制系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)和控制策略對(duì)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率影響很大。本文在期刊文獻(xiàn)檢索的基礎(chǔ)上，分析了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)同步控制技術(shù)的研究，比較了不同控制結(jié)構(gòu)和控制算法的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)后續(xù)研究的主要方向進(jìn)行了總結(jié)。以便對(duì)中國(guó)的多電機(jī)同步控制技術(shù)有更好的了解，為開(kāi)發(fā)領(lǐng)域提供參考。關(guān)鍵詞：同步控制控制結(jié)構(gòu)控制策略多電機(jī)控制引言由于現(xiàn)代社會(huì)一直在提高制造設(shè)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(jī)、高端數(shù)控機(jī)床等，單電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力無(wú)法滿足使用要求，工業(yè)生產(chǎn)中需要對(duì)多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行同步控制。這種驅(qū)動(dòng)要求使同步控制技術(shù)成為研究的對(duì)象。近年來(lái)，人們主要從同步控制結(jié)構(gòu)和同步控制算法兩個(gè)維度來(lái)研究多電機(jī)同步控制技術(shù)。本篇文章在基于期刊論文的基礎(chǔ)上，分析了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)表的與多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)或同步控制算法有關(guān)的研究，并對(duì)其跟蹤精度、同步特性、抗負(fù)荷能力等方面進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)同步控制技術(shù)的研究重點(diǎn)進(jìn)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(jī)同步控制有兩種主要方法：機(jī)械同步和電同步。與機(jī)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(yīng)用。1.常見(jiàn)的電控制結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)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(jī)主令控制系統(tǒng)的框圖。兩個(gè)電機(jī)并聯(lián)在一起，接收系統(tǒng)發(fā)送的相同控制信號(hào)。圖1主令同步方式簡(jiǎn)圖主控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)和停止時(shí)各電機(jī)的同步效果好。其缺點(diǎn)是，整個(gè)控制結(jié)構(gòu)是一個(gè)開(kāi)環(huán)，沒(méi)有補(bǔ)償各電機(jī)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(jī)發(fā)送速度指令，由主電機(jī)提供從電機(jī)的速度信號(hào)。圖2主從同步方式簡(jiǎn)圖主從控制模式的特點(diǎn)是，每個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)的變化只影響后面的電機(jī)，而不影響前面的電機(jī)。由于每臺(tái)電機(jī)的速度信號(hào)是由前一臺(tái)電機(jī)提供的，因此在同步過(guò)程中存在時(shí)間差，尤其是在系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止階段，同步效果最差，只適合采用主從控制方法，這對(duì)電機(jī)實(shí)時(shí)同步的場(chǎng)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(diǎn)，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(bǔ)償，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。在運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)速補(bǔ)償模塊通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差來(lái)調(diào)整每個(gè)電機(jī)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(jiǎn)圖該系統(tǒng)根據(jù)相鄰兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋差對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行補(bǔ)償，以減小同步誤差。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速因負(fù)載擾動(dòng)或環(huán)境因素干擾而變化時(shí)，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(qiáng)。缺點(diǎn)是當(dāng)被控制電機(jī)數(shù)量超過(guò)兩臺(tái)時(shí)，轉(zhuǎn)度補(bǔ)償計(jì)算量大，效果差，所以交叉耦合控制方法不適用于兩臺(tái)以上電機(jī)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(jī)，基于控制最小關(guān)聯(lián)數(shù)的想法，即只考慮兩個(gè)相鄰的電機(jī)，每個(gè)電機(jī)的控制可以被大大簡(jiǎn)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(gè)控制器輸入包含兩路定時(shí)誤差信號(hào)和一路跟蹤誤差信號(hào)，如圖5所示。圖5相鄰交叉耦合控制器結(jié)構(gòu)圖每個(gè)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)思想很簡(jiǎn)單是鄰居交叉耦合控制方法的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)在啟動(dòng)和停止階段可以獲得更好的同步性。然而，電機(jī)之間的關(guān)系體現(xiàn)了系統(tǒng)傳輸外部干擾信號(hào)的方法，因此，它只能依次在相鄰的電機(jī)上傳輸，這將不可避免地導(dǎo)致信號(hào)延遲問(wèn)題，當(dāng)系統(tǒng)中的電機(jī)數(shù)量較多時(shí)，這個(gè)問(wèn)題更為嚴(yán)重。此外，控制器中有許多子系統(tǒng)，這增加了系統(tǒng)的計(jì)算量，降低了系統(tǒng)的同步性能。（5）雙電機(jī)電子虛擬主軸同步控制方式圖6顯示的是雙電機(jī)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(lái)由L?rznle和Valenzuela進(jìn)行完善。虛擬主軸由機(jī)械軸演變而來(lái)，但其不同節(jié)點(diǎn)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(jī)電子虛擬總軸同步方式簡(jiǎn)圖虛擬主軸的電子控制也有固有的缺點(diǎn)：從本質(zhì)上講，單電機(jī)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(gè)電機(jī)的輸出信號(hào)與虛擬主軸的參考輸出信號(hào)之間存在穩(wěn)態(tài)誤差；系統(tǒng)在啟動(dòng)和停止階段或當(dāng)一個(gè)電機(jī)出現(xiàn)負(fù)載故障時(shí)，軸之間會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)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(guò)對(duì)交叉耦合控制方法的一些改進(jìn)，可以得到偏差耦合控制模式。圖7是三臺(tái)電機(jī)偏差耦合控制結(jié)構(gòu)的例子。根據(jù)每個(gè)電機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行改進(jìn)，系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地進(jìn)行速度補(bǔ)償。補(bǔ)償信號(hào)是由每個(gè)電機(jī)的速度反饋差值乘以反饋增益（由系統(tǒng)中每個(gè)電機(jī)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度補(bǔ)償信號(hào)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(guò)渡或負(fù)載中斷導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)之間的速度差。下圖8是其結(jié)構(gòu)圖：圖8第一臺(tái)電機(jī)速度補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)圖從圖8可以看出，第一臺(tái)電機(jī)速度補(bǔ)償器的輸出（1）式中:K12，K13為速度反饋增益，可以補(bǔ)償各電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的差異，其值分別:（2）式中:J1、J2、J3分別為第1、2、3臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在偏差耦合控制方法中，如果其中一臺(tái)電機(jī)的速度由于負(fù)載干擾等原因發(fā)生波動(dòng)，系統(tǒng)中的其他電機(jī)也會(huì)收到波動(dòng)信息并進(jìn)行調(diào)整，因此整個(gè)系統(tǒng)的同步性能良好。同樣，該系統(tǒng)在啟動(dòng)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(diǎn)是，其他電機(jī)的跟隨誤差和它們之間的速度不同步的信息沒(méi)有反饋給被控電機(jī)。如果其他電機(jī)存在較大的跟蹤誤差，受控電機(jī)就會(huì)減速以消除誤差，系統(tǒng)的整體同步性能就會(huì)下降。2.改進(jìn)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(jī)的下列誤差和它們之間的同步誤差并沒(méi)有反饋給被控電機(jī)。考慮到這一缺陷，在評(píng)價(jià)函數(shù)的概念中，當(dāng)信號(hào)發(fā)送到被控電機(jī)時(shí)，采用了系統(tǒng)中每個(gè)電機(jī)的平均速度；以三臺(tái)電機(jī)為例，如圖9所示是改進(jìn)的速度補(bǔ)償模塊。圖9改進(jìn)型速度補(bǔ)償模塊結(jié)構(gòu)在圖9中，N是電機(jī)的數(shù)量，這里對(duì)應(yīng)的是3。改進(jìn)后，如果系統(tǒng)中的電機(jī)速度出現(xiàn)波動(dòng)，補(bǔ)償模塊可以迅速將同步誤差恢復(fù)到零。如果速度波動(dòng)較大，補(bǔ)償模塊中的誤差后的評(píng)估首先起到較大的調(diào)整作用，讓其他電機(jī)更快地跟蹤速度波動(dòng)較大的電機(jī)，然后控制器的控制量創(chuàng)造每個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度逐漸恢復(fù)到同步設(shè)定速度，系統(tǒng)同步誤差，大大減少了錯(cuò)誤和追蹤錯(cuò)誤。用積分滑模器取代速度PI控制器，提高了控制器對(duì)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(bǔ)償器，相應(yīng)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(tái)電機(jī)中速度的最小值，amin是N個(gè)電機(jī)之間的最大加速度，e是第i臺(tái)電機(jī)改進(jìn)策略的速度補(bǔ)償。電機(jī)轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的差值被反饋給每個(gè)電機(jī)，系統(tǒng)的最大加速度與每個(gè)電機(jī)的加速度之間的差值被反饋給每個(gè)電機(jī)，從而提高速度同步誤差的控制效果。在降低負(fù)載速度的情況下電機(jī)之間的同步誤差和跟蹤誤差。圖10同步誤差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)通過(guò)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(lái)補(bǔ)償每個(gè)電機(jī)的統(tǒng)一設(shè)置。其結(jié)構(gòu)如圖11所示。圖11最大值補(bǔ)償結(jié)構(gòu)最大偏差耦合控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，在不平衡負(fù)載的系統(tǒng)中具有出色的同步性能。對(duì)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(jiǎn)單，更容易實(shí)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(jī)同步控制系統(tǒng)中使用，偏差耦合控制方法主要用于三個(gè)或更多電機(jī)的同步控制領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)眾多學(xué)者提出的改進(jìn)策略的比較分析，除了優(yōu)化和改進(jìn)控制結(jié)構(gòu)外，結(jié)合智能控制算法來(lái)提高多電機(jī)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(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，是目前使用最廣泛的。然而，它的自調(diào)諧能力很低，對(duì)非線性、強(qiáng)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(xué)者的關(guān)注，因?yàn)樗恍枰豢貙?duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而且可以適應(yīng)更復(fù)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(luò)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(luò)控制算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量的神經(jīng)元相互連接形成的網(wǎng)絡(luò)。常見(jiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括無(wú)反饋的前向多層網(wǎng)絡(luò)、有反饋前向多層網(wǎng)絡(luò)、層內(nèi)有互聯(lián)的多層前饋網(wǎng)絡(luò)、任意元有聯(lián)接的相互結(jié)合型網(wǎng)絡(luò)等。廣泛使用的誤差反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)帶有隱含層的多層前饋網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)在于其強(qiáng)大的自學(xué)能力和非線性近似能力，其缺點(diǎn)是，獲得網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重需要在大量的數(shù)據(jù)上進(jìn)行訓(xùn)練。對(duì)于有限的經(jīng)濟(jì)投資和高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)，并通過(guò)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(gè)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(xué)模型無(wú)關(guān)。它被廣泛用于過(guò)程控制和更復(fù)雜的系統(tǒng)。然而，如果在一個(gè)比較復(fù)雜的不確定系統(tǒng)中只使用簡(jiǎn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作的依賴性太強(qiáng)，設(shè)置時(shí)間很長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)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(jìn)行有目的的控制。由于滑?？刂茖?duì)參數(shù)變化和擾動(dòng)不敏感，魯棒性強(qiáng)，響應(yīng)速度快等，因此被廣泛用于電機(jī)速度控制中。然而，盡管它的開(kāi)關(guān)特性確保了系統(tǒng)的可靠性，但它也會(huì)導(dǎo)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(bǔ)償器法、加濾波器法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、觀測(cè)器法、模糊法和遺傳算法等。根據(jù)具體問(wèn)題，不同的策略有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，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(wèn)題解決，那么將是提高控制精度的好辦法；算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，參數(shù)易調(diào)節(jié)，響應(yīng)能力快且抗干擾能力強(qiáng)都是自抗擾控制技術(shù)得優(yōu)點(diǎn)。從許多學(xué)者提出的改進(jìn)算法的結(jié)果可以看出，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，我們必須根據(jù)每種算法的特點(diǎn)，互相學(xué)習(xí)對(duì)方的長(zhǎng)處，以滿足實(shí)際項(xiàng)目的需要。結(jié)束語(yǔ)本文通過(guò)對(duì)同步控制結(jié)構(gòu)和控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較和