王超雄

（平頂山煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467099）

大功率隨動(dòng)系統(tǒng)主要應(yīng)用于大型、 重型機(jī)床以及大型武器等系統(tǒng)的測(cè)試。 不同的測(cè)試對(duì)象對(duì)系統(tǒng)的要求存在一定的差別，例如對(duì)精密的重型機(jī)床測(cè)試時(shí)，通常要求系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性與精度， 而對(duì)大型武器系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在要求精度、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上還要求系統(tǒng)具有足夠的響應(yīng)速度和加速度。 而隨動(dòng)系統(tǒng)主要是依靠電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，所以，為了保證系統(tǒng)有足夠的響應(yīng)速度以及響應(yīng)加速度，就需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的控制，從而提高系統(tǒng)的整體性能。

1 隨動(dòng)系統(tǒng)的概念及其電機(jī)的控制

所謂隨動(dòng)系統(tǒng)， 就是指在對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)以任意變化的目標(biāo)指令為基礎(chǔ)進(jìn)行反饋控制的動(dòng)作。 其主要的工作是基于給定的指令信號(hào)，在完成功率放大、變換之后，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備輸出力矩、速度以及位置等的靈活控制，保證驅(qū)動(dòng)設(shè)備響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。

通常，隨動(dòng)系統(tǒng)主要采用單電機(jī)進(jìn)行控制。 但是，使用單電機(jī)存在著響應(yīng)速度受限制的問題， 不能提高整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。 隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，采用多電機(jī)同步控制方式來提高隨動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度成為了可能。 在實(shí)際的應(yīng)用過程中，通過使用多個(gè)小體積、高精度的中等功率電機(jī)來驅(qū)動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)成為當(dāng)前隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)先采用的驅(qū)動(dòng)方案[1]。 通過使用多電機(jī)同步控制，能夠根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行多電機(jī)的切換， 同時(shí)通過對(duì)應(yīng)的控制策略， 消除傳統(tǒng)系統(tǒng)因?yàn)閭鲃?dòng)齒間隙造成的傳動(dòng)響應(yīng)延時(shí)的問題，從而有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)精度。

2 隨動(dòng)系統(tǒng)多電機(jī)同步控制技術(shù)

采用多電機(jī)同步控制系統(tǒng)作為隨動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，即使所選擇的電機(jī)型號(hào)相同，在實(shí)際的運(yùn)行過程中依然會(huì)因?yàn)橥饨缦嚓P(guān)因素以及系統(tǒng)自身參數(shù)的變化而發(fā)生對(duì)應(yīng)的波動(dòng)。 在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，針對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)和控制， 使得多個(gè)電機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際的驅(qū)動(dòng)過程中不會(huì)相互影響。 這種方式雖然保證了電機(jī)之間的獨(dú)立性，但也導(dǎo)致電機(jī)之間的同步性不足， 使得控制系統(tǒng)的整體性受到影響。 這時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中若使用非交叉耦合同步控制測(cè)量方式對(duì)多個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的同步控制， 則可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)之間的相互聯(lián)系， 從而完成電機(jī)之間的聯(lián)動(dòng)控制，保證整個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)的同步性。 在具體的實(shí)現(xiàn)過程中，所采取的控制技術(shù)較多，一般是采用PID 控制策略。通過使用PID 控制器對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制， 借助PID 控制體系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)整定的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足隨動(dòng)系統(tǒng)的基本控制需要[2]。 圖1 所示為PID 控制器在隨動(dòng)系統(tǒng)中的作用原理圖。

圖1 隨動(dòng)系統(tǒng)中PID 控制器作用原理圖

圖中，r（t）表示系統(tǒng)控制信號(hào)輸入，c（t）為系統(tǒng)的輸出控制信號(hào)，u（t）為PID 控制器的輸出控制量。 在系統(tǒng)控制過程中，PID 控制器通過將比例、 積分以及微分控制環(huán)節(jié)線性地組合起來，完成對(duì)控制對(duì)象的控制。 通過使用r（t）與c（t）之間的差值e（t）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并輸出u（t）控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行作用控制，使得被控制對(duì)象隨著輸入信號(hào)r（t）的變化而變動(dòng)[3]。

多電機(jī)同步控制系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行同步控制而設(shè)計(jì)的， 在完成電機(jī)電流環(huán)、 速度環(huán)的校正之后，對(duì)多個(gè)電機(jī)使用偏差耦合方式進(jìn)行同步控制，其中，差速控制是基于PID 控制器的控制原理設(shè)計(jì)的。 在整個(gè)控制系統(tǒng)中， 單個(gè)電機(jī)使用的是電流反饋與速度反饋閉環(huán)控制方式。 三個(gè)電機(jī)之間使用了偏差耦合的方式進(jìn)行連接， 并使用兩個(gè)電機(jī)之間的速度差作為PID 控制器的差速輸入值， 并以反饋量的形式對(duì)兩個(gè)電機(jī)之間的輸入端進(jìn)行差速補(bǔ)償，從而消除兩電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差，使得三個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速達(dá)到同步。

采用PID 作為控制器對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行整定處理之后，能夠得到較平穩(wěn)的同步控制效果。 但是，整個(gè)控制體系存在一定的局限性， 主要表現(xiàn)在控制器三個(gè)參數(shù)之間因?yàn)榭刂谱饔玫南嗷ビ绊懚沟秒S動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度以及響應(yīng)精度都受到影響， 最終使得控制效果受到一定的影響。 但是，對(duì)于普通的隨動(dòng)系統(tǒng)多電機(jī)同步控制，該設(shè)計(jì)方案基本能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

3 隨動(dòng)系統(tǒng)多電機(jī)同步控制方案仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的基于PID 控制器的隨動(dòng)系統(tǒng)多電機(jī)同步控制方案的實(shí)際應(yīng)用效果， 本文使用simulink 對(duì)同步控制方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證， 確認(rèn)其是否能夠滿足隨動(dòng)系統(tǒng)多電機(jī)同步控制的基本需要。

在仿真過程中，PID 控制器的三個(gè)參數(shù)分別為：Kp=100，Tl=1，Td=0.25。仿真計(jì)算得到的多個(gè)電機(jī)在PID 同步控制器下的同步輸出曲線如圖2 所示。

圖2 PID 同步控制器下隨動(dòng)系統(tǒng)多電機(jī)的同步輸出曲線

分析圖2 可知， 圖中虛線表示多電機(jī)系統(tǒng)額定的轉(zhuǎn)速值， 而三條實(shí)線則分別是所控制的三個(gè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測(cè)量值。 在5s 時(shí)， 給隨動(dòng)系統(tǒng)增加了一個(gè)值為60N·m 的干擾力矩， 在10s 時(shí)給隨動(dòng)系統(tǒng)再增加了一個(gè)值為-60N·m 的干擾力矩。 從圖中可知，在沒有受到干擾力矩影響時(shí)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，三個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了同步運(yùn)行，且兩兩之間的誤差基本為零，滿足隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)同步轉(zhuǎn)速誤差在0.5rpm 范圍之內(nèi)的基本要求。 這表明所設(shè)計(jì)的基于PID 控制器的隨動(dòng)系統(tǒng)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)性能滿足基本需要。 但是，在外界干擾因素的作用下，隨動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)出了較為明顯的控制波動(dòng)， 表明控制系統(tǒng)的超調(diào)量較大，而且再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長。 在這個(gè)過程中，多電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)性能變差， 有礙隨動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的保持及相應(yīng)快速性的保證。

4 結(jié)論

在采用偏差耦合同步控制理論的基礎(chǔ)上， 基于PID控制器對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)多電機(jī)同步控制方法進(jìn)行了分析。 并針對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)的三電機(jī)進(jìn)行了同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并使用simulink 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真， 結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的同步控制系統(tǒng)具有較高的精度， 能夠滿足隨動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的同步需要。 但是，系統(tǒng)的整體超調(diào)量較大，容易受到外界因素的干擾，導(dǎo)致同步誤差增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。因此，當(dāng)隨動(dòng)系統(tǒng)精度要求較高時(shí)，可以使用其他的同步控制策略對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

［1］張守娟.隨動(dòng)系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制方法研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

［2］Hu H.Analysis and Simulation of Stochastic Fatigue Reliability for Running System of Self-Propelled Gun ［C］.2011:153-157.

［3］張?jiān)?，周璐?雙電機(jī)消隙技術(shù)在某火炮隨動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（16）：106-108.