文/許智勇 王冬華

隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，各行各業(yè)對(duì)機(jī)械設(shè)備的性能質(zhì)量要求也越來越高，許多大型的機(jī)械設(shè)備必須依靠多臺(tái)電機(jī)的共同協(xié)作才能保證生產(chǎn)的順利完成。由此可見，單臺(tái)電機(jī)的使用已無法適用機(jī)械設(shè)備的發(fā)展需要，由于多臺(tái)電機(jī)在共同協(xié)作時(shí)，會(huì)存在位置、速度約束的問題，所以需要采用一定的辦法來改善多電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)效率和質(zhì)量。

1 多電機(jī)同步控制的措施

機(jī)械設(shè)備加工控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分是傳動(dòng)控制。機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行需要多個(gè)軸的共同傳動(dòng)協(xié)作，電動(dòng)機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)軸的功能就是控制這些軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。保證電機(jī)的正常運(yùn)行。在傳動(dòng)系統(tǒng)的同步控制技術(shù)包括多種技術(shù)方法。它們分別主從控制、偏差耦合控制、虛擬總軸控制、交叉耦合控制和并行控制。

1.1 并行控制

并行控制又稱為同等控制，高速控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，會(huì)以同一速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦系統(tǒng)存在負(fù)載嚴(yán)格相同的情況，就能保證同步控制。這種控制辦法側(cè)重于控制實(shí)際速度和理論速度的誤差，不太注重于不同電機(jī)間的誤差情況。利用并行控制法時(shí)，多電機(jī)在停止、起動(dòng)階段具有良好的同步性，這是并行控制策略的優(yōu)勢(shì)。但是在這種控制法下，整個(gè)系統(tǒng)如同處于開環(huán)控制中，如果系統(tǒng)一旦受到外界因素干擾，容易降低其同步性能，不能有效保證電機(jī)的同步控制性能，影響電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量和效率。

1.2 主從控制法

電機(jī)在運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)速輸入?yún)⒖贾敌枰麟姍C(jī)的輸出。以此方法來保證從電機(jī)能與主電機(jī)速度同步運(yùn)行。由于從機(jī)和主機(jī)的轉(zhuǎn)換反饋環(huán)節(jié)不存在于主從控制法中，因此在具體的實(shí)際操作中，電機(jī)如果具有轉(zhuǎn)多慣量大的特點(diǎn)，那種就選擇此種電機(jī)作為主機(jī)，屬于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小電機(jī)，則作為從機(jī)。

1.3 虛擬主軸控制法

這種控制法最早是由西方國(guó)家的研究人員提出的。該控制是基于利用相對(duì)剛度控制的特點(diǎn)，經(jīng)西方研究人員Lorenz和Valenzula的深化擴(kuò)展而成的。該控制通過模擬機(jī)械總軸的功能，利用其同步運(yùn)行的特點(diǎn)，當(dāng)總軸與系統(tǒng)輸入信號(hào)發(fā)生效應(yīng)后，單元驅(qū)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生參考信號(hào)，而系統(tǒng)會(huì)識(shí)別參考信號(hào)，進(jìn)而系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)單元跟蹤。由于信號(hào)與總軸發(fā)生效應(yīng)，并且信號(hào)是來源于過濾波，因此，在電機(jī)運(yùn)行過程中的實(shí)際轉(zhuǎn)速度與主參考值會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。

1.4 交叉耦合控制法

該控制法是從上世紀(jì)八十時(shí)代時(shí)的Koren所提出，該控制法是通過運(yùn)行位置與速度進(jìn)行對(duì)比作差，系統(tǒng)所產(chǎn)生的反饋信號(hào)就是其差值，然后再中系統(tǒng)產(chǎn)生的反饋信號(hào)。以此達(dá)同同步控制的目的，以上就是交叉耦合控制法的運(yùn)行原理。利用該控制法，單一電機(jī)的負(fù)載變化情況都可以通過系統(tǒng)來反應(yīng)。一旦存在超過2臺(tái)以上的電機(jī)就無法采用該控制法。就是交叉耦合控制法的弊端。

1.5 偏差耦合控制法

偏差耦合控制過電機(jī)速度反饋?zhàn)鞑顏韺?shí)現(xiàn)同步控制，即比較一臺(tái)電機(jī)和其它電機(jī)的速度反饋情況，將兩者進(jìn)行分別作差。從而求得電機(jī)偏差的數(shù)值，將所有數(shù)值相加匯總，電機(jī)所產(chǎn)生的速度補(bǔ)償信號(hào)就是所計(jì)算的匯總數(shù)值，由于各電機(jī)間的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量存在差別，就以增益作為補(bǔ)償。以此來保證電機(jī)的同步控制質(zhì)量和效率。

2 控制算法

隨著實(shí)踐和研究的不斷深入和發(fā)展，多電機(jī)同步控制算法種類已經(jīng)得到廣泛的發(fā)展，它包含PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、H∞控制和、滑模變結(jié)構(gòu)等控制算法。控制算法和控制策略相融合是研究多電機(jī)同步控制方法的重點(diǎn)。

2.1 環(huán)形耦合控制

該控制法既考慮到電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的跟蹤誤差，也照顧到相鄰電機(jī)所產(chǎn)生的同步誤差。環(huán)形耦合控制控制法利用耦合補(bǔ)償原理的作用，結(jié)合同一給定控制的理論特點(diǎn)，將兩者統(tǒng)一融合而形成環(huán)形耦合控制控制法。在多電機(jī)的運(yùn)行過程中，電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差的補(bǔ)償，可以通過環(huán)形耦合控制控制法來實(shí)現(xiàn)。因此，該控制法能有效地促進(jìn)電機(jī)的同步性能的發(fā)展。確保多電機(jī)同步控制的質(zhì)量和效率

2.2 自抗擾控制

上世紀(jì)九十年代，我國(guó)研究專家通過運(yùn)用PID控制原理的基礎(chǔ)上，吸收現(xiàn)代控制理論的最新成果，發(fā)展出了自抗擾控制法。自抗擾控制法將現(xiàn)代控制理論的知識(shí)和經(jīng)典控制理論知識(shí)進(jìn)行有機(jī)融合，發(fā)展出補(bǔ)償+觀測(cè)的新方法。

2012年我國(guó)的研究專家又根據(jù)二階自抗擾技術(shù)的理論觀點(diǎn)，通過研究三電機(jī)同步控制的特點(diǎn)，研究分離性原理在多電機(jī)同步控制下的特性，通過設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)跟蹤器、誤差反饋和跟蹤微分器這三大設(shè)備，再綜合各組成部分的特性進(jìn)行試驗(yàn)，最后終出的結(jié)論是：電機(jī)速度與超調(diào)量之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系可以控制器來進(jìn)行解決。該控制法能達(dá)到從電機(jī)與主電機(jī)的速度達(dá)到同步變化的目的。

2.3 虛擬主軸

該控制法的提出距離現(xiàn)今已經(jīng)有20多年，美國(guó)的研究專家Robert D.Lorenz教授在這方面曾展開了大量的研究，虛擬主軸同步法也是由這位教授由2001年發(fā)展而來，該方法當(dāng)時(shí)是應(yīng)用在造紙機(jī)同步系統(tǒng)。經(jīng)過大量的試驗(yàn)證明，電機(jī)如果出現(xiàn)負(fù)載擾動(dòng)的現(xiàn)象或部分負(fù)載過大的情況，運(yùn)用虛擬主軸同步法能夠出色地保證系統(tǒng)的同步性。與傳統(tǒng)的局部負(fù)載系統(tǒng)相對(duì)，虛擬主軸同步法也能有效地解決局部系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。

在多電機(jī)同步控制方面，虛擬主軸具有出色的性能。因此，我國(guó)研究專家也對(duì)該方法進(jìn)行了深入的研究。并在高鐵牽引系統(tǒng)中應(yīng)用了該方法。根據(jù)虛擬主軸控制、交叉耦合控制、主從控制和同等控制的特點(diǎn)，設(shè)置在同等條件下，針對(duì)各種控制法的特點(diǎn)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)，結(jié)論證明在同等條件下，虛擬主軸控制法的效果明顯比其它三種控制方法要好，在同步跟蹤性能方面，虛擬主軸控制法更具優(yōu)勢(shì)。而針對(duì)在運(yùn)用虛擬主軸控制法所存在超調(diào)情況的問題，有研究人員提出了新的解決方案，提出分別控制電機(jī)對(duì)起動(dòng)階段和運(yùn)行過程的解決辦法。在電機(jī)工作過程中，對(duì)起動(dòng)階段所產(chǎn)生的誤差，進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒▉硐`差。仿真試驗(yàn)的結(jié)果證明虛擬主軸具有良好的抗擾動(dòng)性能，能有效保證多電機(jī)同步控制。

3 控制策略之間的對(duì)比

通過上面的論述，各種控制策略都有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。傳統(tǒng)的PID控制算法操作簡(jiǎn)單方便，有相對(duì)固定的控制參數(shù)，但是針對(duì)非線性控制的情況就顯得有心而力不足，抗干擾性差，控制效果不佳。

環(huán)形耦合控制和相鄰交叉耦合控制的控制理念相同，通過耦合相鄰的電機(jī)形成一個(gè)耦合環(huán)，電機(jī)的數(shù)量多少不影響到系統(tǒng)的同步運(yùn)行。耦合控制控制法是通過兩臺(tái)電機(jī)之間的補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)同步控制的目的。耦合控制法具有良好的外部擾動(dòng)收斂性、同步控制性、動(dòng)態(tài)性、魯棒性和抗干擾性。

而自抗擾控制上具有控制算法簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，控制對(duì)象模型的情況不影響到它的控制性。而且它具有良好的跟蹤效果，較快的響應(yīng)速度和解耦性。

負(fù)載抗干擾性強(qiáng)和負(fù)載能力高是虛擬主軸控制的特點(diǎn)，而且虛擬主軸控制具有優(yōu)秀的同步跟蹤功能，較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。因此，虛擬主軸控制法具有較好的機(jī)械軸上同步控制性。

4 結(jié)語

隨著我國(guó)制造業(yè)水平不斷發(fā)展進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備的功能越來越強(qiáng)大，為保證機(jī)械設(shè)備的有效運(yùn)行，特別是大型機(jī)械設(shè)備的使用，必須依靠多電機(jī)的共同協(xié)作。因此，必須高度重視多電機(jī)共同控制策略的研究，通過有效的控制策略來保證多電機(jī)的協(xié)同作業(yè)，為機(jī)械設(shè)備提供穩(wěn)定不間斷的動(dòng)力支持，保證機(jī)械設(shè)備的高速高效運(yùn)轉(zhuǎn)。