任穎瑩， 張合沛， 周振建， 江 南， 李叔敖

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著大功率變頻技術(shù)的發(fā)展，隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤越來越趨向于采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)相比，具有效率高、維修保養(yǎng)方便、適用范圍廣的特點(diǎn)。隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由十幾個(gè)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，其開挖掌子面具有復(fù)雜性、突變性及不可預(yù)測(cè)性的特點(diǎn)，容易造成刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)載荷出現(xiàn)劇烈波動(dòng)和各電機(jī)受力不均衡的情況； 且各個(gè)電機(jī)與刀盤齒輪是剛性連接，電機(jī)的轉(zhuǎn)速被強(qiáng)制同步，如果電機(jī)所承受的負(fù)載不均衡，就會(huì)造成負(fù)載大的電機(jī)發(fā)熱被燒壞、機(jī)械軸斷裂等事故，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。例如： 在北京直徑線項(xiàng)目，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)中遇到卵石緊密的地層，導(dǎo)致電機(jī)受力迅速增大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩發(fā)生跳動(dòng)，最終導(dǎo)致多根機(jī)械驅(qū)動(dòng)軸斷裂?？梢哉f，主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的同步性能直接關(guān)系到隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的安全可靠性和掘進(jìn)效率，因此對(duì)多電機(jī)進(jìn)行同步控制策略及方法研究，使各個(gè)電機(jī)承受的負(fù)載相同，避免電機(jī)出力不均衡造成電機(jī)的被動(dòng)同步，具有重要意義。

目前，針對(duì)多電機(jī)同步控制的問題，國內(nèi)外研究者主要從控制策略和控制方法2個(gè)方面進(jìn)行了研究。在控制策略研究方面，早在1980年Koren[1]提出了交叉耦合多電機(jī)控制方案，隨后文獻(xiàn)[2-5]對(duì)其進(jìn)行了深入研究，提出了具有代表性的交叉耦合補(bǔ)償控制結(jié)構(gòu)，但這種方式由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜只適用于2臺(tái)電機(jī)同步控制。因此，文獻(xiàn)[6-7]經(jīng)過進(jìn)一步研究提出了偏差耦合控制結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于相鄰耦合誤差的多電機(jī)同步控制策略，通過該模型適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償了多電機(jī)間的轉(zhuǎn)速差，但這種方法建模、計(jì)算等過程過于繁雜，因而對(duì)處理器的計(jì)算轉(zhuǎn)速有一定的要求。文獻(xiàn)[9]提出了改進(jìn)型環(huán)形耦合控制結(jié)構(gòu)，具有較好的抗干擾能力和較高的跟蹤精度。

為了保障電機(jī)輸入跟蹤的精度，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了刀盤驅(qū)動(dòng)控制方法研究，將自適應(yīng)控制理論引入到了多電機(jī)同步控制系統(tǒng)研究中[10-11]。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了基于滑?？刂平Y(jié)構(gòu)的耦合控制結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[13-15]分別將模糊PID控制、自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制和線性魯棒控制等應(yīng)用到多電機(jī)控制系統(tǒng)中，取得了良好的控制效果。文獻(xiàn)[16]將自抗擾技術(shù)應(yīng)用到多電機(jī)同步控制系統(tǒng)，構(gòu)成了主從控制結(jié)構(gòu)的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[17]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合的復(fù)合控制策略，充分發(fā)揮算法的優(yōu)點(diǎn)，更好地保障了控制效果。

但目前對(duì)于隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步控制的研究相對(duì)較少，一是因?yàn)榈侗P驅(qū)動(dòng)的電機(jī)數(shù)量眾多，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜且傳動(dòng)比大，二是隧道掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行環(huán)境太過復(fù)雜且不能提前預(yù)知。因此，對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)多電機(jī)控制進(jìn)行研究仍是一個(gè)重要任務(wù)。

綜上所述，為促進(jìn)我國隧道掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步控制理論發(fā)展，解決主驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的同步性問題，本文在搜集資料研究各種控制方法的基礎(chǔ)上，從控制的各個(gè)環(huán)節(jié)展開分析，設(shè)計(jì)一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI算法的隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤多電機(jī)自適應(yīng)耦合同步控制方法，以期為隧道掘進(jìn)機(jī)的刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及模型建立

1.1 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由變頻電機(jī)、減速器、安全軸、小齒輪、主軸承和大齒圈組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。刀盤的驅(qū)動(dòng)力按照電機(jī)-減速器-小齒輪-帶齒圈大口徑軸承-刀盤滾筒-中間梁-刀頭的順序進(jìn)行傳遞。從圖1中可以看出，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)中電機(jī)數(shù)量多，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這些特點(diǎn)導(dǎo)致控制的難度大大增加。

圖1 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 刀盤電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)

隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。其是一種典型的3層工廠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，自上而下分別由監(jiān)控的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC(programmable logic controller，可編程邏輯控制器)、最下面的變頻器和對(duì)應(yīng)的電機(jī)組成。操作人員通過工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出各種命令，通過PLC進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換來控制變頻器的啟停、電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的大小。另外，傳感器將所檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流等數(shù)據(jù)反饋給PLC，再通過PLC傳到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，給操作人員的操作提供參考。

圖2 隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

PLC是電氣控制的一個(gè)核心部件，多電機(jī)同步控制通過PLC來控制各個(gè)變頻器。圖2所示的結(jié)構(gòu)是每臺(tái)變頻器獨(dú)立控制1臺(tái)電機(jī)，各變頻器之間無需直接關(guān)聯(lián)，每臺(tái)變頻器工作在轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩模式下對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。但有的制造單位再設(shè)計(jì)時(shí)為了節(jié)約成本，采用的是一拖二的控制結(jié)構(gòu)，例如日立造船盾構(gòu)。一拖一的控制結(jié)構(gòu)相對(duì)來說控制要更加靈活，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電機(jī)做出相應(yīng)的控制，因此，本文研究針對(duì)的是一拖一結(jié)構(gòu)。

變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)原理如圖3所示。目前多電機(jī)控制的基本思想是主站獲取上位機(jī)設(shè)定的刀盤轉(zhuǎn)速，并換算成變頻器給定頻率，然后廣播式發(fā)送到各個(gè)變頻器中。

圖3 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)原理圖

1.3 電機(jī)矢量控制模型建立

目前刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大多采用的是交流電機(jī)，但其數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，因此需采用矢量控制。異步電機(jī)矢量控制的基本思想是將普通的三相交流電機(jī)等效為直流電機(jī)，然后運(yùn)用直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律以及控制直流電機(jī)的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的控制。其優(yōu)點(diǎn)是性能優(yōu)良，可以與直流調(diào)速媲美，具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能。矢量控制原理如圖4所示。

圖4 矢量控制原理圖

1.3.1 坐標(biāo)變換

經(jīng)推導(dǎo)，三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系的變換如式(1)所示。

(1)

式中：iA、iB、iC為靜止坐標(biāo)系交流電機(jī)三相繞組電流；iα、iβ為靜止坐標(biāo)系兩相繞組電流。

兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換如式(2)所示。

(2)

1.3.2 解耦過程

計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈，如式(3)所示。

(3)

計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩,如式(4)所示。

(4)

式(3)-(4)中：Lm為定轉(zhuǎn)子互感；Lr為轉(zhuǎn)子繞組自感；Tr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；ism、ist分別為定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；np為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

由式(3)-(4)可知，經(jīng)過對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈定向，可以實(shí)現(xiàn)定子電流轉(zhuǎn)變?yōu)閯?lì)磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist上的解耦。得到的模型便可看作直流電機(jī)，分別控制2組電流調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。

1.3.3 模型建立

在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過轉(zhuǎn)速控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，但往往存在一定的滯后性，因此，帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制法能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速反饋控制與轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合起來，以達(dá)到更好的控制效果。

變頻矢量控制系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。變頻器由控制器的力矩給定后，經(jīng)過相關(guān)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換運(yùn)算獲取控制IGBT的相位脈沖。矢量控制系統(tǒng)封裝在Vector Control模塊中，先通過轉(zhuǎn)速給定傳送給矢量控制模塊，經(jīng)過矢量變換后，輸出控制逆變器的開關(guān)信號(hào)，控制逆變器晶閘管的通斷，從而使直流電變成頻率可調(diào)的交流電，供給三相電機(jī)，控制電機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)矢量控制模塊中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的給定轉(zhuǎn)矩Te*。

圖5 變頻矢量控制系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)

矢量控制中各個(gè)模塊又有一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，層層封裝，組成功能齊全的電機(jī)矢量控制模塊，這是電機(jī)矢量控制的核心模塊。

2 轉(zhuǎn)速補(bǔ)償耦合控制策略

目前，對(duì)多電機(jī)同步控制的策略主要分為2類，即非耦合控制和耦合控制，但應(yīng)用較多的是非耦合控制，即轉(zhuǎn)速并行同步控制和轉(zhuǎn)矩主從控制。非耦合控制主要是各電機(jī)的控制器對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立控制，電機(jī)之間沒有反饋信號(hào)，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)。但非耦合控制的一個(gè)最大缺點(diǎn)就是不能對(duì)同步誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，造成載荷突變時(shí)同步性能不夠理想，不能很好地適應(yīng)地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜多變。

主從控制是將多電機(jī)設(shè)為1臺(tái)主電機(jī)和若干從電機(jī)，以主電機(jī)的輸出作為從電機(jī)的給定值，從而實(shí)現(xiàn)從電機(jī)對(duì)主電機(jī)輸出量的一致跟隨，且主電機(jī)上的擾動(dòng)也會(huì)在從電機(jī)上得到反映。采用主從控制策略的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡單明了，容易實(shí)現(xiàn)。但是系統(tǒng)中從電機(jī)受到的擾動(dòng)不會(huì)反饋給主電機(jī)，也不會(huì)對(duì)其他從電機(jī)形成反饋，所以電機(jī)之間的同步精度不能夠得到保證，抗干擾性也不夠理想。另外，如果主電機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將無法工作。

本設(shè)計(jì)以傳統(tǒng)的主從控制策略為基礎(chǔ)，即主電機(jī)的轉(zhuǎn)速由系統(tǒng)給定，從電機(jī)以主電機(jī)的輸出值作為輸入，在結(jié)構(gòu)上主要從3個(gè)控制方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 主電機(jī)選擇

為了避免主從控制只有主電機(jī)起決定性作用的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的主電機(jī)自適應(yīng)選擇主從控制，實(shí)時(shí)調(diào)整刀盤多電機(jī)控制系統(tǒng)的主電機(jī)，比較各個(gè)電機(jī)荷載情況，以荷載變化最大的電機(jī)作為主電機(jī)，直到下一個(gè)電機(jī)出現(xiàn)載荷變化，主電機(jī)進(jìn)行切換。

對(duì)于多電機(jī)同步控制系統(tǒng)來說，實(shí)現(xiàn)的是電機(jī)轉(zhuǎn)速的跟隨，在刀盤系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，受到擾動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，其他電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨這臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化。這種方式使每臺(tái)電機(jī)都可以充當(dāng)主電機(jī)，解決了單臺(tái)電機(jī)起決定性作用的問題，能夠兼顧到各個(gè)電機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)擾動(dòng)的影響，同時(shí)避免了單臺(tái)電機(jī)起決定性作用的缺點(diǎn)。

2.2 起動(dòng)階段控制

另外，在控制中還存在2個(gè)問題： 1)在起動(dòng)階段，由于主電機(jī)跟隨的是一個(gè)定值，從電機(jī)跟隨主電機(jī)的變化而變化，轉(zhuǎn)速跟隨有一定的滯后，存在同步誤差大的缺點(diǎn)； 2)從電機(jī)跟隨主電機(jī)運(yùn)行，存在主電機(jī)受負(fù)載擾動(dòng)大時(shí)引起的輸出轉(zhuǎn)速過大或過小的問題。為了防止主電機(jī)受負(fù)載擾動(dòng)大導(dǎo)致的輸出轉(zhuǎn)速過大或過小，本設(shè)計(jì)對(duì)從電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行了上下限限制，從電機(jī)的輸入如式(5)所示，這樣同時(shí)解決了在起動(dòng)階段從電機(jī)跟隨轉(zhuǎn)速過小、轉(zhuǎn)速變化滯后的問題。

(5)

式中：ωdi為第i臺(tái)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速；ωdmin和ωdmax為最小和最大給定轉(zhuǎn)速；ω1為輸出轉(zhuǎn)速。

2.3 補(bǔ)償耦合控制

在系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的初始狀態(tài)，電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速趨于同步越快越好，即應(yīng)盡快消除轉(zhuǎn)速偏差。因此，多電機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須針對(duì)電機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性，兼顧跟蹤能力和系統(tǒng)擾動(dòng)的特殊性。為了達(dá)到更好的效果，采用了帶補(bǔ)償?shù)鸟詈峡刂?，具體控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速補(bǔ)償耦合控制結(jié)構(gòu)圖

為了簡化計(jì)算的復(fù)雜度，將第1臺(tái)電機(jī)與其他電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差經(jīng)過處理計(jì)算后閉環(huán)反饋給各個(gè)電機(jī)，加入到電機(jī)給定轉(zhuǎn)速中，作為補(bǔ)償，既保證了控制的精度，又不會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，適合隧道掘進(jìn)機(jī)這種電機(jī)數(shù)量多的系統(tǒng)。由于從電機(jī)與主電機(jī)之間采用了同步誤差補(bǔ)償，因此在起動(dòng)過程中也能很好地保證轉(zhuǎn)速的一致性。

具體的偏差補(bǔ)償增益Ki計(jì)算如式(6)所示。

(6)

式中Ji為電機(jī)i的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

因此，轉(zhuǎn)速補(bǔ)償值

ei=Ki(ω1-ωi)。

(7)

式中ωi為電機(jī)i的輸出轉(zhuǎn)速。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

隧道掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的控制方式難以準(zhǔn)確模擬現(xiàn)實(shí)狀況，單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)能力，可通過不斷調(diào)整模型結(jié)構(gòu)來適應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)單神經(jīng)組成，具有先進(jìn)的自學(xué)習(xí)特征，可模擬復(fù)雜程度的非線性系統(tǒng)，具有高魯棒性和強(qiáng)容錯(cuò)性。本設(shè)計(jì)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與常規(guī)的PI控制相結(jié)合，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中利用其自學(xué)習(xí)能力實(shí)時(shí)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的權(quán)值大小，最終獲得具有自適應(yīng)能力的PI參數(shù)，即控制器的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)KI，其可根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)調(diào)整。這種自適應(yīng)控制方式可保障控制器具有更好的穩(wěn)定性，保障控制跟蹤的精確性，本文設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制結(jié)構(gòu)圖

本控制采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖8所示。其為3-5-2結(jié)構(gòu)，3個(gè)輸入分別為給定值、反饋值以及兩者的差值，輸出為PI控制器的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)KI。

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入如式(8)所示。

(8)

2)隱含層輸入如式(9)所示。

(9)

式中wij(i=1、2、3，j=1、...、5)為輸入層到隱含層的權(quán)值。

3)隱含層輸出如式(10)所示。

Qj=f(Hj)。

(10)

其中，隱含層的活化函數(shù)

4)輸出層輸入如式(11)所示。

(11)

式中βjl(j=1、 ...、 5，l=1、2)為隱含層到輸出層的權(quán)值。

5)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出如式(12)所示。

Ol=g(Nl)。

(12)

其中，輸出層的活化函數(shù)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)系數(shù)，因此，隱含層到輸出層加權(quán)系數(shù)Δβjl(k)的計(jì)算如式(13)所示。

(13)

式中：g′(x)=g(x)[1-g(x)]；α為慣性系數(shù)；η為學(xué)習(xí)速率。

同理，輸入層到隱含層權(quán)值的加權(quán)系數(shù)Δwij(k)計(jì)算如式(14)所示。

(14)

式中f′(x)=[1-f2(x)]/2。

4 模擬仿真研究

本試驗(yàn)主要是對(duì)同步控制、主從控制和自適應(yīng)耦合控制進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證所提出的控制策略的有效性。

4.1 模型建立

利用MATLAB中的Simulink模塊搭建仿真電路模型，模擬4臺(tái)電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。主從控制單個(gè)電機(jī)控制的仿真模型如圖9所示。每1臺(tái)電機(jī)對(duì)應(yīng)1臺(tái)變頻器。

圖9 主從控制單個(gè)電機(jī)控制的仿真模型圖

仿真中的模塊主要包括電源、逆變器、電機(jī)、電機(jī)參數(shù)測(cè)量模塊Machines Demux和矢量控制模塊。

仿真模型使用的電機(jī)是三相異步電機(jī)，電機(jī)的額定電壓為380 V，額定頻率為50 Hz，額定功率為110 kW，極對(duì)數(shù)為2。在實(shí)際系統(tǒng)中各電機(jī)的參數(shù)不可能完全一致，因此，在仿真時(shí)特意將各電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子的電感以及電阻值稍做修改，使得各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有微小的差異，特別表現(xiàn)在起動(dòng)階段時(shí)轉(zhuǎn)速差異較大。其中1臺(tái)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置界面如圖10所示。

4.2 仿真結(jié)果及分析

仿真中，根據(jù)實(shí)際刀盤驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速設(shè)定轉(zhuǎn)速的初始大小為1 200 r/min，采用閉環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并與設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較、判斷，進(jìn)行多電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤調(diào)節(jié)。

仿真過程中分別分析起動(dòng)過程中1臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變以及2臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變3種控制策略下電機(jī)的同步效果。

4.2.1 起動(dòng)過程中的效果

采用并行同步控制策略，4臺(tái)電機(jī)以同一給定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，并行同步控制起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖11所示。由圖可以看出，同步起動(dòng)過程中4臺(tái)電機(jī)的跟蹤轉(zhuǎn)速一致，說明起動(dòng)階段同步性較好。

圖10 電機(jī)參數(shù)設(shè)置界面

圖11 并行同步控制起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速對(duì)比

采用主從控制策略，以電機(jī)1為主電機(jī)，其余3臺(tái)電機(jī)為從電機(jī)，主電機(jī)給定轉(zhuǎn)速為設(shè)定值，從電機(jī)以主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為給定轉(zhuǎn)速。主從控制起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖12所示。由于主從控制從電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速跟隨主電機(jī)，有一定的延遲，在起動(dòng)過程中同步誤差較大，同步性能很差。

圖12 主從控制起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速對(duì)比

采用自適應(yīng)耦合控制策略，電機(jī)1作為主電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，在起動(dòng)過程中，一開始的轉(zhuǎn)速過小，根據(jù)式(5)可知，從電機(jī)起動(dòng)過程中的給定轉(zhuǎn)速為ωdmin。起動(dòng)過程完成，所有電機(jī)都穩(wěn)定后，從電機(jī)開始跟隨主電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行。自適應(yīng)耦合控制起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖13所示，同步性能較好。

圖13 自適應(yīng)耦合控制起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速對(duì)比

4.2.2 單臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比

在最初的0．5 s給4臺(tái)電機(jī)施加的負(fù)載為30 N·m。在0．5 s時(shí)，令電機(jī)2的負(fù)載突增為60 N·m來模擬單臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變100%的情況。

并行同步控制單臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖14所示。由圖14可以看出，只有負(fù)載發(fā)生變化的電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了劇烈變化，而對(duì)其他電機(jī)沒有任何影響。這也突出顯示了并行同步控制的缺點(diǎn)。

圖14 并行同步控制單臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比

主從控制主電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖15所示。由圖15可以看出，主從控制主電機(jī)發(fā)生負(fù)載突變時(shí)，從電機(jī)根據(jù)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)速很快發(fā)生跟隨，達(dá)到了一定的同步控制效果。

主從控制從電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖16所示。由圖16可以看出，如果從電機(jī)發(fā)生負(fù)載突變，主電機(jī)卻無法接收到從電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，同樣會(huì)產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步的現(xiàn)象。

圖15 主從控制主電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比

圖16 主從控制從電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比

在自適應(yīng)耦合控制策略中，電機(jī)1代表主電機(jī)，由于在控制中加入了轉(zhuǎn)速補(bǔ)償環(huán)節(jié)，有效抑制了電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速誤差；主電機(jī)是可變化的，避免了其他電機(jī)受到擾動(dòng)無法進(jìn)行閉環(huán)反饋的問題。自適應(yīng)耦合控制單臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖17所示。從圖中可以看出，從電機(jī)的跟隨性較好，誤差最大在1 r/min左右，滿足了隧道掘進(jìn)機(jī)的要求。與圖14-16仿真結(jié)果對(duì)比可知，自適應(yīng)耦合控制具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不會(huì)因?yàn)閭€(gè)別電機(jī)負(fù)載突變得不到響應(yīng)造成誤差的增大。這種方式彌補(bǔ)了常規(guī)主從控制的缺點(diǎn)，任意一臺(tái)電機(jī)受到擾動(dòng)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)都能夠感知到，增強(qiáng)了電機(jī)間的同步協(xié)調(diào)性。

圖17 自適應(yīng)耦合控制單臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比

4.2.3 2臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比

為了驗(yàn)證多臺(tái)電機(jī)受到擾動(dòng)時(shí)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體的同步性能，使電機(jī)1和電機(jī)2同時(shí)在0．5 s時(shí)施加的負(fù)載增加100%，對(duì)3種控制策略進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖18所示。

(a) 并行同步控制2臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比

(b) 主從控制2臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比

(c) 自適應(yīng)耦合控制2臺(tái)電機(jī)負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比

并行同步控制由于電機(jī)轉(zhuǎn)速之間沒有反饋功能，在負(fù)載突變的情況下，受擾動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生改變，保證不了電機(jī)之間的同步性；主從控制由于沒有轉(zhuǎn)速補(bǔ)償功能，造成個(gè)別電機(jī)同步性能不好；自適應(yīng)耦合控制具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這主要是因?yàn)樵诳刂浦屑尤肓宿D(zhuǎn)速補(bǔ)償環(huán)節(jié)，有效抑制了電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速誤差。

4.3 仿真結(jié)果總體分析

通過Simulink仿真結(jié)果分析可以看出，并行同步控制和主從控制存在的問題主要在于： 對(duì)于負(fù)載擾動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，不能夠得到及時(shí)反饋。并行同步控制只能夠單純跟隨設(shè)定轉(zhuǎn)速來變化，一個(gè)電機(jī)受到擾動(dòng)時(shí)對(duì)其他電機(jī)沒有任何影響，這會(huì)嚴(yán)重造成負(fù)載的分配不均衡，導(dǎo)致負(fù)載突變； 主從控制中從電機(jī)也是互不干擾的，同樣存在此問題。

自適應(yīng)耦合控制正是針對(duì)這一問題，采用主電機(jī)根據(jù)負(fù)載情況可選擇的策略，能夠很好地避免此項(xiàng)缺點(diǎn)，而且加入耦合控制更加保證了控制的精度； 另外，控制中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制具有響應(yīng)快、輸出轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可提高同步控制精度和魯棒性。

5 結(jié)論與體會(huì)

1)本文所提出的隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤系統(tǒng)多電機(jī)同步自適應(yīng)耦合控制方法，通過在從電機(jī)跟隨控制中增加了刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)給定轉(zhuǎn)速選擇功能，減小了起動(dòng)階段電機(jī)的同步誤差，同時(shí)避免了刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速過大或過小的問題。

2)在結(jié)構(gòu)上，可根據(jù)運(yùn)行荷載改變來選擇不同的主電機(jī)，所有的電機(jī)具有雙重角色，有效避免了主從控制的缺點(diǎn)；通過耦合轉(zhuǎn)速補(bǔ)償閉環(huán)控制，有針對(duì)性地對(duì)各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，提高了刀盤驅(qū)動(dòng)多電機(jī)之間轉(zhuǎn)速的同步性能，可為后續(xù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

3)在控制方法上，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI自適應(yīng)控制方法，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)變化自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)，進(jìn)一步提高了電機(jī)跟隨的響應(yīng)轉(zhuǎn)速，更好地保障了系統(tǒng)的控制精度和控制效率。

通過本文研究可知，在對(duì)多電機(jī)同步控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到控制結(jié)構(gòu)和控制方法等各方面設(shè)計(jì)之間的相互配合，不能顧此失彼，只有面面俱到，才能充分提高刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。