中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 連雪海

寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院 馬 勰

浙大寧波理工學(xué)院 胡可威

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 徐 峰

寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院 張威巍

浙大寧波理工學(xué)院 白 杰 馬修水

船舶工業(yè)是現(xiàn)代綜合性產(chǎn)業(yè)之一，為國(guó)防建設(shè)、海洋資源開(kāi)發(fā)和水上交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)提供相應(yīng)的技術(shù)裝備，產(chǎn)品技術(shù)密集，產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，可以對(duì)海洋資源勘采、機(jī)電設(shè)計(jì)制造、材料及航運(yùn)等上、下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到帶動(dòng)作用。船用控制手柄是一種用于遠(yuǎn)程操縱的船用控制設(shè)備，是船舶自動(dòng)化、信息化中重要組成部分，廣泛應(yīng)用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)、港口機(jī)械、液壓控制等領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)船舶控制手柄與國(guó)外先進(jìn)水平相比還存在一定的差距，高端市場(chǎng)由國(guó)外知名品牌壟斷，且裝船使用的控制手柄以普通型為主，高端產(chǎn)品如隨動(dòng)型、主從控制型較少，價(jià)格昂貴，且國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品供貨周期長(zhǎng)，運(yùn)維服務(wù)不方便。為了提高我國(guó)船舶工業(yè)水平，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)開(kāi)展船舶控制手柄的研制，但起步較晚，產(chǎn)業(yè)化企業(yè)少，且大多數(shù)適用國(guó)內(nèi)低端的船舶市場(chǎng)，急需技術(shù)提升。

多電機(jī)同步控制是船用控制手柄研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)之一，該技術(shù)已經(jīng)在造紙業(yè)、印刷業(yè)、工業(yè)機(jī)器人以及工業(yè)生產(chǎn)線等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在船用控制手柄的開(kāi)發(fā)中，多手柄之間構(gòu)成了多電機(jī)同步控制系統(tǒng)，手柄之間同步控制是技術(shù)難點(diǎn)之一。早期的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)一般采用非耦合控制方式，控制策略主要針對(duì)單個(gè)電機(jī)，對(duì)各個(gè)電機(jī)的控制是由相對(duì)獨(dú)立的速度控制器、位置控制器等實(shí)現(xiàn)。在無(wú)擾動(dòng)情況下，控制系統(tǒng)具有良好的同步性，但是，一旦系統(tǒng)受到外界的干擾，系統(tǒng)調(diào)整困難，會(huì)造成多電機(jī)同步控制系統(tǒng)失去同步。耦合控制是一種將同步誤差和跟蹤誤差反饋給控制器進(jìn)行控制的方法，由于減小了同步誤差和跟蹤誤差，耦合控制在多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文結(jié)合企業(yè)的研發(fā)實(shí)際，主要介紹船用控制手柄并行控制、主從控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制等多電機(jī)控制技術(shù)，以及與其相關(guān)的數(shù)字濾波技術(shù)。

1 船用手柄多電機(jī)同步控制技術(shù)

1.1 并行控制

并行控制原理如圖1所示，是最基礎(chǔ)的多電機(jī)同步控制，屬于非耦合控制，系統(tǒng)中每臺(tái)電機(jī)之間沒(méi)有耦合關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，若某一臺(tái)電機(jī)受到外界的擾動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的嚴(yán)重失調(diào)。

1.2 主從控制

為了增強(qiáng)多電機(jī)控制系統(tǒng)中電機(jī)之間的耦合性，當(dāng)被控電機(jī)超過(guò)兩臺(tái)時(shí)，設(shè)計(jì)主從控制可以彌補(bǔ)并行控制的缺陷。主從控制可分為一主多從結(jié)構(gòu)和多主多從結(jié)構(gòu)。圖2為一主多從結(jié)構(gòu)，主電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)及時(shí)傳遞給各臺(tái)從電機(jī)，從電機(jī)讀取主電機(jī)信息，按照設(shè)計(jì)的控制算法調(diào)整從電機(jī)的轉(zhuǎn)速。一主多從控制系統(tǒng)只能適應(yīng)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，無(wú)法對(duì)從電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)做出反應(yīng)。多主多從結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)電機(jī)之間具有耦合關(guān)系，圖3為兩主多從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中，相鄰的兩臺(tái)電機(jī)其中一臺(tái)為主電機(jī)另一臺(tái)為從電機(jī)，控制系統(tǒng)中各臺(tái)電機(jī)之間具有耦合關(guān)系，每臺(tái)電機(jī)可能既是主電機(jī)也是從電機(jī)。

圖1 并行控制結(jié)構(gòu)圖

圖2 一主多從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 交叉耦合控制

1980，Y.Koren針對(duì)雙軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)提出了交叉耦合同步控制方法，交叉耦合控制結(jié)構(gòu)不分主從電機(jī)，如圖4所示，取控制系統(tǒng)中兩臺(tái)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)差值作為補(bǔ)償量分別對(duì)兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)耦合作用和控制相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)同步控制。圖4中，綜合考慮了控制系統(tǒng)中兩臺(tái)電機(jī)之間的相互影響，通過(guò)軟硬件協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)解耦算法，減少時(shí)延，保障系統(tǒng)的同步。交叉耦合控制結(jié)構(gòu)適用只有兩臺(tái)電機(jī)的被控系統(tǒng)，對(duì)于三臺(tái)及以上電機(jī)的控制系統(tǒng)不適用。

圖3 兩主多從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 交叉耦合控制結(jié)構(gòu)

1.4 偏差耦合控制

基于交叉耦合控制不能適應(yīng)3臺(tái)以上電機(jī)同步控制系統(tǒng)控制問(wèn)題，對(duì)于3臺(tái)及以上電機(jī)的同步控制，在交叉耦合控制的基礎(chǔ)上改進(jìn)完善，研發(fā)了偏差耦合控制。偏差耦合控制原理如圖5所示，圖中，3臺(tái)電機(jī)速度給定值是相同的，根據(jù)每臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，偏差耦合補(bǔ)償信號(hào)是由1臺(tái)電機(jī)的反饋與其他2臺(tái)電機(jī)反饋偏差乘以相應(yīng)的增益之和得到控制器的輸入信號(hào)。

圖5 偏差耦合控制結(jié)構(gòu)

偏差耦合控制系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)等因素引起電機(jī)1的速度波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)中另外2臺(tái)電機(jī)也會(huì)受到電機(jī)1波動(dòng)的影響，其速度也會(huì)相應(yīng)地變化，其反饋信號(hào)作為速度補(bǔ)償器1的輸入，再與給定、電機(jī)1的轉(zhuǎn)速反饋求和比較，得出偏差信號(hào)作為控制器1的輸入，控制器1在設(shè)計(jì)的控制規(guī)律下調(diào)節(jié)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速；同理，當(dāng)電機(jī)2或3轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，通過(guò)偏差耦合，實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。因此，系統(tǒng)在啟動(dòng)和停止階段也具有良好的同步性能。偏差耦合控制主要不足是：其他電機(jī)的跟隨誤差以及互相間的速度不同步信號(hào)，沒(méi)有反饋給所控制的電機(jī)。因此，當(dāng)其他電機(jī)出現(xiàn)較大的跟隨誤差時(shí)，控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程較慢，造成系統(tǒng)同步性能的下降，需要研發(fā)更加合適的控制方式。

2 數(shù)字濾波技術(shù)

在航用手柄多電機(jī)控制系統(tǒng)中，不可避免會(huì)產(chǎn)生很多隨機(jī)干擾信號(hào)，如各種電器噪聲干擾等。在船用控制手柄的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要考慮采集傳感器數(shù)據(jù)時(shí)引入的噪聲和干擾，同時(shí)，還要考慮在船舶航行時(shí)會(huì)受到海浪沖擊，產(chǎn)生手柄的振動(dòng)也會(huì)具有隨機(jī)干擾，隨機(jī)干擾不能通過(guò)一個(gè)確定的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，也不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，可通過(guò)統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行分析和研究。

對(duì)于隨機(jī)干擾，可以用數(shù)字濾波的方法削弱或者消除。所謂數(shù)字濾波就是通過(guò)一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)的比重，因此數(shù)字濾波實(shí)際是通過(guò)軟件進(jìn)行濾波。

目前常用的數(shù)字濾波算法有：

（1）算術(shù)平均濾波；（2）加權(quán)平均濾波；（3）滑動(dòng)平均濾波；（4）中值濾波；（5）一階滯后濾波；（6）加權(quán)遞推平均值濾波。

數(shù)字濾波技術(shù)能夠很好地過(guò)濾傳感器采集時(shí)產(chǎn)生的噪聲，讓采集到的傳感器數(shù)據(jù)更加具有準(zhǔn)確性，有利于電機(jī)的閉環(huán)控制。

3 小結(jié)

綜上所述，船用手柄多電機(jī)同步控制技術(shù)可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）提高跟蹤精度。跟蹤精度是系統(tǒng)綜合性能評(píng)定的重要指標(biāo)，需要不斷利用計(jì)算機(jī)軟硬件最新的技術(shù)、優(yōu)化控制和信號(hào)處理算法，不斷提高控制系統(tǒng)的跟蹤精度，滿足多電機(jī)同步控制的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性。

（2）提高實(shí)時(shí)同步性。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，提高抗干擾能力是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的最基本要求。在船舶系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境下，控制參數(shù)發(fā)生漂移是不可避免的，提高多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的魯棒性、保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)同步性是值得研究的內(nèi)容。

（3）提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間是多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，在實(shí)際控制系統(tǒng)中，不但要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)速度快，減小過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，而且還要超調(diào)小甚至無(wú)超調(diào)。

（4）改善負(fù)載特性。優(yōu)化控制策略和算法，提高多電機(jī)同步控制系統(tǒng)控制參數(shù)的適應(yīng)性，保證系統(tǒng)的同步性在負(fù)載變化時(shí)影響較小。

（5）提高可靠性和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)多電機(jī)同步控制系統(tǒng)硬件和軟件時(shí)，除了必須滿足功能要求外，還必須在抗干擾設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)等方面滿足系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性需要。