梁定軍

廣東美的白色家電技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司，中國(guó)·廣東 佛山 528311

1 引言

在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)體系之中，電機(jī)控制系統(tǒng)占據(jù)重要地位，其實(shí)際性能直接對(duì)生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量造成影響，因此工業(yè)體系對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)提出極高的要求。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷提升，以往單電機(jī)作業(yè)模式已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)實(shí)際需求，尤其是在冶金、數(shù)控機(jī)床等產(chǎn)業(yè)中。為滿足生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)精準(zhǔn)度的要求，生產(chǎn)者需要利用多電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)成相應(yīng)目標(biāo)，這就使得控制系統(tǒng)的性能成為重中之重。因此，當(dāng)前研究者已經(jīng)將多電機(jī)同步控制系統(tǒng)作為當(dāng)前主要研究課題。

2 改進(jìn)型偏差耦合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究人員在經(jīng)過(guò)深入研究后發(fā)現(xiàn)，將不同電機(jī)相對(duì)速度信號(hào)融入其足比系數(shù)關(guān)系速度反饋信號(hào)之中，隨后根據(jù)獨(dú)立電機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各電機(jī)之間的速度補(bǔ)償信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，即可達(dá)成較好的同步性能，此即為偏差耦合控制。已有研究成果中，偏差耦合控制系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī)進(jìn)行完全同步控制，比例同步控制上難以實(shí)現(xiàn)。由此，有技術(shù)人員在綜合傳統(tǒng)偏差耦合控制的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行一定程度的優(yōu)化，形成改進(jìn)型偏差耦合控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了多比例同步控制。以三臺(tái)電機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改進(jìn)型偏差耦合控制結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)圖1中所示信息可知，速度補(bǔ)償器是此系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部分，其實(shí)際運(yùn)行過(guò)程承擔(dān)著為每臺(tái)電機(jī)提供速度補(bǔ)償信號(hào)的功能。其中，λ1、λ2、λ3表示同步比例系數(shù)，當(dāng)λi（1，2，3）均取值為1的情況下，即可視為完全同步[1]。

若要求各電機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中依照比例進(jìn)行同步運(yùn)轉(zhuǎn)，依據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)，三臺(tái)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系如下所示：

為確保各電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中呈現(xiàn)出同步運(yùn)行狀態(tài)，要求第一臺(tái)電機(jī)及其他電機(jī)之間的跟隨誤差穩(wěn)定收斂，即滿足以下公式：

3 基于模糊PID的控制系統(tǒng)

現(xiàn)階段，正在應(yīng)用中的控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中會(huì)根據(jù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差以及變化率進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)調(diào)整。然而需要認(rèn)識(shí)到的一點(diǎn)是，固定增益在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中進(jìn)涵蓋點(diǎn)擊轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這就是在負(fù)載變化幅度較大的情況下，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)誤差。在三臺(tái)電機(jī)中，任意一臺(tái)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的速度波動(dòng)均可視為對(duì)其他電機(jī)的干擾，由此可以得出的結(jié)論是誤差始終處于動(dòng)態(tài)變化之中。因此，研究者采用模糊PID控制器取代固定增益，一旦電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)波動(dòng)，該部件機(jī)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)作用，高效準(zhǔn)確地降低不同電機(jī)之間的跟隨誤差，進(jìn)而確保其趨向穩(wěn)定狀態(tài)。模糊PID補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)圖2所示加入模糊PID改進(jìn)速度補(bǔ)償器模塊結(jié)構(gòu)原理圖以及模糊PID控制系統(tǒng)，利用模糊PID模塊替換原有速度增益模塊，并形成新型速度補(bǔ)償器，隨后分別設(shè)置完全同步以及比例同步條件對(duì)電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)可得出以下結(jié)果：受反應(yīng)過(guò)程較為遲緩情況影響，仿真實(shí)驗(yàn)為確保調(diào)試便捷性，實(shí)際設(shè)定為0.3s。仿真檢驗(yàn)開(kāi)始后，三臺(tái)電機(jī)均為空載啟動(dòng)，運(yùn)行到0.2s時(shí)，給第一臺(tái)電機(jī)加入負(fù)載為，同步比例系數(shù)λ1、λ2、λ3取值分別為1、0.5、0.25，進(jìn)而得到每?jī)膳_(tái)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差曲線。在仿真檢驗(yàn)過(guò)程中，研究者分別選取第一臺(tái)以及第二臺(tái)電機(jī)，第二臺(tái)以及第三臺(tái)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差作為仿真對(duì)象，對(duì)其融入模糊PID控制系統(tǒng)后的成效進(jìn)行分析研究。圖3為加入以及未加入模糊PID控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的完全同步仿真轉(zhuǎn)速差曲線圖[2]。

圖2 加入模糊PID改進(jìn)速度補(bǔ)償器模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 兩電機(jī)轉(zhuǎn)速差示意圖

在完全同步控制的情況下，由圖3中信息可知，在完全同步的條件下，第一臺(tái)電機(jī)加入負(fù)載時(shí)，第一與第二臺(tái)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差約為6.5r/min，相較于未加入模糊PID控制器的情況下轉(zhuǎn)速相差值為27r/min，具備較好的成效。同時(shí)，在電機(jī)加入負(fù)載0.25s后，振蕩幅度已經(jīng)無(wú)限趨于0，基本已經(jīng)達(dá)到理想成效。由此，加入PID模糊控制器后形成的改進(jìn)型偏差耦合控制策略更具優(yōu)越性，同步更加精準(zhǔn)，且抗干擾性能更強(qiáng)。

在比例同步控制傾向下。加入模糊PID的改進(jìn)型控制系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)電機(jī)加入負(fù)載時(shí)，第一臺(tái)與第二臺(tái)之間轉(zhuǎn)速差的波動(dòng)峰值為10r/min，并且沒(méi)有出現(xiàn)明顯振蕩，一直趨于0，轉(zhuǎn)速誤差很小，達(dá)到了理想的效果。證明加入模糊PID的改進(jìn)型系統(tǒng)比未加入模糊PID的系統(tǒng)具有更好的同步特性和抗干擾能力。具體如圖4所示。

圖4 比例同步條件下電機(jī)轉(zhuǎn)速差

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，改進(jìn)型偏差耦合控制系統(tǒng)是當(dāng)前學(xué)界內(nèi)研究的重點(diǎn)話題，其實(shí)際作用以及意義不言而喻。論文在研究過(guò)程中先對(duì)改進(jìn)型偏差耦合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。同時(shí)，針對(duì)在原有速度控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的控制策略。論文研究中通過(guò)將模糊PID控制系統(tǒng)與偏差耦合控制系統(tǒng)相結(jié)合形成一種新型的控制策略，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，分別在完全同步控制以及比例同步控制的條件下對(duì)論文傳統(tǒng)偏差耦合控制策略以及加入模糊PID控制系統(tǒng)的策略進(jìn)行對(duì)比。最終仿真檢驗(yàn)結(jié)果顯示電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差變化基本穩(wěn)定在0的狀態(tài)，在一定程度上改善了系統(tǒng)的同步性和抗干擾性。由此，論文所研究的基于模糊PID改進(jìn)型偏差耦合結(jié)構(gòu)為有效、可靠的多電機(jī)控制方案，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[3]。