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船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機(jī)控制的研究

魯 潤，陳?？?/p>

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

針對船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機(jī)協(xié)同控制易受負(fù)載擾動和電機(jī)參數(shù)攝動影響的問題，本文提出了基于并行控制、相鄰耦合控制、耦合誤差同步控制的多電機(jī)動態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)，解決驅(qū)動電機(jī)動態(tài)偏差導(dǎo)致的準(zhǔn)確性不足的問題；針對系統(tǒng)較強(qiáng)的非線性及不確定性，采用基于最小相關(guān)軸處理方法設(shè)計系統(tǒng)消除跟蹤誤差和同步誤差控制器，將每一軸電機(jī)的跟蹤誤差和相鄰軸電機(jī)的同步誤差相結(jié)合，減少控制器數(shù)量。設(shè)計了船舶伺服排纜Lebus滾筒3軸協(xié)同控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，該方法具有較強(qiáng)的魯棒性、動態(tài)快速性和同步精度。

船舶 伺服排纜 Lebus滾筒 多電機(jī)控制 同步控制

0 引言

智能制造的關(guān)鍵是依靠云計算、大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)推動復(fù)雜系統(tǒng)中的多電機(jī)協(xié)同控制，協(xié)同控制是基于現(xiàn)代數(shù)學(xué)和協(xié)同學(xué)的狀態(tài)空間方法上的非線性反饋控制。隨著對多電機(jī)系統(tǒng)協(xié)同性能的深入研究，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足市場的需求，對大型生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)的性能要求也越來越高，因而多電機(jī)協(xié)同控制已成為現(xiàn)代制造業(yè)中存在的核心問題之一[1]。多電機(jī)協(xié)同控制策略在船用多點系泊自適應(yīng)控制系統(tǒng)、自升式平臺多電機(jī)等時同步控制、船舶伺服排纜Lebus(里巴斯/雙折線)滾筒多電機(jī)控制等其他各行各業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。協(xié)同控制性能的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和產(chǎn)品生產(chǎn)中的質(zhì)量問題。因此，開展對多電機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)性能的研究具有十分重要的理論價值和應(yīng)用價值。

目前，多電機(jī)系統(tǒng)同步控制主要分為兩大類：非耦合控制和耦合控制。非耦合控制主要包括三種同步控制方式主從控制、并行控制和虛擬總軸控制[2]。由于非耦合控制策略電機(jī)之間沒有耦合，任一臺電機(jī)上發(fā)生的擾動不會影響到其他電機(jī)，因此這種策略的同步性能較差。1980年koren最初提出并聯(lián)交叉耦合控制，但這種控制策略難以確定3臺以上電機(jī)的補(bǔ)償規(guī)律[3]。隨后，21世紀(jì)初期，shih提出適用于3臺電機(jī)以上的相鄰交叉耦合控制策略，以及各國學(xué)者陸續(xù)提出的偏交叉耦合控制、環(huán)形耦合控制等，都取得了較好的控制效果[4-5]。近年來，更多的學(xué)者將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制和自適應(yīng)控制的控制算法應(yīng)用于多電機(jī)系統(tǒng)協(xié)同控制中，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的控制精度、魯棒性和穩(wěn)定性等系統(tǒng)性能[6-8]。但是，以上控制策略都是基于各參數(shù)時刻保持同步的情況下，對于多電機(jī)系統(tǒng)中各參數(shù)保持一定的比例關(guān)系的情況則沒有考慮。并且以上控制策略隨著電機(jī)數(shù)量的增加，導(dǎo)致控制器運(yùn)算復(fù)雜、計算工作量極其巨大。

針對上述存在的這些問題，本文將并行控制與相鄰交叉耦合控制相結(jié)合，并在控制結(jié)構(gòu)中考慮同步系數(shù)，提出一種基于并行控制、相鄰耦合控制、耦合誤差同步控制的多電機(jī)動態(tài)協(xié)同控制策略，解決驅(qū)動電機(jī)動態(tài)偏差導(dǎo)致的準(zhǔn)確性不足的問題。同時在控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用將每一軸電機(jī)的跟蹤誤差和相鄰軸電機(jī)的同步誤差相結(jié)合的方式，減少控制器數(shù)量，實現(xiàn)船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機(jī)協(xié)同精確控制。

1 多電機(jī)動態(tài)協(xié)同控制

基于最小相關(guān)軸數(shù)目同步控制理論，將系統(tǒng)中的任何一臺電機(jī)利用其相鄰的電機(jī)的同步誤差進(jìn)行補(bǔ)償。假定同步系統(tǒng)中n臺電機(jī)之間關(guān)系為：::….=::….:

即：

（1）

（2） （3）

將系統(tǒng)分為（n，1，2），（1，2，3），…，（i-1，i，i+1），…，（n-1，n，1）n個子系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每軸電機(jī)只能和與之前后相鄰的兩軸電機(jī)相關(guān)。在每個子系統(tǒng)內(nèi)，要使系統(tǒng)按照比例穩(wěn)定運(yùn)行，則應(yīng)使跟蹤誤差和同步誤差、都收斂于零，即應(yīng)滿足下式成立。

（4）

（5）

則第i軸的控制函數(shù)設(shè)計為：

（6）

由式（2）（3）（4）（6）可得：

（7）

則第i軸的跟蹤誤差控制函數(shù)為：

（8）

第i軸的同步誤差控制函數(shù)為：

（9）

則第i軸的控制函數(shù)為：

（10）

因此根據(jù)式（8）（9），在每個同步子系統(tǒng)中由1個跟蹤誤差控制器和1個同步誤差控制器組成。則多電機(jī)動態(tài)協(xié)同復(fù)合控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中~為同步系數(shù)，系統(tǒng)中包含2n個控制器，與傳統(tǒng)相鄰交叉耦合控制相比減少了控制器的數(shù)量。

2 船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)

Lebus滾筒能很好地解決多層卷繞排纜的問題[11]，伺服排纜整齊的關(guān)鍵在于Lebus滾筒控制，但Lebus滾筒多電機(jī)協(xié)同控制易受負(fù)載擾動和電機(jī)參數(shù)攝動影響，使Lebus滾筒達(dá)不到伺服排纜快速性、精確性的要求。設(shè)計的船舶伺服排纜Lebus滾筒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：采用西門子SINUMERIK 840Dsl控制單元；AIM接口模塊，包含一個電抗器、電網(wǎng)凈化濾波器和抗干擾抑制器；ALM電源模塊，為受控的整流/回饋模塊；SMM電機(jī)模塊，單軸電機(jī)模塊；DMM電機(jī)模塊，雙軸電機(jī)模塊；SMC30編碼器接口模塊，連接主軸的編碼器；ENCODER編碼器模塊；SINUMERIK CPU，840D sl數(shù)控系統(tǒng)CPU；MCP483C PN，操作面板；HMI，顯示面板；Hand wheel，手搖輪手柄；PP72/48D PN，系統(tǒng)I/O輸入輸出控制系統(tǒng)其他輔助設(shè)備，與NCU之間采用Profibus-DP通訊；PC上位機(jī)，用于監(jiān)控、調(diào)試、編程。

船舶伺服排纜Lebus滾筒控制系統(tǒng)如圖3所示，伺服排纜Lebus滾筒能將鋼絲繩的定位控制準(zhǔn)確，鋼絲繩爬升時既能抬升鋼絲繩又不擠壓下層鋼絲繩，減少磨損，實現(xiàn)鋼絲繩的整齊排列。

圖1 多電機(jī)動態(tài)協(xié)同控制結(jié)構(gòu)

圖2 船舶伺服排纜Lebus滾筒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 船舶伺服排纜Lebus滾筒控制系統(tǒng)圖

3 結(jié)果分析

3.1系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)置

針對船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)，其X軸、Y軸和Z軸的3臺電機(jī)為控制對象，進(jìn)行并行控制、相鄰耦合控制和耦合誤差同步控制實驗，控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

3.2 實驗對比

在傳統(tǒng)的非交叉耦合多電機(jī)協(xié)同控制和多電機(jī)動態(tài)協(xié)同復(fù)合控制2種控制策略下，采用電機(jī)載荷擾動方式對多電機(jī)協(xié)同控制結(jié)構(gòu)作對比實驗，如圖5、6所示。

圖4 船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)原理圖

表1 3臺電機(jī)的參數(shù)設(shè)置

(a)負(fù)載擾動下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

(b)電機(jī)同步誤差曲線

圖5 非交叉耦合結(jié)構(gòu)協(xié)同控制電機(jī)實驗曲線

3.3實驗結(jié)果分析

1）由圖5(a)可知，在傳統(tǒng)的非交叉耦合多電機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)中電機(jī)啟動時，電機(jī)間轉(zhuǎn)速存在滯后問題，啟動期間轉(zhuǎn)速波動較大，直到0.2 s時3臺電機(jī)速度趨于穩(wěn)定同步。設(shè)定在0.4 s時刻給電機(jī)1增加負(fù)載擾動，在0.4 s到0.48 s這段時間里，3臺電機(jī)間轉(zhuǎn)速波動較大，直至0.48 s時3臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速才趨于穩(wěn)定，并且電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，受負(fù)載擾動影響時間為0.08 s。從圖5(b)中可以看出系統(tǒng)在啟動過程和受到負(fù)載擾動過程中，電機(jī)間同步誤差變化較大。當(dāng)系統(tǒng)中某一軸電機(jī)受到負(fù)載擾動或者突變時，其他各軸電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)將會受到影響，系統(tǒng)出現(xiàn)較大的同步誤差。

2）由圖6(a)可知，在多電機(jī)動態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)中電機(jī)啟動時，電機(jī)間轉(zhuǎn)速波動與非交叉耦合控制系統(tǒng)相比得到明顯改善，啟動平穩(wěn)，到0.1 s時3臺電機(jī)速度趨于穩(wěn)定同步。設(shè)定在0.4 s時刻給電機(jī)1增加負(fù)載擾動，出現(xiàn)小幅同步誤差，3臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，過度平穩(wěn)，到0.42 s時3臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定同步，受負(fù)載擾動影響時間為0.02 s。從圖6(b)中可以看出系統(tǒng)在啟動過程有一定同步誤差，同步誤差8%，在0.4 s載荷擾動過程中，出現(xiàn)小幅同步誤差，但很快恢復(fù)穩(wěn)定。可以看出，電機(jī)間同步誤差相對于傳統(tǒng)的非交叉耦合多電機(jī)協(xié)同控制，多電機(jī)動態(tài)協(xié)同控制結(jié)構(gòu)具有更好的系統(tǒng)性能。

4 結(jié)論

1）針對船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機(jī)協(xié)同控制的不足，提出了一種基于并行控制、相鄰耦合控制、耦合誤差同步控制的多電機(jī)動態(tài)協(xié)同控制方案，實現(xiàn)了多電機(jī)比例協(xié)同控制，為船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機(jī)協(xié)同控制提供參考。

(a)負(fù)載擾動下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

(b)電機(jī)同步誤差曲線

圖6 多電機(jī)動態(tài)協(xié)同控制電機(jī)實驗曲線

2）研究了一種消除跟蹤誤差和同步誤差的控制算法，它能使系統(tǒng)更快速的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，與傳統(tǒng)控制器相比較，減少了控制器數(shù)量，且簡化了控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，具有更好的動態(tài)性能和同步精度。

3）設(shè)計了船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)，克服負(fù)載擾動和電機(jī)參數(shù)攝動對同步精度影響的問題，使Lebus卷筒能將鋼絲繩的定位控制準(zhǔn)確，且在鋼絲繩爬升時既能抬升鋼絲繩又不擠壓下層鋼絲繩，減少磨損，實現(xiàn)鋼絲繩的整齊排列。

綜上所述，船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機(jī)協(xié)同控制具有較高的實用價值，對船用多點系泊自適應(yīng)控制系統(tǒng)、自升式平臺多電機(jī)等時同步控制等具有重要指導(dǎo)意義。

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Multi- motor Control of the Lebus Roller of the Ship's Servo Cable

Lu Run, Chen Fukang

( Merchant Marine Academy, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM921.541

A

1003-4862（2017）04-0010-05

2016-11-16

國家自然科學(xué)基金項目（編號51179102）

魯潤（1993-），男，碩士研究生。研究方向：多電機(jī)協(xié)同控制技術(shù)與應(yīng)用研究。

E-mail：lurun2016@163.com