魯 潤，陳?？?/p>

?

船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機控制的研究

魯 潤，陳?？?/p>

（上海海事大學商船學院，上海 201306）

針對船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機協(xié)同控制易受負載擾動和電機參數(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動態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)，解決驅動電機動態(tài)偏差導致的準確性不足的問題；針對系統(tǒng)較強的非線性及不確定性，采用基于最小相關軸處理方法設計系統(tǒng)消除跟蹤誤差和同步誤差控制器，將每一軸電機的跟蹤誤差和相鄰軸電機的同步誤差相結合，減少控制器數(shù)量。設計了船舶伺服排纜Lebus滾筒3軸協(xié)同控制系統(tǒng)，仿真結果表明，該方法具有較強的魯棒性、動態(tài)快速性和同步精度。

船舶 伺服排纜 Lebus滾筒 多電機控制 同步控制

0 引言

智能制造的關鍵是依靠云計算、大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)推動復雜系統(tǒng)中的多電機協(xié)同控制，協(xié)同控制是基于現(xiàn)代數(shù)學和協(xié)同學的狀態(tài)空間方法上的非線性反饋控制。隨著對多電機系統(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)設備控制系統(tǒng)的性能要求也越來越高，因而多電機協(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]。多電機協(xié)同控制策略在船用多點系泊自適應控制系統(tǒng)、自升式平臺多電機等時同步控制、船舶伺服排纜Lebus(里巴斯/雙折線)滾筒多電機控制等其他各行各業(yè)中的應用也越來越廣泛。協(xié)同控制性能的好壞直接關系到系統(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用價值。

目前，多電機系統(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之間沒有耦合，任一臺電機上發(fā)生的擾動不會影響到其他電機，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臺以上電機的補償規(guī)律[3]。隨后，21世紀初期，shih提出適用于3臺電機以上的相鄰交叉耦合控制策略，以及各國學者陸續(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，更多的學者將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、魯棒控制和自適應控制的控制算法應用于多電機系統(tǒng)協(xié)同控制中，進一步提高控制系統(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，對于多電機系統(tǒng)中各參數(shù)保持一定的比例關系的情況則沒有考慮。并且以上控制策略隨著電機數(shù)量的增加，導致控制器運算復雜、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合，并在控制結構中考慮同步系數(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動態(tài)協(xié)同控制策略，解決驅動電機動態(tài)偏差導致的準確性不足的問題。同時在控制器結構設計上，采用將每一軸電機的跟蹤誤差和相鄰軸電機的同步誤差相結合的方式，減少控制器數(shù)量，實現(xiàn)船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機協(xié)同精確控制。

1 多電機動態(tài)協(xié)同控制

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

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)中的每軸電機只能和與之前后相鄰的兩軸電機相關。在每個子系統(tǒng)內(nèi)，要使系統(tǒng)按照比例穩(wěn)定運行，則應使跟蹤誤差和同步誤差、都收斂于零，即應滿足下式成立。

（4）

（5）

則第i軸的控制函數(shù)設計為：

（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。則多電機動態(tài)協(xié)同復合控制結構如圖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]，伺服排纜整齊的關鍵在于Lebus滾筒控制，但Lebus滾筒多電機協(xié)同控制易受負載擾動和電機參數(shù)攝動影響，使Lebus滾筒達不到伺服排纜快速性、精確性的要求。設計的船舶伺服排纜Lebus滾筒控制系統(tǒng)結構如圖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電機模塊，單軸電機模塊；DMM電機模塊，雙軸電機模塊；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)其他輔助設備，與NCU之間采用Profibus-DP通訊；PC上位機，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 多電機動態(tài)協(xié)同控制結構

圖2 船舶伺服排纜Lebus滾筒控制系統(tǒng)結構圖

圖3 船舶伺服排纜Lebus滾筒控制系統(tǒng)圖

3 結果分析

3.1系統(tǒng)及參數(shù)設置

針對船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機協(xié)同控制系統(tǒng)，其X軸、Y軸和Z軸的3臺電機為控制對象，進行并行控制、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協(xié)同控制和多電機動態(tài)協(xié)同復合控制2種控制策略下，采用電機載荷擾動方式對多電機協(xié)同控制結構作對比實驗，如圖5、6所示。

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

表1 3臺電機的參數(shù)設置

(a)負載擾動下電機輸出轉速

(b)電機同步誤差曲線

圖5 非交叉耦合結構協(xié)同控制電機實驗曲線

3.3實驗結果分析

1）由圖5(a)可知，在傳統(tǒng)的非交叉耦合多電機協(xié)同控制系統(tǒng)中電機啟動時，電機間轉速存在滯后問題，啟動期間轉速波動較大，直到0.2 s時3臺電機速度趨于穩(wěn)定同步。設定在0.4 s時刻給電機1增加負載擾動，在0.4 s到0.48 s這段時間里，3臺電機間轉速波動較大，直至0.48 s時3臺電機的轉速才趨于穩(wěn)定，并且電機轉速降低，受負載擾動影響時間為0.08 s。從圖5(b)中可以看出系統(tǒng)在啟動過程和受到負載擾動過程中，電機間同步誤差變化較大。當系統(tǒng)中某一軸電機受到負載擾動或者突變時，其他各軸電機的運行狀態(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，在多電機動態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)中電機啟動時，電機間轉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臺電機速度趨于穩(wěn)定同步。設定在0.4 s時刻給電機1增加負載擾動，出現(xiàn)小幅同步誤差，3臺電機的轉速降低，過度平穩(wěn)，到0.42 s時3臺電機的轉速趨于穩(wěn)定同步，受負載擾動影響時間為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，但很快恢復穩(wěn)定?？梢钥闯觯姍C間同步誤差相對于傳統(tǒng)的非交叉耦合多電機協(xié)同控制，多電機動態(tài)協(xié)同控制結構具有更好的系統(tǒng)性能。

4 結論

1）針對船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機協(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動態(tài)協(xié)同控制方案，實現(xiàn)了多電機比例協(xié)同控制，為船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機協(xié)同控制提供參考。

(a)負載擾動下電機輸出轉速

(b)電機同步誤差曲線

圖6 多電機動態(tài)協(xié)同控制電機實驗曲線

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，且簡化了控制結構的復雜程度，具有更好的動態(tài)性能和同步精度。

3）設計了船舶伺服排纜Lebus滾筒多電機協(xié)同控制系統(tǒng)，克服負載擾動和電機參數(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滾筒多電機協(xié)同控制具有較高的實用價值，對船用多點系泊自適應控制系統(tǒng)、自升式平臺多電機等時同步控制等具有重要指導意義。

[1] Fucai L, Zhang Xuelian. Internal Model Control of Multi-motor Synchro-coordinate Driving in Compensation[J]. Electric Drive, 2002, 32(3):11-13.

[2] 高德超.多電機系統(tǒng)協(xié)同控制研究[D]. 濟南大學, 2015.

[3] KOREN,Y. Cross-Coupled Biaxial Computer Controls for Manufacturing Systems[J]. Journal of Dynamic Systems Measurement & Control, 1980, 102(4):265-272.

[4] 彭曉燕,劉威,張強. 基于改進型偏差耦合結構的多電機同步控制[J].湖南大學學報:自然科學版, 2013, 40(11):77-83.

[5] 劉然,孫建忠,羅亞琴,等.基于環(huán)形耦合策略的多電機同步控制研究[J]. 控制與決策, 2011, 26(6):957-960.

[6] 胥小勇, 孫宇,蔣清海. 改進型相鄰耦合結構的多電機比例同步控制[J]. 儀器儀表學報, 2012, 33(6):1254-1260.

[7] Liu R, Sun J Z, Luo Y Q, et al. Research on Multi-Motor Synchronization Control Based on the Ring Coupling Strategy for Cutterhead Driving System of Shield Machines[J]. Applied Mechanics & Materials, 2011, 52-54:65-72.

[8] Shi T, Liu H, Geng Q, et al. Improved relative coupling control structure for multi-motor speed synchronous driving system[J]. Iet Electric Power Applications, 2016, 10(6):451-457.

[9] 肖海峰, 李凱.改進型相鄰耦合誤差的多電機同步控制策略[J].自動化與儀器儀表, 2014(9):148-149.

[10] 張承慧,石慶升, 程金.一種基于相鄰耦合誤差的多電機同步控制策略[J].中國電機工程學報, 2007, 27(15):59-63.

[11] 胡水根. 卷筒折線繩槽爬臺的理論尺寸分析[J].建筑機械, 2011(11):99-101.

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

國家自然科學基金項目（編號51179102）

魯潤（1993-），男，碩士研究生。研究方向：多電機協(xié)同控制技術與應用研究。

E-mail：lurun2016@163.com