黃 皓，涂群章，蔣成明，傅中明，張洪新

0 引言

為適應(yīng)工程車輛路況復(fù)雜、行駛載荷多變、機(jī)動(dòng)性要求高的要求[1]，同時(shí)滿足乘座舒適性，電傳動(dòng)工程車輛的驅(qū)動(dòng)方式正逐步由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)向多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展[2]，雙側(cè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)是如今運(yùn)用最多的電傳動(dòng)方案（如法國“響尾蛇”地對(duì)空導(dǎo)彈車，德國的“黃鼠狼”步兵戰(zhàn)車，美國的M113兩棲裝甲運(yùn)兵車等[3]），它具有傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)布置靈活等優(yōu)點(diǎn)[4]，但由于其兩側(cè)電機(jī)不存在機(jī)械連接，在直線行駛過程中，如果兩側(cè)電機(jī)受到的地面負(fù)載不同，會(huì)導(dǎo)致前輪兩側(cè)的速度不同步，將會(huì)產(chǎn)生車輛方向盤不受控制、跑偏、打滑等問題，這將影響車輛行駛的安全性和舒適性[5-6]。

在實(shí)際的多電機(jī)傳動(dòng)工程車直線行駛工況中，能否實(shí)現(xiàn)在多變載荷工況下，多電機(jī)速度的同步協(xié)調(diào)控制，直接關(guān)系到車輛的安全性和舒適性，因而多電機(jī)系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制問題是該類車輛研發(fā)的一個(gè)急需解決的關(guān)鍵問題，目前逐漸成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[7]。為此，本文針對(duì)多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)多電機(jī)協(xié)同控制策略進(jìn)行了論述[8-9]，重點(diǎn)介紹和分析了：（1）經(jīng)典控制策略，主要包括并行方式、主從方式、交叉耦合方式[10]；（2）現(xiàn)代控制策略，主要包括偏差耦合控制和環(huán)形耦合控制[11]；（3）智能控制策略，主要包括基于模糊控制器的同步控制和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同步控制[12-13]，探討了多電機(jī)同步控制的發(fā)展趨勢(shì)，為多電機(jī)傳動(dòng)工程車輛行駛過程中速度協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究提供借鑒。

1 經(jīng)典控制策略

同步協(xié)調(diào)控制指的是按照工程要求，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)軸之間的輸出值的協(xié)調(diào)控制。經(jīng)典同步控制理論是在20世紀(jì)80年代由Y.Koren教授[14]和Robert.D.Lorenz教授[15]創(chuàng)立的，控制方式主要有并行方式、主從方式和交叉耦合方式。

1.1 并行控制策略

并行控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)中所有單元共享一個(gè)控制信號(hào)，讓每個(gè)單元都有理想一致的輸出結(jié)果，從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)良，動(dòng)態(tài)性能好，并行控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 并行控制結(jié)構(gòu)圖

并行控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)算較快，控制方便，但是它的缺點(diǎn)也很明顯，由于每個(gè)電機(jī)都是獨(dú)立控制的，當(dāng)其中一臺(tái)或者多臺(tái)電機(jī)受到外界干擾時(shí)，這些電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，而其他電機(jī)由于是獨(dú)立控制的，不會(huì)受到影響，這就導(dǎo)致了控制系統(tǒng)失去了同步性[16]，這在工程車輛路況復(fù)雜、行駛載荷多變的情況下，難以達(dá)到要求。

1.2 主從控制策略

以雙電機(jī)主從控制為例，主從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速作為從電機(jī)的轉(zhuǎn)速的輸入?yún)⒖贾?，從?dòng)機(jī)的輸出由主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速控制，使之達(dá)到同步協(xié)調(diào)控制。在這種控制方法下，每個(gè)從電機(jī)單元都能準(zhǔn)確快速的跟蹤參考值，實(shí)現(xiàn)良好的跟蹤性。

圖2 主從控制結(jié)構(gòu)圖

從圖2可以看出，在主從控制結(jié)構(gòu)下，將一臺(tái)電機(jī)作為主電機(jī)，主電機(jī)的輸出信號(hào)為參考信號(hào)控制從動(dòng)機(jī)，理想情況下，能達(dá)到較好地同步效果，但是假設(shè)從動(dòng)機(jī)收到外界負(fù)載的干擾，從動(dòng)機(jī)的速度會(huì)發(fā)生改變，由于主動(dòng)機(jī)不受從動(dòng)機(jī)的控制，主電機(jī)的速度不會(huì)隨之改變，從而導(dǎo)致兩電機(jī)存在速度的誤差，無法達(dá)到理想的控制效果。

1.3 交叉耦合控制策略

交叉耦合控制策略是解決多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制十分有效的方法[15]，主要運(yùn)用于解決外界因速的影響對(duì)多電機(jī)造成的速度不同步問題，針對(duì)控制系統(tǒng)中各個(gè)對(duì)象建立耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制，這種控制方式能反映出任何一臺(tái)電機(jī)的負(fù)載變化，顯著提高了控制精度[6]。交叉耦合控制策略結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 交叉耦合控制結(jié)構(gòu)圖

交叉耦合同步控制策略在實(shí)際中已經(jīng)開始運(yùn)用，1990年美國俄亥俄州立大學(xué)的K.Srinivasan教授運(yùn)用交叉耦合算法設(shè)計(jì)出了一種控制器[11]，通過系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡斜率實(shí)時(shí)調(diào)整控制器參數(shù)，使控制器達(dá)到良好的時(shí)變性。

2 現(xiàn)代控制策略

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)同步精度的要求越來越高，導(dǎo)致經(jīng)典控制策略很難滿足日益遞增的精度要求，更高精度的控制策略需要被創(chuàng)建，導(dǎo)致現(xiàn)代控制策略在經(jīng)典控制策略的基礎(chǔ)上發(fā)展出來，主要分為偏差耦合控制策略和環(huán)形耦合控制策略。

2.1 偏差耦合控制

針對(duì)上述提出的交叉耦合控制策略無法滿足三臺(tái)以上電機(jī)的穩(wěn)定控制，人們研究出了偏差耦合控制，偏差耦合控制主要控制方法是通過比較各個(gè)電機(jī)的輸出速度進(jìn)行補(bǔ)償反饋[17]。偏差耦合控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 偏差耦合控制結(jié)構(gòu)圖

偏差耦合控制相對(duì)于經(jīng)典控制策略，克服了信號(hào)響應(yīng)延時(shí)性大的缺點(diǎn)，同時(shí)適用于兩臺(tái)以上的多電機(jī)系統(tǒng)，響應(yīng)迅速，誤差較小。西北工業(yè)大學(xué)[18]以多臺(tái)無刷直流電機(jī)為研究對(duì)象，采用偏差耦合控制策略協(xié)調(diào)系統(tǒng)的同步控制，在Matlab/Simulink中的仿真結(jié)果表明了偏差耦合控制策略控制效果優(yōu)良、無超調(diào)現(xiàn)象、響應(yīng)迅速。

2.2 環(huán)形耦合控制

環(huán)形耦合控制是利用各個(gè)單元之間的速度補(bǔ)償形成的現(xiàn)代控制策略。環(huán)形耦合控制方式同時(shí)考慮了被控對(duì)象的輸出與給定輸出之間的誤差關(guān)系以及相鄰單元之間的輸出誤差關(guān)系[19]，環(huán)形耦合控制策略的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 環(huán)形耦合控制結(jié)構(gòu)圖

大連理工大學(xué)[20]在多電機(jī)的同步控制領(lǐng)域提出一種基于滑模變結(jié)構(gòu)方法的環(huán)形耦合控制策略，經(jīng)過仿真和實(shí)驗(yàn)證明，這種控制方法在控制過程中不受外來干擾和自身參數(shù)影響，具有良好的抗干擾性和魯棒性。

3 智能控制策略

上述的經(jīng)典控制策略和現(xiàn)代控制策略，在對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中必須建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，但是工業(yè)控制中很多復(fù)雜的系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型難以建立，為了解決這類問題，人們將智能控制技術(shù)應(yīng)用于控制器設(shè)計(jì)中[21]，智能控制策略中運(yùn)用較多的有基于模糊控制器的同步控制和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同步控制。

3.1 基于模糊控制器的同步控制

模糊控制理論以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用語言規(guī)則表示方法的先進(jìn)算法技術(shù)，將模糊的數(shù)學(xué)模型利用語言方式表達(dá)出來[22-23]，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模糊控制系統(tǒng)

近年來，模糊技術(shù)逐漸運(yùn)用于多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制，文獻(xiàn)[24]設(shè)計(jì)出了基于模糊控制器的改進(jìn)耦合多電機(jī)同步控制，該控制器結(jié)構(gòu)原理圖如圖7所示。

圖7 基于模糊控制器的改進(jìn)耦合多電機(jī)同步控制系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，各個(gè)電機(jī)輸出速度之間的耦合關(guān)系依靠模糊控制器實(shí)現(xiàn)，將各個(gè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速輸入到模糊控制器中，根據(jù)制定的模糊規(guī)則確定各電機(jī)的補(bǔ)償速度，執(zhí)行器再將補(bǔ)償速度反饋到各個(gè)電機(jī)[25-26]，最終達(dá)到同步協(xié)調(diào)控制。

3.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同步控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來的自動(dòng)控制領(lǐng)域的前沿學(xué)科之一，它是智能控制的一個(gè)新的分支。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制主要由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方法三個(gè)內(nèi)容組成[27-28]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元模型和生物神經(jīng)元模型類似，可將其視為多輸入單輸出的模型[29]，其模型如圖 8所示。

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

圖 8 中，ui表示神經(jīng)元的內(nèi)部狀態(tài)，x1、x2……xn表示輸入信號(hào)，ωi1、ωi2……ωin表示連接權(quán)系數(shù)，si表示外部輸入信號(hào)[30]。神經(jīng)元模型的數(shù)學(xué)形式可描敘為：

文獻(xiàn)[31]針對(duì)兩個(gè)電機(jī)的同步協(xié)調(diào)控制策略，以控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和張力作為輸入，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)速和張力的解耦同步協(xié)調(diào)控制方案，利用RBF網(wǎng)絡(luò)整定PID控制器參數(shù)，這種控制系統(tǒng)具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)二電機(jī)同步控制圖

圖中ω0、F0分別為期望電機(jī)轉(zhuǎn)速和載荷，ω、F分別為實(shí)際運(yùn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速和載荷，μ1、μ2為2個(gè)自適應(yīng)PID控制器的輸出信號(hào)，通過神經(jīng)元耦合補(bǔ)償器后的信號(hào)μ1、μ2作為兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸入信號(hào)，采用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法能夠在保證兩臺(tái)電機(jī)速度同步的基礎(chǔ)上保證載荷F0的恒定，達(dá)到了速度和載荷的解耦控制，并且系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)性能[31]。

4 控制策略分析比較

上述控制方法均有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)典控制策略中并行控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，操縱容易，但不適合電機(jī)受到外界干擾較大的情況。主從控制利用主電機(jī)作為控制電機(jī)，在理想情況下，可以保持很好的同步效果，但如果從動(dòng)機(jī)收到外界負(fù)載的干擾，從動(dòng)機(jī)的速度會(huì)隨之發(fā)生改變，然而主動(dòng)機(jī)不受從動(dòng)機(jī)的控制，主電機(jī)的速度不會(huì)隨之改變，而且主從控制在控制過程中會(huì)出現(xiàn)時(shí)滯性。交叉耦合控制能夠根據(jù)要求完成同步反饋控制，極大地提高了同步精度，但不適用于兩電機(jī)以上的多電機(jī)控制。

現(xiàn)代控制策略中偏差耦合控制采用閉環(huán)控制，加入偏差耦合控制策略協(xié)調(diào)各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其不受電機(jī)數(shù)量的影響，具有同步性能好、響應(yīng)速度快、超調(diào)量小以及魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，但是由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，當(dāng)電機(jī)數(shù)目較多時(shí)，系統(tǒng)的計(jì)算量會(huì)很大。環(huán)形耦合控制是主從控制上發(fā)展而來的，系統(tǒng)在啟停階段同步性能較好、響應(yīng)速度快，但當(dāng)其中任何一臺(tái)電機(jī)收到速度波動(dòng)情況下，它就只能通過與之相鄰的電機(jī)將信號(hào)傳遞給其他電機(jī)，一旦數(shù)目較多，就會(huì)導(dǎo)致控制延時(shí)，從而使得系統(tǒng)的計(jì)算量較大。

在智能控制策略中，基于模糊控制器的改進(jìn)耦合多電機(jī)同步系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)電機(jī)來制定模糊規(guī)則，通過模糊推理來整定PID參數(shù)，通過仿真和模擬，與傳統(tǒng)控制相比具有跟蹤迅速、超調(diào)量小、單元輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)速誤差魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制適用于多變量系統(tǒng)的解耦控制，無需測(cè)量和辨識(shí)被控多變量對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以得到良好的的解耦效果，但運(yùn)算量大，控制算法十分復(fù)雜，不利于運(yùn)用到實(shí)際工程實(shí)踐中。

5 發(fā)展趨勢(shì)

多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制具有良好的發(fā)展前景，近年來，多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制向著以下幾個(gè)方面發(fā)展與研究。

（1）良好的解耦控制性能。多電機(jī)同步控制性能直接受系統(tǒng)參數(shù)解耦性能影響，因此在多電機(jī)同步控制時(shí)要保證強(qiáng)解耦性。

（2）強(qiáng)抗干擾性。在實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)合，抗干擾能力是系統(tǒng)控制性能的重要參數(shù)，在輪式汽車實(shí)際運(yùn)行的路面會(huì)發(fā)生各種變化，導(dǎo)致控制參數(shù)的漂移，這要求多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性。

（3）良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。多電機(jī)同步控制系統(tǒng)能夠根據(jù)外界的變化快速達(dá)到穩(wěn)定性，直接影響到多電機(jī)同步控制性能，這也是一項(xiàng)重要研究方向。

（4）較高的穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)作的前提，能否提高穩(wěn)定性，直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運(yùn)作。提高穩(wěn)定性也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

6 結(jié)束語

本文對(duì)多電機(jī)傳動(dòng)工程車輛在直線行駛過程中，多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制的策略進(jìn)行了研究，論述三種控制策略的原理、特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法。分析比較了各控制策略的優(yōu)劣性，對(duì)多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制技術(shù)的主要問題及其發(fā)展進(jìn)行展望，為電傳動(dòng)工程車輛多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的研發(fā)提供參考。

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