周丽--多电机总线网络技术与同步解耦控制策略研究ppt课件

1、教师：刘星桥 教授多电机总线网络技术与同步解耦控制战略研讨多电机同步系统多变频器驱动多台感应电机就构成了多电机控制系统。一、研讨对象多电机同步系统定义：由两台及以上的电机同时驱动同一共同负载，并且系统中各电机要坚持协调同步运转。 “共同负载可以是多种多样的，本平台用一根聚酯织物皮带构成共同负载。根据共同负载的不同，多电机同步系统可以运用于各种不同的领域。一、研讨对象多电机系统的典型运用场所：实践意义：多电机同步控制在工业消费、舞台控制、军事及航空等领域中得到了广泛的运用。在实践消费过程中 ，由于各传动轴的驱动特性不匹配、负载的扰动等要素的影响，使得多电机的同步性能恶化。因此，多电机同步控制成为

2、研讨的热点。 实际意义：从高性能控制的角度来看，多电机同步系统是一个高阶、强耦合、非线性时变的复杂系统，实践上很难获得其准确的数学模型。因此，基于不依赖多电机的数学模型，对多电机的解耦控制成为了多电机同步控制中的难点。 所谓现场总线，是指将现场设备如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等与工业过程控制单元、现场操作站等互联而成的计算机网络。二、多电机总线网络技术对于现场总线，一方面把传统的模拟仪表变成数字仪表，变单一功能为多项功能，实现现场仪表的互操作和互换信息；另一方面是把DCS(分散型控制系统)变成FCS(现场控制系统)，在现场建立开放式的现场通讯网络，实现全系统的数字通讯网络化。 二、多电

3、机总线网络技术现场总线有以下优点: 1、一对N的构造，一对传输线，可以对应多台现场数字仪表，也可采用多种网络拓扑构造，简化了工程设计，降低了工程费用；2、现场总线采用数字信号传输；实现远程监控；综合多种功能，以微处置器为根底的数字仪表具有多种功能；3、数字调理阀直接从现场总线接纳数字调理信号，在现场总线上就可以构成回路，把原来的DCS站的功能下放到现场仪表，实现彻底地分散，提高系统的可靠性 。二、多电机总线网络技术二、多电机总线网络技术 多点接口MPIMultipoint Interface是一种简单经济的通讯方式，适用于通讯速率要求不高、通讯数据量不大的场所。多用于对其编程，衔接上位机和少量

4、PLC之间近间隔通讯。 二、多电机总线网络技术MPI、PROFIBUS通讯构造图 PROFIBUS是Process Fieldbus的简称，它是1987年由原西德联邦科技部集中了13家公司及5家研讨所力量ISO/OSI参考模型制定现场总线德国国家标(PROFIBUS)。2年多努力，完成了制定任务，与1991年4月DIN19245中发表，正式成为德国现场总线国家规范。从1991年到1995年先后同意实施Part1Part4，1996年3月被同意为欧洲规范EN50170 V2，并于2000年成为IEC61158国际现场总线规范之一。二、多电机总线网络技术二、多电机总线网络技术 PROFIBUS是目

5、前国际上通用的现场总线规范之一，是不依赖于消费厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可以经过同样的接口交换信息。 PROFIBUS用于分布式I/O设备、传动安装、PLC和基于PC的自动化系统. 90年代初，PROFIBUS由西门子引入中国，开场被国内所接受。到中德两国政府有关部门支持及西门子大力推行，PROFIBUS中国开展势头良好，目前，PROFIBUS我国已拥有众多用户，如上海扬树蒲电厂、西安扬森制药厂、云南玉溪卷烟厂、青岛啤酒厂、海尔冰箱消费线。 二、多电机总线网络技术PROFIBUS现场总线通讯协议包括三个主要部分： PROFIBUS-DP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，

6、主要运用于自动化系统中单元级和现场级通讯。 PROFIBUS-PA：电源和通讯数据经过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。 PROFIBUS-FMS：定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。二、多电机总线网络技术基于PROFIBUS的控制系统构造表示图我们将运用西门子可编程控制器SIMATIC S7-300作为控制器，经过PROFIBUS-DP现场总线实现S7-300与三台西门子的MMV变频器主从站通讯，分别控制三台交流电机，速度的反响值由光电编码器检测，两个张力的反响值分别由两个张力传感器检测，并运用西门子的WinCC组态软

7、件监控整个系统的控制过程，由此构成一个多电机网络控制系统 。 代表全世界1200 多家会员公司的PROFIBUS 国际组织推出了基于实时工业以太网的PROFINET 自动化处理方案。该技术为当前的用户提供了一套完好高性能可伸缩的晋级至工业以太网平台的处理方案PROFINET 是一项艰苦的并具有战略性的技术创新，它不仅能为PROFIBUS，而且能为其它现场总线网络系统提供以太网移植效力。 采用基于工业以太网的开放式、跨供应商规范的 PROFINET，即可从公司管理层直到现场层实现直接、透明的访问。PROFINET 基于现有成熟IT 规范，并提供对TCP/IP 的全面支持。用户可以毫不费力地与现有

8、系统进展扩展及便利集成。 PROFInet 方案覆盖了分散自动化系统的一切运转阶段。它包含以下主要方面： 高度分散自动化系统的开放对象模型构造 模型 基于 Ethernet 的开放的、面向对象的运转期通讯方案功能单元间的通讯关系 独立于制造商的工程设计方案运用开发具有PROFInet 的工业通讯PROFIBUS、PROFInet 网络紫色为PROFIBUS总线绿色为PROFINET总线三、多电机同步解耦战略研讨在许多实践多电机同步系统中，要求各台电机之间必需协调运转，使系统在运转过程中的张力坚持在某个给定值恒定不变，并且张力不受电机速度变化的影响。为了提高张力控制的性能，就必需实现速度和张力的

9、解耦控制。三、多电机同步解耦战略研讨两电机张力控制系统模型三、多电机同步解耦战略研讨三电机张力控制系统模型三、多电机同步解耦战略研讨根据虎克定律：三、多电机同步解耦战略研讨三、多电机同步解耦战略研讨传统的两电机PID控制三、多电机同步解耦战略研讨经典PID控制器的优缺陷分析 经典PID控制器的原理是基于“用误差反响来消除误差； 优点：构造简单，易于实现，不需求被控对象的模型 ；缺陷：误差的取法 、由误差e 提取微分的方法 、“加权和 战略、积分反响。 但控制器参数整定困难, 参数鲁棒性较差, 无法同时满足呼应速度快、稳态精度高的要求。 三、多电机同步解耦战略研讨近年来国内在该方面的研讨刚刚起步

10、，国外在该领域的研讨得到迅速开展，多电机的协调控制的主要方法有： (1) 基于传统PID 的改良算法 2006 年，天津大学的Che Yanbo 等人运用变增益智能控制方法实现了纤维热成型机械多电机同步系统的恒张力控制。2007 年，上海交通大学的周烨斐等人采用递归平均PID 增量算法实现了四电机系统粗纱张力控制。三、多电机同步解耦战略研讨(2) 基于模糊控制的算法2005年，韩国的ByeongMook Chung等人经过Fuzzy PID算法实现了多台高速开口机系统的张力的动态控制。Chung-Chun Kung等人经过设计自顺应模糊控制器实现收卷机系统的恒张力控制。三、多电机同步解耦战略研

11、讨(3) 神经网络算法1998年，Luo运用多层神经网络使速度环和张力环“隔离，实现速度和张力的半独立控制。2005年，中国东南大学戴先中教授利用神经网络阶逆系统控制方法实现多电机同步系统中速度和张力的解耦控制。2006 年，北京理工大学的Bo-qun Li 等人经过对角回归神经网络实现了活套系统高度和张力的解耦控制；Zhang Pin 等人提出了模糊神经网络算法实现了两输入两输出系统的解耦控制。 三、多电机同步解耦战略研讨 (4) 其他的一些先进控制方法2006年，智利的Rodrigo Carrasco等人经过设计张力估计器实现了两滚筒卷绕机的张力鲁棒控制；浙江工业大学的南余荣等人运用递推最

12、小二乘法(RLS)在线辨识电机转速，实现了金属拉丝设备收卷机的恒张力控制；燕山大学的杨景明等人经过基于对角线矩阵解耦的时域解耦控制方法实现了带钢冷连轧机厚度和张力的解耦控制。三、多电机同步解耦战略研讨1模糊控制战略基于Profibus-DP现场总线的多电机模糊控制系统在分析张力控制模型的根底上，结合模糊控制原理和普通的模糊控制器设计方法，在张力控制回路和速度控制回路分别设计了混合模糊PID控制器。为了最大限制的减小速度回路变化对系统张力的影响，在速度控制回路和张力控制回路之间设计了一个模糊逻辑补偿解耦器。 本课题组多电机同步控制战略三、多电机同步解耦战略研讨本课题组多电机同步控制战略模糊张力控

13、制系统的系统控制原理图三、多电机同步解耦战略研讨2神经网络解耦控制战略A、基于S7-300多电机神经网络控制系统的研讨本课题组多电机同步控制战略根据同步系统的构造特点和控制要求，结合人工神经网络的非线性映射、自顺应、自学习等才干，提出了一种新的基于神经网络的两电机同步系统控制方案，其中神经网络控制器由基于RBF网络整定的自顺应PID控制器和神经元解耦补偿器两部分组成。两个自顺应PID控制器分别对速度控制回路和张力控制回路进展自顺应控制，使系统具有更强的顺应才干、更好的实时性和鲁棒性；神经元解耦补偿器综合两控制回路的耦协作用，经过训练网络权值，补偿各回路之间的耦合影响，实现速度和张力的解耦。 三

14、、多电机同步解耦战略研讨本课题组多电机同步控制战略神经网络控制构造图三、多电机同步解耦战略研讨B、基于神经网络阶逆系统的多电机解耦控制本课题组多电机同步控制战略首先，运用逆系统方法对此系统进展了可逆性分析，在实际分析的根底上，运用神经网络构造了原系统的阶逆系统，给出了构造神经网络阶逆系统的详细方法、步骤、设计原那么和本卷须知，采用改良的BP 算法对网络进展训练并使之收敛，从而获得了两台交流电机和变频器组成的同步伐速系统的神经网络阶逆系统，在此根底上设计了伪线性复合系统的综合控制器，并将所设计的神经网络和综合控制器编制为全数控制的控制算法。三、多电机同步解耦战略研讨本课题组多电机同步控制战略神经

15、网络逆系统控制构造图三、多电机同步解耦战略研讨C、两电机变频系统神经网络广义逆解耦控制本课题组多电机同步控制战略第一步，对变频器任务在矢量控制方式下的两电机变频系统数学模型进展广义逆存在性分析，进而导出系统的广义逆数学表达式。然后用BP 神经网络逼近系统的广义逆，进一步构造神经网络广义逆系统串联在两电机系统之前，组成基于广义逆的伪线性复合系统。第二步，基于MATLAB7.0，运用S-FUNCITON 构建两电机系统的模型，对神经网络广义逆控制方法进展了仿真研讨。第三步，基于S7-300PLC 控制器组成的实验平台，分别研讨了伪线性复合系统的开环特性和闭环特性。三、多电机同步解耦战略研讨本课题组

16、多电机同步控制战略神经网络广义逆闭环控制系统图三、多电机同步解耦战略研讨3支持向量机逆控制 本课题组多电机同步控制战略支持向量机逆控制在两电机变频系统中的运用 针对两电机变频调速系统中非线性逆模型辨识困难的问题，提出基于支持向量机的逆系统控制新方法。在同步旋转坐标下，建立两电机变频系统的数学模型，并进展了可逆性分析。经过支持向量机回归的方法来辨识构造原系统阶逆系统，将辨识出的逆系统串接在原系统之前构成伪线性复合系统，再设计附加闭环控制器进展控制。三、多电机同步解耦战略研讨本课题组多电机同步控制战略基于支持向量机的闭环控制系统表示图 三、多电机同步解耦战略研讨4自抗扰控制战略 本课题组多电机同步

17、控制战略运用自抗扰控制技术设计了三个自抗扰控制器分别控制自动电机速度和相邻两电机之间的张力。运用扩张形状观测器ESO的双通道补偿作用，将三电机系统中的主电机速度与张力、之间耦合一致视为外加扰动进展处置从而使得系统被近似线性化和确定性化同时采用模糊控制器在线对自抗扰控制器参数进展修正，以实现自抗扰控制器的参数自整定, 提高自抗扰控制器的性能。 简化了模型构造，减小计算量，加强了控制算法的适用性。 基于模糊自抗扰控制器的三电机同步控制系统三、多电机同步解耦战略研讨本课题组多电机同步控制战略模糊自抗扰控制器三电机同步控制自抗扰控制器ADRC算法 基于ADRC控制系统的原理框图如下图，其中点线框内的部

18、分为对应的自抗扰控制器。 ADRC的典型构造包括:扩张形状观测器ESO、跟踪微分器TD、非线性形状误差反响NLSEF和扰动补偿四部分。三、多电机同步解耦战略研讨一阶自抗扰控制器ADRC 跟踪-微分器 TDTD二阶扩张形状观测器ESO 三、多电机同步解耦战略研讨非线性误差反响控制律 NLSEF：最优综合函数 ：最速控制综合函数 ：扰动补偿 ：三、多电机同步解耦战略研讨一阶自抗扰控制器ADRC的优化 三、多电机同步解耦战略研讨一阶自顺应模糊自抗扰控制器三、多电机同步解耦战略研讨四、控制系统的实现 硬件系统变频器 工控机 PLC和触摸屏 系统总览 STEP7程序设计硬件组态 在CPU的Object

19、Properties属性对话框中，将Cyclic Interrupt循环中断选项卡内OB35组织块的循环中断时间设置为100ms，即确定了实验系统的采样周期，其他参 数采用默许值。 四、控制系统的实现STEP7中的程序设计 四、控制系统的实现构造化程序设计 四、控制系统的实现硬件组态四、控制系统的实现上位机监控画面设计主画面四、控制系统的实现形状画面：棒图对象实现显示，输入/输出域实现对速度和张力的给定，实践值的显示。四、控制系统的实现四、控制系统的实现趋势画面四、控制系统的实现表格画面：显示了已归档的过程变量的历史值和当前值 。报警画面：用于显示在WinCC报警记录编辑器中组态过的报警工程。 四、控制系统的实现触摸屏主画面四、控制系统的实现四、控制系统的实现过程画面四、控制系统的实现形状画面四、控制系统的实现报警画面按三电机同步系统模糊自抗扰控制方案思想，在实验平台上完成实验。并将模糊自抗扰控制器的控制效果与传统PID控制器的控制效果进展比较，来证明模糊自抗扰控制技术的优越性。 实验设计思绪： 解耦实验：设计各种速度突变和张力突变实验来验证系统的控制效果。 负载实验：设计速度给定在250 r/min、350 r/min时的负载实验；某时辰的负载突变实验，验证系统带载才干、抗扰动才干。