【单片机控制的多电机同步系统探析4400字（论文）】

第第7页共9页单片机控制的多电机同步系统研究目录TOC\o"1-2"\h\u25341引言 16109第1章控制结构 216691.常见的电控制结构及其优缺点 2303712.改进型控制结构 61589第2章控制算法 9151521.神经网络控制算法 999452.模糊控制算法 9253433.滑模控制算法 95215结束语 1025910参考文献 10摘要：在工业和生产中广泛应用多电机同步控制系统，其控制结构和控制策略对生产的质量和效率影响很大。本文在期刊文献检索的基础上，分析了近年来国内外学者对同步控制技术的研究，比较了不同控制结构和控制算法的特点和优缺点，并对后续研究的主要方向进行了总结。以便对中国的多电机同步控制技术有更好的了解，为开发领域提供参考。关键词：同步控制控制结构控制策略多电机控制引言由于现代社会一直在提高制造设备和产品质量要求，在很多情况下，如大型门吊车、纸胶印机、高端数控机床等，单电机的驱动力无法满足使用要求，工业生产中需要对多台电机进行同步控制。这种驱动要求使同步控制技术成为研究的对象。近年来，人们主要从同步控制结构和同步控制算法两个维度来研究多电机同步控制技术。本篇文章在基于期刊论文的基础上，分析了近年来国内外学者发表的与多电机同步控制结构或同步控制算法有关的研究，并对其跟踪精度、同步特性、抗负荷能力等方面进行了分析。在此基础上，对同步控制技术的研究重点进行了总结，为其提供了发展方向。第1章控制结构多电机同步控制有两种主要方法：机械同步和电同步。与机械同步方法相比，电同步方法更灵活、控制精度高等，得到了广泛的应用。1.常见的电控制结构及其优缺点电气控制方法有两种，分别是为非耦合控制和耦合控制。在以下控制方法中，主令控制属于非耦合控制，其他属于耦合控制。（1）主令控制方式主控是最原始的同步控制方法。图1是双电机主令控制系统的框图。两个电机并联在一起，接收系统发送的相同控制信号。图1主令同步方式简图主控系统的优点是系统结构简单，启动和停止时各电机的同步效果好。其缺点是，整个控制结构是一个开环，没有补偿各电机速度差的功能，防干扰性能差。(2)主从控制方式图2显示了主从同步方法，控制单元向主电机发送速度指令，由主电机提供从电机的速度信号。图2主从同步方式简图主从控制模式的特点是，每个电机的工作状态的变化只影响后面的电机，而不影响前面的电机。由于每台电机的速度信号是由前一台电机提供的，因此在同步过程中存在时间差，尤其是在系统的启动和停止阶段，同步效果最差，只适合采用主从控制方法，这对电机实时同步的场合要求低少。（3）交叉耦合控制方式考虑到主同步方案的缺点，Koren在1980年提出了交叉耦合同步的概念。如图3所示是它的结构图。其原理是在主令同步结构中加入速度反馈和转速差补偿，形成一个闭环系统。在运行过程中，转速补偿模块通过检测两个电机之间的转速差来调整每个电机的转度，从而为系统提供高同步性能。图3交叉耦合同步方式简图该系统根据相邻两台电机转速的反馈差对两台电机的转速进行补偿，以减小同步误差。当发动机转速因负载扰动或环境因素干扰而变化时，系统能迅速消除转速差，因此交叉耦合控制方法的抗干扰性强。缺点是当被控制电机数量超过两台时，转度补偿计算量大，效果差，所以交叉耦合控制方法不适用于两台以上电机的同步控制。（4）相邻交叉耦合控制结构如图4所示，Shih等人在2002年提出了相邻交叉耦合结构。为了控制任何电机，基于控制最小关联数的想法，即只考虑两个相邻的电机，每个电机的控制可以被大大简化。图4相邻交叉耦合控制结构图根据图4可以观察到，在相邻交叉耦合控制中，每个控制器输入包含两路定时误差信号和一路跟踪误差信号，如图5所示。图5相邻交叉耦合控制器结构图每个电机控制器的设计思想很简单是邻居交叉耦合控制方法的优点，系统在启动和停止阶段可以获得更好的同步性。然而，电机之间的关系体现了系统传输外部干扰信号的方法，因此，它只能依次在相邻的电机上传输，这将不可避免地导致信号延迟问题，当系统中的电机数量较多时，这个问题更为严重。此外，控制器中有许多子系统，这增加了系统的计算量，降低了系统的同步性能。（5）双电机电子虚拟主轴同步控制方式图6显示的是双电机电子虚拟主轴同步控制的原理图。这一策略于1999年首次提出，后来由Lörznle和Valenzuela进行完善。虚拟主轴由机械轴演变而来，但其不同节点之间的通信不再受到距离的限制，而且具有更高的功率输出。图6双电机电子虚拟总轴同步方式简图虚拟主轴的电子控制也有固有的缺点：从本质上讲，单电机控制回路中的速度环和位置环是指比例控制，因此每个电机的输出信号与虚拟主轴的参考输出信号之间存在稳态误差；系统在启动和停止阶段或当一个电机出现负载故障时，轴之间会出现错位；此外，虚拟主轴的惯量不容易确定。（6）偏差耦合控制方式通过对交叉耦合控制方法的一些改进，可以得到偏差耦合控制模式。图7是三台电机偏差耦合控制结构的例子。根据每个电机的运行状况进行改进，系统可以动态地进行速度补偿。补偿信号是由每个电机的速度反馈差值乘以反馈增益（由系统中每个电机的惯性矩差值决定）而得到。图7偏差耦合控制系统结构图如图7所示，系统中每台发动机的速度补偿信号都是从偏差耦合控制单元的核心获得的，偏差耦合控制单元是速度反馈模块，可以消除过渡或负载中断导致的发动机之间的速度差。下图8是其结构图：图8第一台电机速度补偿器结构图从图8可以看出，第一台电机速度补偿器的输出（1）式中:K12，K13为速度反馈增益，可以补偿各电机转动惯量的差异，其值分别:（2）式中:J1、J2、J3分别为第1、2、3台电机的转动惯量。在偏差耦合控制方法中，如果其中一台电机的速度由于负载干扰等原因发生波动，系统中的其他电机也会收到波动信息并进行调整，因此整个系统的同步性能良好。同样，该系统在启动或停止阶段具有出色的同步性能。偏差耦合控制方案的缺点是，其他电机的跟随误差和它们之间的速度不同步的信息没有反馈给被控电机。如果其他电机存在较大的跟踪误差，受控电机就会减速以消除误差，系统的整体同步性能就会下降。2.改进型控制结构从以上分析可以看出，在传统的偏差耦合同步控制中，子电机的下列误差和它们之间的同步误差并没有反馈给被控电机。考虑到这一缺陷，在评价函数的概念中，当信号发送到被控电机时，采用了系统中每个电机的平均速度；以三台电机为例，如图9所示是改进的速度补偿模块。图9改进型速度补偿模块结构在图9中，N是电机的数量，这里对应的是3。改进后，如果系统中的电机速度出现波动，补偿模块可以迅速将同步误差恢复到零。如果速度波动较大，补偿模块中的误差后的评估首先起到较大的调整作用，让其他电机更快地跟踪速度波动较大的电机，然后控制器的控制量创造每个电机实现速度逐渐恢复到同步设定速度，系统同步误差，大大减少了错误和追踪错误。用积分滑模器取代速度PI控制器，提高了控制器对速度同步误差和跟踪误差的控制能力。然后引入最大速度同步误差和最大加速度的概念，构建下式的同步误差补偿器，相应结构如图10所示。（3）式中，Kv是速度系数，Ka是加速度系数，为N台电机中速度的最小值，amin是N个电机之间的最大加速度，e是第i台电机改进策略的速度补偿。电机转速与最低转速之间的差值被反馈给每个电机，系统的最大加速度与每个电机的加速度之间的差值被反馈给每个电机，从而提高速度同步误差的控制效果。在降低负载速度的情况下电机之间的同步误差和跟踪误差。图10同步误差补偿结构通过结合主从控制和偏差耦合控制，提出了最大偏差耦合控制。这意味着，系统的最高和最低速度之间的差异被用来补偿每个电机的统一设置。其结构如图11所示。图11最大值补偿结构最大偏差耦合控制的优点是结构简单，易于实施，在不平衡负载的系统中具有出色的同步性能。对上述控制结构的比较分析表明，与耦合控制结构相比，非耦合控制结构更简单，更容易实现，可用于不那么精确的控制。控制结构和交叉耦合控制方法是合适的。在双电机同步控制系统中使用，偏差耦合控制方法主要用于三个或更多电机的同步控制领域。通过对众多学者提出的改进策略的比较分析，除了优化和改进控制结构外，结合智能控制算法来提高多电机系统的同步控制性能也非常重要。第2章控制算法传统的PID控制算法很简单，容易实现，是目前使用最广泛的。然而，它的自调谐能力很低，对非线性、强耦合系统的控制效果也不太理想。智能控制引起了许多学者的关注，因为它不需要被控对象的精确数学模型，而且可以适应更复杂的系统环境。目前广泛用于同步控制系统的智能控制算法包括神经网络控制、模糊控制、滑模变结构控制和自抗扰控制等。1.神经网络控制算法神经网络是由大量的神经元相互连接形成的网络。常见的神经网络包括无反馈的前向多层网络、有反馈前向多层网络、层内有互联的多层前馈网络、任意元有联接的相互结合型网络等。广泛使用的误差反向传播（BP）神经网络是一个带有隐含层的多层前馈网络。神经网络的优势在于其强大的自学能力和非线性近似能力，其缺点是，获得网络的权重需要在大量的数据上进行训练。对于有限的经济投资和高系统实时性要求，神经网络算法有很大的局限性。2.模糊控制算法早期的智能控制形式是模糊控制，它吸收了人类思维的模糊性特点，并通过模糊集合理论检查系统控制方法，包括精确量的模糊化、模糊推理和模糊判决这三个部分。模糊控制本质上是一种智能非线性控制策略。它的控制效果与系统的精确数学模型无关。它被广泛用于过程控制和更复杂的系统。然而，如果在一个比较复杂的不确定系统中只使用简单的传统模糊控制器，精度往往很低，而且模糊控制规则对现场操作的依赖性太强，设置时间很长，无法实现令人满意的控制。将模糊控制与其他控制方法相结合，将获得更高的性能。3.滑模控制算法滑模控制是由前苏联的研究人员Emelyanov和Utkin提出的一种特殊控制方法，它与其他方法的不同之处在于其系统结构不固定，状态不断变化，系统按照给定的轨迹进行有目的的控制。由于滑模控制对参数变化和扰动不敏感，鲁棒性强，响应速度快等，因此被广泛用于电机速度控制中。然而，尽管它的开关特性确保了系统的可靠性，但它也会导致输出抖振。减少抖振的策略主要分为以下几类：趋近律法、加补偿器法、加滤波器法、神经网络法、观测器法、模糊法和遗传算法等。根据具体问题，不同的策略有其优点和缺点，选择具体的方法可以有效地消除或抑制抖振现象。在智能控制算法中，如果滑模变结控制能将抖振问题解决，那么将是提高控制精度的好办法；算法简单，实现容易，参数易调节，响应能力快且抗干扰能力强都是自抗扰控制技术得优点。从许多学者提出的改进算法的结果可以看出，对于实际应用，我们必须根据每种算法的特点，互相学习对方的长处，以满足实际项目的需要。结束语本文通过对同步控制结构和控制算法的优缺点进行比较和