基于模糊PID主从式方法的多电机同步控制

  潘亮,周武能,张杨

  (东华大学 信息科学与技术学院,上海 201620)

  摘要:通过对多电机同步控制结构和控制策略的传统PID控制算法与模糊PID控制算法的分析,提出了模糊PID主从式同步控制方法,并通过MATLAB/Simulink进行建模仿真。仿真结果表明,与传统PID同步控制算法相比,采用模糊PID主从式同步控制方法具有更好的同步性能表现,并能够有效地改善系统的稳定性和动态性能,而且具有良好的鲁棒性。

  关键词:多电机;同步控制;PID;模糊控制

0引言

  多电机系统广泛应用于工业、农业和交通运输业中,在工业生产中的地位也越来越重要。为了获得高质量的产品,减少轮廓误差,提高系统操作的安全性,通常,同步是多电机系统的最基本的要求[12]。在最近几十年里,很多种同步控制策略被应用在多电机控制系统中。参考文献[3]中运用混沌速度同步控制器,通过对两台电机的转速偏差进行补偿,有效地改善了系统同步性能。参考文献[4]中针对一个双线性电机伺服系统提出了交叉耦合的智能滑模控制;为了简化控制结构,ZHAO D Z等人研究了一种混合滑模控制的膜毗邻耦合的多电机同步控制[5],Xiao Yong等人针对多电机系统提出了一种通用的同步控制器,通过在最优控制结构中整合交叉耦合技术实现[6]。除此之外,很多其他的控制策略也被运用在多电机同步控制系统中,比如自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、变增益控制等。通常耦合的多电机系统中很少考虑驱动装置的动态模型,针对以上不足,本文提出了模糊PID主从式同步控制方法,该方法能够有效改善系统的稳定性和动态性能,并具有良好的鲁棒性。在实际应用中,多电机的同步性能会因各驱动特性的不匹配、负载的扰动等因素的影响而恶化,因此同步控制方法的好坏直接影响着系统的可靠性与稳定性。由于多电机系统应用越来越广泛,方式灵活,所以多电机同步控制系统的研究已经成为众多学者研究的热点。

1多电机同步控制结构

  鉴于多电机的重要性,近几十年以来,多电机系统吸引了大量学者广泛的研究兴趣,多种多电机同步控制策略被相继提出,比如自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、变增益控制、无模型控制等都取得了比较理想的控制效果。这些同步控制策略主要基于两种多电机同步控制结构——机械同步结构和电子同步结构,前者主要通过物理部件进行连接,像皮带、链条、齿轮等,成本比较高,其弊端是电机在工作过程中,一旦工作环境发生变化,就会导致机械总轴震动,而且实施起来也有一定的困难,因此,这种同步方式现在用得越来越少。

  鉴于机械结构的一些弊端,学者们又提出了电子同步控制结构[7],这种控制结构成本比较低,实施起来也相对容易很多,因此在多电机系统中应用越来越广泛。电子同步控制结构又可细分为两种,第一种是主从控制方式,它的控制思想是:让从电机跟踪主电机运行,因此系统中只给定主电机输入信号,其输出信号送入从电机的输入中,当没有扰动因素影响时,该控制结构可以达到比较理想的控制效果。它的弊端是,主从电机之间没有反馈,因此整个控制系统相当于开环控制结构,主从电机中任何一个在工作过程中受到扰动因素的影响,都会出现较大的同步误差,甚至导致系统不稳定。

  在实际生产过程中,当主电机在运行中受到扰动或发生故障时,都会影响到后面的从电机,针对这种情况人们提出并行同步控制思想。相对于主从控制方式,并行控制结构的优点在于,系统中所有的电机采用相同的输入参考速度,解决了主从控制存在的问题。

2基于模糊PID的同步控制

  传统PID由于结构和算法相对简单,且易于实现,在工业生产中有着广泛的应用,它的不足之处是一般需要知道被控对象的精确数学模型,而且算法的参数整定也比较困难,再加上不具备自适应能力,一旦工作环境发生变化,就需要对参数重新进行整定[8]。随着制造业的不断发展,人们对产品的各方面性能要求越来越高,控制系统也必将越来越复杂,现代的控制系统多存在非线性、强耦合、时变性等特性,传统的控制方法已难以满足控制的要求。为了解决这一难题,学者们提出了多种智能PID控制方法[9],比如专家PID、遗传算法PID、神经网络PID等。然而由于控制器的计算速度有限,这些算法很难用到实时的控制对象中。本文采用两输入(误差和误差的变化率)的模糊控制器,它能够根据控制系统的误差及误差的变化率自动调节PID的3个参数,因为它具有自动调节其参数的能力,所以相比其他控制器而言,具有更好的控制性能表现。

3模糊PID主从式同步控制策略

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