改進型偏差耦合結構的多電機同步控制系統

梁定軍

廣東美的白色家電技術創新中心有限公司，中國·廣東 佛山 528311

1 引言

在當前工業生產體系之中，電機控制系統占據重要地位，其實際性能直接對生產效率以及產品質量造成影響，因此工業體系對電機控制系統提出極高的要求。近年來，隨著社會經濟發展速度不斷提升，以往單電機作業模式已經難以滿足生產實際需求，尤其是在冶金、數控機床等產業中。為滿足生產過程中對精準度的要求，生產者需要利用多電機同步運轉達成相應目標，這就使得控制系統的性能成為重中之重。因此，當前研究者已經將多電機同步控制系統作為當前主要研究課題。

2 改進型偏差耦合控制系統設計

研究人員在經過深入研究后發現，將不同電機相對速度信號融入其足比系數關系速度反饋信號之中，隨后根據獨立電機的工作狀態，實現對各電機之間的速度補償信號進行動態分配，即可達成較好的同步性能，此即為偏差耦合控制。已有研究成果中，偏差耦合控制系統僅能實現對多電機進行完全同步控制，比例同步控制上難以實現。由此，有技術人員在綜合傳統偏差耦合控制的基礎上，對其進行一定程度的優化，形成改進型偏差耦合控制系統，并實現了多比例同步控制。以三臺電機為例，其結構如圖1所示。

圖1 改進型偏差耦合控制結構示意圖

依據圖1中所示信息可知，速度補償器是此系統的核心關鍵部分，其實際運行過程承擔著為每臺電機提供速度補償信號的功能。其中，λ1、λ2、λ3表示同步比例系數，當λi（1，2，3）均取值為1的情況下，即可視為完全同步[1]。

若要求各電機在實際運轉過程中依照比例進行同步運轉，依據圖1所示結構，三臺電機之間的轉速關系如下所示：

為確保各電機運行過程中呈現出同步運行狀態，要求第一臺電機及其他電機之間的跟隨誤差穩定收斂，即滿足以下公式：

3 基于模糊PID的控制系統

現階段，正在應用中的控制系統在實際運作過程中會根據設備運轉過程中產生的誤差以及變化率進行相應的數據調整。然而需要認識到的一點是，固定增益在實際應用過程中進涵蓋點擊轉動慣量，這就是在負載變化幅度較大的情況下，會出現相應誤差。在三臺電機中，任意一臺電機運轉過程中產生的速度波動均可視為對其他電機的干擾，由此可以得出的結論是誤差始終處于動態變化之中。因此，研究者采用模糊PID控制器取代固定增益，一旦電機運行過程中出現波動，該部件機會產生相應作用，高效準確地降低不同電機之間的跟隨誤差，進而確保其趨向穩定狀態。模糊PID補償結構如圖2所示。

根據圖2所示加入模糊PID改進速度補償器模塊結構原理圖以及模糊PID控制系統，利用模糊PID模塊替換原有速度增益模塊，并形成新型速度補償器，隨后分別設置完全同步以及比例同步條件對電機同步運轉情況進行仿真檢驗，對仿真結果進行檢驗可得出以下結果：受反應過程較為遲緩情況影響，仿真實驗為確保調試便捷性，實際設定為0.3s。仿真檢驗開始后，三臺電機均為空載啟動，運行到0.2s時，給第一臺電機加入負載為，同步比例系數λ1、λ2、λ3取值分別為1、0.5、0.25，進而得到每兩臺電機之間的轉速差曲線。在仿真檢驗過程中，研究者分別選取第一臺以及第二臺電機，第二臺以及第三臺電機之間的轉速差作為仿真對象，對其融入模糊PID控制系統后的成效進行分析研究。圖3為加入以及未加入模糊PID控制系統的電動機的完全同步仿真轉速差曲線圖[2]。

圖2 加入模糊PID改進速度補償器模塊結構示意圖

圖3 兩電機轉速差示意圖

在完全同步控制的情況下，由圖3中信息可知，在完全同步的條件下，第一臺電機加入負載時，第一與第二臺電機之間的轉速差約為6.5r/min，相較于未加入模糊PID控制器的情況下轉速相差值為27r/min，具備較好的成效。同時，在電機加入負載0.25s后，振蕩幅度已經無限趨于0，基本已經達到理想成效。由此，加入PID模糊控制器后形成的改進型偏差耦合控制策略更具優越性，同步更加精準，且抗干擾性能更強。

在比例同步控制傾向下。加入模糊PID的改進型控制系統中，當第一臺電機加入負載時，第一臺與第二臺之間轉速差的波動峰值為10r/min，并且沒有出現明顯振蕩，一直趨于0，轉速誤差很小，達到了理想的效果。證明加入模糊PID的改進型系統比未加入模糊PID的系統具有更好的同步特性和抗干擾能力。具體如圖4所示。

圖4 比例同步條件下電機轉速差

4 結語

綜上所述，改進型偏差耦合控制系統是當前學界內研究的重點話題，其實際作用以及意義不言而喻。論文在研究過程中先對改進型偏差耦合控制系統結構進行深入研究。同時，針對在原有速度控制的基礎上進行改進的控制策略。論文研究中通過將模糊PID控制系統與偏差耦合控制系統相結合形成一種新型的控制策略，并通過仿真實驗，分別在完全同步控制以及比例同步控制的條件下對論文傳統偏差耦合控制策略以及加入模糊PID控制系統的策略進行對比。最終仿真檢驗結果顯示電機之間的轉速差變化基本穩定在0的狀態，在一定程度上改善了系統的同步性和抗干擾性。由此，論文所研究的基于模糊PID改進型偏差耦合結構為有效、可靠的多電機控制方案，具有較高的實際應用價值[3]。