【《多电机控制系统探析的国内外文献综述》6600字】

PAGEPAGEVI多电机控制系统研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u10965多电机控制系统研究的国内外文献综述 1133541.1国外应用现状 2238101.2国内应用现状 3236521.3国外研究现状 4223181.4国内研究现状 62026参考文献 10多电机控制系统是一套比较复杂的系统，含有多种变量，同时相互之间又具有强耦合关系。若要对其进行满足设计要求的控制，往往不是单一门学科知识能够解决的，需要多个学科的知识相互交叉。而在系统仿真实验过程中，最困难的部分是要保证多台电机一直同步，同时也要让多台电机的转速同时满足设计要求，这就是一个核心问题。而要想解决这个问题是相当复杂的，因为多电机控制系统本身的特点是多变量且具有强耦合关系。目前，大多数的学者经过大量的实验研究过后，发现主要通过合理地安排控制方法来解决多台电机与电机之间的耦合问题。通过电机之间的同步误差，可以直观地反映出设计出的系统的控制性能，是否达到同步控制要求、控制精度的高低。为了能够让多台电机的转速相互间能够同步控制，常常有这两种解决办法：一种是机械同步控制方式，另一种是电同步控制方式。机械同步控制这种传动方式的结构相对简单，早期这种传动方式结构被广泛地应用到了工业生产的过程中，其中最主要的基本原理之一就是通过具有刚性的传动轴将系统中的各台电机都连接起来，强行将各台电机保持在同一转速运行。机械同步控制方式存在两个明显的缺陷：一方面，采用机械同步方式的多电机系统存在材料损耗严重、噪音大以及系统中各台电机之间的距离无法改变等缺点，因此机械同步控制方式不适用于精度要求严格的场合；另一方面，若齿轮、传动轴等刚性部件如果发生形变，但没有及时得到维修，刚性部件之间的冲击力会使形变加剧，导致误差累计，甚至导致部件损毁等。针对目前传统的电机同步控制技术和方式存在的不足之处，相关专家学者们开始深入研究这种电机同步控制。电同步控制这种方式主要是针对多个电机同步系统所具有的结构特征，去除了机械同步控制中的传动轴等刚性部件，通过采用先进的控制策略，使系统中的每台电机的输出转速保持在同一个水平上。一般按照耦合结构将电同步控制方式分为两类：非耦合同步控制结构和耦合同步控制结构。近年来，众多国外的有关专家学者为了有效解决各种典型的多环路电机控制系统之间协调控制的复杂问题，他们先后提出了许多实际需要不断改进的同步控制系统架构和追溯式控制算法。尽管我国学者在研究控制永磁电机领域的起步较其他国家比较晚，但是我国还是在近几十年来获得了一些比较令人满意的成果。1.1国外应用现状在2005年，英国的一家Ｒolls公司成功的开发出由多个无轴轮缘推进器（如图1-1）组成的动力推进系统。该推进系统的单个推进器，其功率约为800kW。不仅在全电力推进系统的基础上进行创新，还使用了新型多电机控制系统，多电机的交叉耦合控制结构。该动力推进系统，整体结构采用不同于已有的电力推进系统的物理结构设计，其能够明显弥补传统船体推进系统的一些短板，如轴系需求空间体积大、整体结构较为复杂、易发生简单故障、工作效率较低。除此之外，该推进系统有效突破了传统固有的推进模式以及电机控制的策略，创造性的让电机和推进器集成在一起，成为一个整体，缩短电机控制推进器的距离，多个电机之间的配合更加灵活，可以较大地加快载体的前进速度，大大地提高了效率，同时推进系统占据的空间体积比以前的明显缩小，在一定程度上减少噪声，保护了船舶的隐蔽性。图1-1单个多叶无轴推进器在2006年，瑞典的KM公司研制的一款AUV，其动力定位系统中的推进器控制方面，使用了多电机控制策略。当这款AUV收到一个位置指令和姿态指令时，船体的控制器系统会传递指令给推进器系统，推进器会做出相应动作。多个推进器产生推力，相互配合，调整各个推进器的角度，把每个推进器的转速调到合适的转速，使船体的姿态调整到合适的状态。这些推进器之间的相互配合，产生的推力不仅能抵消海风、海浪等外界干扰力，还能使船运动到指令位置。在2006年，挪威的Brun公司开发出一种船舶动力推进系统，其系统的推进器群由多个大型4叶轮缘推进器（如图1-2）组成，每个推进器的输出功率高达100kW。而控制这些推进器电机的系统结构，其中有采用了虚拟主轴的控制方式，并使用转速误差补偿器，实现多电机的控制。其特点在于灵活性强，推进器可根据实际使用需求来确定安装位置。另外，多电机的控制确保该动力推进系统可调整推进器的角度，使船舶确定前行方向，调整船体姿态，提高运行效率。图1-2４叶轮缘推进器1.2国内应用现状在2004年，一款名为“海龙号”的水下机器人（如图1-4）横空出世，引起巨大反响。“海龙号”来上海交通大学的一个研究所，它的设计任务主要是在海底采集一些样本，并将要在上海东港完成3500m海底水下操作测试。虽然目前该水下的机器人体积庞大,在环境中的整体重量达到3.25吨、长度约3米多、宽约1.8米、高达1.8米，但是它搭载了先进的多电机控制系统，是个灵活的“大块头”。机器人的多个电动推进器能够在各种动力定位系统的协同配合下，多个电动推进器都能各自独立地运行，并且互相配合,调整了各个推进器的运行角度，控制各个电机的转速，从而使各个电动推进器能够有效地调整水下动力定位电机的运行姿态，提高了各个电机的工作效率，让它在水中能够轻松自己“行走”。令人惊讶的是，它的左右前进速度能到2.5节，向前和向后的运动速度大概有3.5节，上升和下降的移动速度分别大约有1.8节和2.2节。图1-4“海龙号”水下机器人在2011年，哈尔滨工业大学的科学与研究所开发出一种永磁无刷直流电机的自动化控制系统，该电机控制系统能特别适应深海环境，同时有压力补偿器的配置，使这套电机系统在深海可以抵抗大部分的干扰因素，电机之间相互配合，稳定性能良好，能够为载体供给强大而又稳定的前进动力。在2016年，中船重工的702所为了给“蛟龙号”载人潜水器研究一套水下电机推进系统，开发出了一种新型水下电机推进系统，该系统让输出轴具有旋转密封的能力，减少外界对电机的干扰。这一些成就都能够反映出我国的电机控制技术是在不断发展的，在发展中不断摸索，进入全新的发展阶段。1.3国外研究现状在2012年，比利时鲁汶大学的两个学者G.lemmens和H.driesen在四轴自动同步控制操作系统中，使用虚拟主轴替换机械主轴的自动控制策略，达到了多台驱动电机转速同步控制的效果。该四轴同步控制驱动系统主要原理是由两个低速高转矩运动电机和2个高速低转矩运动电机组合而成，通过软件模拟仿真和实践测试验证，虚拟电机主轴运动控制的操作方法不仅能够在转矩运动受到较大扰动时它还可以轻松实现各种类型驱动电机的中高转速运动同步和各种电机驱动转子的各角度运动同步。在2016年，Fiah等学者等基于目前传统的电机偏差速度耦合原理控制结构，引入了电机转速追踪权重控制系数，建立了一种电机偏差速度耦合原理控制结构，可以在一定的应用程度上直接完成对电机同步转向误差和转速追踪系统误差的精确求解以及耦合原理控制；如图1-5实验系统，在对于速度响应反馈的设计过程中和对于速度反馈同步性的补偿中也非常有必要考虑到了每台电机的重要性。同时，多电机系统的同步和追溯性能也可以被改解为相互协作或者是单独调整（这两种情况下即可以独立地进行调整），并分别由于同步的系数可以被改变，从而明显提高了许多电机系统的可靠性。它在很大程度上可以解耦该系统的运行速度，同步性能。与传统的相对耦合控制结构相比，改进后的结构具有速度同步补偿器简单、计算复杂程度降低、调节系统性能自由大、调节效果好等优点。此外，改进的控制结构也可应用于电机转速按比例运行的通用多电机速度同步驱动系统，也可应用于多电机转矩同步驱动系统。图1-5实验系统在2017年，史教授等几位学者认为详细思考了转速环控制器在电机正常启动阶段和稳态工作阶段中转速环控制器的两种功能，对于传统的偏差耦合控制系统结构提出了一种新的改善思路，引入了转速环模拟电机的概念，在这种系统结构上也改进了转速环模拟电机，对传统偏差耦合也进行了改进，引入了模拟电机的概念，在结构上改进了传统结构，形成实验系统如图1-6。当系统开始起动后，各个电机都将遵循模拟电机的运动轨道，这样就能够明显降低了在系统起动过程中的误差。经过改进后电机控制系统，通过偏差耦合物理结构可以让每个电机的输入和输出转速都是被作用于"模拟电机"上。从而使系统各部分的电机之间解除了直接的耦合关系。与其他传统的结构方式相比，在充分地保证系统能够在稳定地运行的过程中,假设当电机有负载的扰动时，同步性能不会受到影响而改变，经过改进后的控制结构也就可以达到在一定的程度上降低各台电机的速度误差。在系统起动后，利用增加的虚拟驱动电机的转动惯量，来缩减了控制器在饱和负载状态下的工作运行时间，可以显著弥补在传统的控制结构下，转速同步补偿器的模型设计复杂、操作不太方便以及电机起动时的同步误差很大等缺点。与此同时，在系统已经处在正常工作运行的状态中，该改进后的结构具有分担转速误差的作用。另外，这也缩小了每台驱动电机因遇到负载扰动而引起的速度误差，增强了该控制系统整体的稳定性。图1-6实验系统1.4国内研究现状2013年，刘星桥教授等十多名学者，他们在进行三台驱动电机速度同步控制技术系统实验时，发现该系统中的驱动电机速度和皮带的张力可能存在一种非常繁琐的耦合关系。基于该问题，他们提出一种控制三台电机速度同步系统的设计研究方法。该方法为每个变量之间的关系，单独设计一个控制器。对于每台驱动电机的转速，利用模糊算法为其设计了一种自抗干扰控制器。对于每台驱动电机的转速与运输皮带的表面张力的耦合关系，首先要对其进行解耦，设计出一种基于模糊算法的控制器。在这里使用模糊控制算法能得到一些设计便利。其一是不必再需要依赖于一个被控干扰对象的准确的干扰模型，而是因为可以把整个系统过程中的一个内扰和其他外振对象作为一个总干扰对象进行实时观察和自动补偿。通过搭建实物系统的实验，综合分析实验数据，在该设计控制理念下，三电机速度控制系统如图1-7极大地大幅度的增强了系统的电机动态控制特性和性能，增强了系统稳态控制精度，不仅不但可以直接实现了系统运动张力加速度和运动张力的解耦，还甚至可以直接实现了系统运动张力加速度和运动张力间的解耦。图1-7三电机系统模型在2016年，著名学者孙教授的研究团队针对目前国内传统多虚拟电机的实际应用研究方法中，多虚拟电机的同步控制集成系统的同步抗干扰能力差和多台单虚拟电机之间的同步协调控制系统精度低等一些现实应用问题，提出了一种基于单台虚拟电机主轴同步控制与基于相邻电机耦合主轴控制的两种同步控制系统结构的多台单电机系统进行同步控制的应用策略如图1-8。在仿真软件MATLAB中，他建立了多台新型电机的同步控制驱动系统的电机仿真实验模型，根据电机仿真模型结果对其进行综合分析。在系统中电机刚起步阶段，超调量非常小，且且各类型电机的旋转轴线运动跟随性也非常好，同步控制误差响应范围几乎为零或接近于零。这种速度控制的策略既可以增强电机系统的抗干扰能力，又可以改善每台电机转速的同步追踪性能，最后还可以大大加强了该电机系统的鲁棒性。虽然该系统还是无法避免一些扰动因素，但是比多年以前采用的惯有的速度同步控制模型，其在工作状态中发挥出较好的运行稳定性和较低的超调现象。图1-8结合虚拟主轴控制方式的相邻耦合误差同步控制策略在2017年，天津大学的夏教授等几位研究员，他们分别针对由于双电机在同步控制操作系统中，由于运动受到电机负载振动干扰的直接影响，造成了由于双电机的运动转速不可能同步，而且很容易振动引起同步控制操作系统振动产生电机振荡的这种现象，结合了多种双电机之间的交叉耦合同步控制系统技术和电机滑模同步控制技术，设计出一种基于高速积分型电机滑模的高速度同步控制器的电机控制系统。利用新的指数幅度趋近律和指数饱和抖动函数可以去消除抑制在平滑模中固有的方向震荡和幅度抖动。与此同时，设计一种能够固定转速值的同步补偿控制器，其可用来对夹在两台驱动电机之间的两个电流耦合循环转速进行了同步补偿，通过分别选取合适的电流耦合电机转速值和同步补偿系数，使两台驱动电机的实际运转速度尽快地完全达到了转速同步。在该实验系统（如图1-9）中，当两个驱动电机的之间实际转速出现偏差从而产生速度差时，系统原理可以通过电机转速同步跟踪控制器自动对两个驱动电机之间的同步转速误差进行驱动电流相应的补偿，从而可以使两个驱动电机迅速实现同步控制效果。另外，两个驱动电机通过非平滑模式的速度同步控制器分别自动调节电机转速同步跟踪误差值，若给定，两个驱动电机之间的转速做差值相对较小，拥有不错的电机转速同步跟踪控制性能和有效抵御不同负载电磁干扰的稳定性能。需要补充的是，当两台驱动电机分别同时处于不同的转速时刻点或者遭到同一个扰动因素，其电机转速同步跟踪的扰动误差和转速同步跟踪误差几乎相同。图1-9实验系统在2017年，在国内沈阳工业大学工作的崔教授，他一直扎根在多电机转速同步控制的领域中研究如何尽可能地减少多台电机各自转速不一致情况的发生。针对这一些突出问题，他提出设计出一种新型的控制策略方法，就是在多电机系统结构中，改变原有的物理结构，使用偏差耦合方式的物理结构，并在该结构框架内设计出一种全新的PID算法控制器。该全新的控制器融入了一种BP神经网络算法，使该控制器拥有一定程度上的可以根据历史工作参数来自我适应工作环境的能力。从而来弥补传统PID算法控制器在现在以及将来工作运行阶段中出现的短板。控制系统整体采用了偏差耦合和增益控制的结构框架，首先要把电机与电机之间的速度值差乘上一个给定的增益系数。接着在电机中额外设定一个工作参数指标，其中包含有各个电机的转矩和速率信息，以此为依据加强各个驱动电机和各个驱动电机之间的相互耦合。最后与全新设计的控制器结合，可以形成一种优化偏差耦合结构多驱动电机速度控制系统，系统控制结构如图1-10。利用仿真软件MATLAB进行相关模拟实验，综合分析其仿真实验数据，实验数据结果表明该设计的全新架构的控制系统拥有比较强的鲁棒性。图1-10基于BP神经网络PID的改进偏差耦合同步控制参考文献轮毂电机驱动汽车电子差速与差动助力转向的协调控制[J].卢山峰,徐兴,陈龙,王峰,王吴杰.

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