【《多电机控制的国内外研究现状文献综述》4400字】

多电机控制的国内外研究现状文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u690多电机控制的国内外研究现状文献综述 128861.1多电机控制国外研究现状 189791.2多电机控制国内研究现状 2290601.3多电机控制策略简述 31366参考文献 6多电机同步控制是结合了多个电机、电力电子、通信、半导体、控制原理、机械原理等多个学科的综合性技术。早在20世纪初期，随着工业的发展，多轴同步控制就已经受到人们关注，但当时电机性能以及控制方式还不如现在成熟，所以主要是采用机械同步控制方式[7]。机械同步控制方式多数情况下无法满足控制系统的性能要求，而电控制方式在这方面有着天然的优势，其在控制灵活性、控制精度以及动、稳态性能方面都远超机械同步方式。因此伴随着永磁同步电机及其控制策略的发展，多电机同步控制的发展也十分迅速。1.1多电机控制国外研究现状多机控制研究在国外起步较早，初期的多机控制形式主要是机械方式，采用一些皮带、链条、链盘等一些传动装置通过改变传动比来控制各个机构的转速、位置。受限于传动装置不便调整、结构复杂等固有确定，传统机械方式多机控制性能不佳，只能应用于一些动、静态性能要求不高的工况。电控方式的多机控制研究主要分为两个阶段。八十年代以前，学者们主要研究重点在单机系统控制策略上，同时对于主从控制、平行控制等原理较简单的多机控制方式进行了调整优化，使其更适用于工业生产。Chen.Y[8]针对于主从系统达到稳定用时较长的问题，设计了一种简单连续的控制，使无刷直流电机主从系统稳定时间显著缩短。Srinivasan.K[9]分析了平行控制系统中某一子系统受扰后其他系统无法做出反馈的机理，并提出了相应的解决办法。八十年代后，Koren.Y[10,11]提出了耦合控制的概念，并在之后发表了多篇论文，为交叉耦合控制以及偏差耦合控制的理论奠定了基础。此后的数十年，大量学者对新兴的耦合控制技术进行了深入的研究。Kulkami.P[12]设计了一款交叉耦合控制器用于提高多轴进给驱动器中的轮廓精度。Sun[13]通过将前馈控制项和饱和函数添加到PD同步控制器，开发了一种轨迹跟踪控制器，该控制器可有效减小多轴系统中的同步误差。M.Tomizuka[14]在多机系统中引入了对同步误差作出响应的比例反馈控制器，并且结合了自适应干扰补偿器和自适应前馈控制器重新设计了自适应前馈系统，该系统对于干扰可做出整体调整，响应性能优异。CalderonG[15]研究了一种称为相对耦合策略的新型多电机同步策略，该策略重点分析了各运动轴负载对于整体系统的影响，具有很强的工业实用性。DengZ[16]针对非线性约束的两耦合同步机系统模型设计了基于负荷观测器的同步控制器。实验证明与PI控制器相比，该控制器具有更好的控制性能。CSChen[17]采用算法设计了一款新的交叉耦合同步控制器，该控制器有更简单的设计过程以及更强大的性能，可以显著降低位置同步误差，并且在当前大多数工业系统中都很容易应用。二十世纪国外学者对于多电机控制策略做了很多开创性的研究工作。最近几十年在控制策略方面的新发现较少，学者们将注意力更多地转移到结合现有技术对已有策略进行完善的探索上。1.2多电机控制国内研究现状国内多电机控制研究的起步始于20世纪末，经过近些年发展，也取得了相当显著的研究成果。我国学者对于多机同步系统的研究主要方向更偏向于应用层面，将先进的控制器与非耦合控制方式进行结合，在耦合控制方式的理论研究相对较少。2000年，清华大学孙元章团队针对多发电机系统的稳定性问题进行了研究[18]。他们在细致分析了电力系统数学模型的基础上，设计了一款基于分散鲁棒控制策略的控制器，仿真实验表明该控制器有效提升了系统的稳定性。2003东南大学的李建勇在多电机系统的解耦方面做出了阶段性的贡献[19]。他以多感应电机系统为控制对象，以状态反馈的方法对系统同步转速及转矩进行了解耦，实现了两者的独立高性能控制。2007年，贵州大学的刘志鹏[20]、蔡京甫[21]等人针对双电机同轴驱动系统负载转矩分配不均问题进行了深入研究，他们针对该系统建立数学模型后，研究了负载分配不均的机理，并找出了使两电机功率平衡的所需条件，采用模糊PID控制器建立了双机带载实验平台，并验证了所分析平衡条件的有效性。2008年，郑州轻工业学院的曹灵芝等人针对高精度多异步机系统采用了相邻交叉耦合控制的同步控制方式[22]，并且其团队设计了基于滑膜变结构的一款控制器，该控制策略被证明有利于提升系统稳定性，并且具有较高的控制精度。2010年，江苏大学的周丽[23]、刘星桥[24]二人分别将模糊自抗扰控制器、二阶自抗扰控制器应用在了三电机主从控制系统当中，同样实现了转速转矩的解耦，其实验结果表明自抗扰控制器在多机同步系统中的性能表现要优于PID控制器。2012年，合肥工业大学的赵梅玲在分析了主从电机环节的数学模型后，针对传统控制方式抗扰能力弱的缺点，采用了模糊参考自适应控制方法来优化主从系统的响应性能[25]。并且在运输车牵引系统中验证了该控制方法的有效性，该方法对从电机的转速跟随能力提升明显。2015年，上海大学的胡斌团队深入分析了虚拟主轴控制策略的原理，并将其应用在了彩色印刷系统当中，使得该印刷系统多电机之间同步误差得到有效降低，同步精度满足了生产需求[26]。2016年，山东科技大学的吕常智等人以造纸机为平台研究了平行控制的实际性能，并且引入了基于神经网络的PID速度补偿器来解决在电机负载转矩突然发生变化时，系统抗干扰能力差、生产受阻的问题[27]。该方法增强了多机系统的同步跟随能力，对于多机系统在实际生产中的性能有了大幅改进。2017年，北京理工大学的赵威以四电机系统为平台，设计了一种积分滑膜控制器来消除系统摩擦以及机械连接齿隙带来的抖动问题[28]。在仿真以及实验层面皆验证了此控制器优越的静态以及稳态响应性能。1.3多电机控制策略简述目前研究应用较多的多电机控制策略主要为平行控制、主从控制、交叉耦合控制、虚拟主轴控制四种[29-31]。前两种又称为非耦合控制方式，其控制结构及控制算法相对简单，适用于控制精度要求不高的工业场合。后两种又称为耦合控制方式，其控制结构及原理较为复杂，多用于高精度要求场合。以下简要介绍四种策略：1.3.1平行控制 平行控制是最早受到关注的多电机协同控制方法[29]。此种控制方式中各个电机与主控系统平行独立连接并可接受相同或成数学关系的控制指令。这种控制方式的一个特点就是各被控对象完全独立，其中一个被控对象受到干扰时，其他的平行系统不能针对此干扰做出调整，因而整体系统抗扰动能力不佳，系统精度不高。该系统主要应用于一些简单的对系统精度以及性能要求不高的场景。平行控制结构如图1-1：图1-SEQ图1-\*ARABIC1平行控制结构框图1.3.2主从控制主从控制系统的结构一般为一主一从或一主多从[29]。主机系统中反馈的位置、速度或者转矩信息作为从机系统的给定信号来控制从机系统的响应。从机系统作为辅助系统一般情况下为主电机起性能补充作用，比如主电机出力不足或者功率不够时，由从电机加大功率增加出力，满足总体的工作要求。但是各从电机之间还是独立个体，互相缺少联系，因此该系统也同样有非耦合控制方式的固有缺陷，即当主机系统出现扰动时，从机系统因其设计原理响应必然慢于电机系统，所以使得系统整体抖动时间长，稳定速度慢，协同性能较差。另一方面从机系统出现扰动时，主机系统接收不到反馈，也会使得整体系统协同性能受到影响。主从控制系统结构如图1-2：图1-SEQ图1-\*ARABIC2主从控制结构框图1.3.3交叉耦合控制该控制技术诞生于上世纪80年代，是一种典型的耦合控制方法[32]。非耦合控制系统中一般只接受本机系统位置误差、转速误差信息，而交叉耦合控制还同时接受了其他系统的误差信息。之后根据整个系统的误差产生反馈信息来对各个独立系统单独补偿以此来减少整体误差。该控制系统中，任何一个电机受到干扰都能得到系统的反馈补偿，使整个系统形成闭环。这种控制方法一般只适用于双机系统中，超过两台电机后系统整体性能大幅下降。交叉耦合控制系统结构如图1-3：图1-SEQ图1-\*ARABIC3交叉耦合控制结构框图1.3.4虚拟主轴控制 虚拟主轴控制是经典机械主轴控制方式的升级版。虚拟主轴还克服了机械主轴容易失步的缺点，并且没有机械损耗和距离限制[33]。虚拟主轴以电驱动的方式模拟了后者主从电机之间的特性，且其不连接实际电机，只是接收各电机传导的位置、速度、力矩信息，并且通过这些信息以数学关系控制从电机的运动。虚拟主轴控制的结构图如图1-4：图1-SEQ图1-\*ARABIC4虚拟主轴控制结构框图耦合控制方式还有诸如偏差耦合控制等一些其他方式，也有很多学者在此方面进行了更加深入的研究。但是，一方面耦合控制整体并不是完全成熟，通用性比较差，另一方面非耦合控制经过多年的优化研究，已经可以应对很多情况下的实际需要，使得耦合控制方式在工业实际中并没有得到大面积的推广与应用。目前主流研究方向分为两类：一类是继续深入研究耦合控制方式，与先进的计算机技术相结合，例如智能控制策略，提高控制精度的同时寻求更强的通用性；另外一类方向是继续挖掘非耦合控制的潜力，在其简单结构的基础上增加辅助技术，有的放矢地提高控制系统的性能。本文则是从工业实际出发，选择对应用较多的主从控制系统进行研究，发现其中问题，并提出进一步的解决方案。参考文献程明.微特电机及系统[M].中国电力出版社,2008.张梦霏.基于最大转矩电流比的永磁同步电机调速系统研究[D].冶金自动化研究设计院,2020.王成元，夏加宽，孙宜标．现代电机控制技术（第2版）［M］：机械工业出版社，2017．袁进行,马瑞卿,郭绪猛.永磁同步电机模糊直接转矩控制研究[J].微电机,2008,041(002):43-46.王康．嵌入式永磁同步电机无位置传感器控制研究［D］．浙江大学，2013．王耀南.智能控制系统:模糊逻辑专家系统神经网络控制[M].湖南大学出版社,1996.齐东旭.多电机精确同步控制系统研究[D].沈阳工业大学，2016.ChenY,ChengY,XuJ.Finite-timesynchronizationforthebrushlessDCmotorsystemsunderthevariablesubstitutionandsinusoidalfeedbackcontrol[C].Proceedingsof201332ndChineseControlConference(CCC),2013:424-428.SrinivasanK,KulkarniPK.Cross-CoupledControlofBiaxialFeedDriveServomechanisms[J].JournalofDynamicSystemsMeasurementandControl,1990,112(2):225-232.KorenY.Cross-coupledbiaxialcomputercontrolformanufacturingsystems[J].JournalofDynamicSystems,Measurement,andControl,1980,102(4):265-272.FengL,KorenY.Cross-couplingmotioncontrollerformobilerobots[J].IEEEControlSystems,1993,13(6):35-43.KulkarniPK,SrinivasanK.OptimalContouringControlofMulti-AxialFeedDriveServomechanisms[J].AsmeJofEngineeringforIndustry,1989,111(2):140-148.SunD,ShaoX,FengG.Amodel-freecross-coupledcontrolforpositionsynchronizationofmulti-axismotions:theoryandexperiments[J].IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,2005,38(1):1-6.TomizukaM,HuJS,ChiuTC,etal.SynchronizationofTwoMotionControlAxesUnderAdaptiveFeedforwardControl[J].Adaptive&LearningControl,1990,114(2):196-203.FPerez-Pinal,CalderonG,Araujo-VargasI.Relativecouplingstrategy[C].IEEEInternationalElectricMachines&DrivesConference.IEEE,2003.DengZ,ShangJ,NianX.Synchronizationcontrollerdesignoftwocouplingpermanentmagnetsynchronousmotorssystemwithnonlinearconstraints[J].IsaTransactions,2015.ChenCS,ChenLY.RobustCross-CouplingSynchronousControlbyShapingPositionCommandsin