适用于多电机系统的改进型偏差耦合控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多电机协同控制领域，特别涉及多电机转速协同控制领域。具体讲，涉 及适用于多电机系统的改进型偏差耦合控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来随着经济转型和产业升级，轨道交通、造纸、印刷、冶金等工业生产中亟需 多电机高性能协同控制技术，多电机协同控制技术也成为科研界研宄的热点。
[0003] 在工业生产中，对于多电机转速同步控制系统，其系统内各台电机转速的重要程 度一般情况下是不同的。例如，在部分印刷机系统中，转速基准电机的转速重要程度最高， 放卷电机的转速重要程度次之，收卷电机的转速重要程度要小于前两者。系统内各台电机 转速重要程度的高低与电机的功能、安装位置、转速控制精度要求等因素有关。
[0004] 目前对于多台（三台及以上）电机的转速同步控制系统，其应用的控制结构主要 有主从控制结构和传统偏差耦合控制结构。主从控制结构中第i+1台电机的转速跟随第i 台电机的转速，即第i台电机的转速比第i+1台电机的转速重要，这在一定程度上体现了各 台电机的转速在系统中的重要程度，但其并未进行量化，并且应用主从控制结构的多电机 转速同步控制系统在负载扰动下会产生相对较大的同步误差；传统偏差耦合控制结构在每 一路单电机的转速控制通道中加入速度补偿器以提升系统的同步性能，这样可以使多电机 转速同步控制系统在负载扰动下能够获得优于应用主从控制结构下的转速同步性能，但其 本质上未对各台电机转速在系统中的重要程度加以区分。此外，由两种控制结构自身特性 所致，应用这两种控制结构时只能综合调节多电机转速同步控制系统的同步性能和跟踪性 能，并选取相对最优值，其无法对多电机转速同步控制系统的同步性能和跟踪性能做到分 别调节（即解耦调节）。
[0005] 为了使多电机转速同步控制系统的同步性能和跟踪性能满足高性能要求，学者一 般应用现代控制策略（如自抗扰控制，神经网络控制，滑模变结构控制等）提升单台电机的 转速控制性能，进而提升多电机转速同步控制系统的同步性能和跟踪性能。其本质上是对 单电机控制性能的提升，并未解决控制结构本身存在的问题。
【发明内容】
[0006] 为克服技术的不足，提供一种适用于多电机系统的改进型偏差耦合控制结构，有 效提升系统的同步性能和跟踪性能。为此，本发明采取的技术方案是，适用于多电机系统 的改进型偏差耦合控制方法，利用体现电机转速重要程度的转速权重系数，并且将多电机 转速同步控制分成系统转速控制和单元转速控制两个阶段进行控制；具体结构包括六个部 分：
[0007] (1)系统转速值的计算：设多电机转速同步控制系统内一共有n台电机，n为整数 且n>2,为系统转速给定值；《pP J汾别为第i台电机的实际转速、转速权重 系数、负载转矩和转动惯量，i= 1，2,…，n;Fi(s)和Gjs)分别为第i台电机的转速环控 制器传递函数和电机等效传递函数；&和Kt分别为改进偏差耦合控制结构中的同步系数和 跟踪系数；《av为系统转速值，即所有电机转速的加权平均值，其中的权值为反映电机转 速重要程度的权重系数Pi，其计算公式为：
[0008]
(1)
[0009] 式中P，0,为简化计算取=1 ; 1=1
[0010] (2)系统转速控制：将多电机转速同步控制系统视为一个单输入一单输出系统并 进行系统转速控制，输入为系统转速给定值输出为系统转速值《 av;采用比例控制 器，其比例系数为Kt，计算所有电机转速环控制器匕(s)误差输入值ei的跟踪误差部分et = Kt(Wref_ W av)；
[0011] (3)单元同步误差计算：针对每路单电机控制通道，对其进行转速补偿以提升系 统的同步性能，其补偿环节采用系统转速值《av作为基准转速，计算每台电机转速环控制 器h(s)误差输入值ei的同步误差部分；以第i台电机为例，其电机转速环控制器Fi(s)误 差输入值ei相应的同步误差部分esi=Ks (?i- ? av);
[0012] (4)单元误差计算：计算每台电机转速环控制器Fjs)的误差输入值ei=et - ?si?
[0013] (5)单元转速控制：每路单电机控制通道根据第（4)部分计算得出的相应误差输 入值6 1进行转速控制；
[0014] (6)多电机转速同步控制：n路单元转速控制组成多电机转速同步控制，同时计算 得到每台电机的转速值
[0015] 采用公式表述为：在忽略电机电流环控制器参数对其转速环的影响，同时认为电 机转速在反馈过程中的噪声对转速环控制的影响可忽略不计的情况下，对第i台电机进 行分析：经等效变换，第i台电机仅在系统转速给定值作用下的输入-输出传递函数 GIM(s)，仅在负载扰动Tu作用下的扰动-输出传递函数GMi(s)和仅在其他电机转速~作 用下的耦合转速-输出传递函数'(s)分别为
(2) (3) (4)
[0019] 其中，KM= (1-pi)Ks+piKt;j= 1，2，…，n且j乒i; ?Js)、《ref(s)、TLi(s)和 ?j(s)分别为时域下的」在复频域下的表示方式；由叠加原理，有《 "s) =GIQi (s)?ref (s) +GWi (s)Tu (s) +GjQi (s) ?』(s);通过选取不同的心和Kt来改变KM进而改 变系统在负载扰动下的同步误差和跟踪误差。
[0020] 与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
[0021] (1)本发明提出一种改进型偏差耦合控制结构，其考虑到了多电机转速同步控制 系统内各台电机转速的重要程度；改善了系统的动态特性，表现为提升了系统在负载扰动 下的同步性能和跟踪性能；改善了系统的静态特性，表现为稳态下系统转速跟踪误差超调 小，系统运行更平稳，同时系统同步误差能够保持在一个很小的范围内。
[0022] (2)本发明针对主从控制结构和传统偏差耦合控制结构不能对系统同步性能和跟 踪性能进行解耦调节的问题，通过设定不同的同步系数和跟踪系数，提高了系统性能调节 的自由度。并在一定的参数范围内，能够在较高程度上实现对系统同步性能和跟踪性能的 解耦调节。
[0023] (3)本发明针对应用现代控制策略会增加处理器的计算量，降低算法可移植性的 问题，通过提出一种改进型偏差耦合控制结构，使系统内各台电机在应用比例-积分控制 策略（PI控制策略）的条件下达到较高的控制要求，降低了计算量并且便于算法移植。
【附图说明】
[0024] 图1传统偏差耦合控制结构。
[0025] 图2改进偏差耦合控制结构。
[0026] 图3两种结构下系统最大转速同步误差《sm和最大转速跟踪误差《 tm。
[0027] 图中a为传统偏差耦合控制结构，b为改进偏差耦合控制结构。
[0028] 图4两种结构下各项系统性能评价函数值。
[0029] 图中a为传统偏差耦合控制结构，b为改进偏差耦合控制结构。
[0030] 图5改进结构下转速权重系数对电机的影响。
[0031] 图6改进结构解耦调节特性的仿真波形。
【具体实施方式】
[0032] 本发明目的在于解决传统偏差耦合控制结构下存在的未考虑各台电机转速在系 统中的重要程度以及不能解耦调节系统同步性能和跟踪性能等问题，提出了一种改进型偏 差耦合控制结构。该结构通过转速权重系数体现各台电机转速在系统中的重要程度，并能 通过调节结构中的同步系数和跟踪系数来解耦调节系统的同步性能和跟踪性能。同时，该 结构在应用比例-积分控制策略（PI控制策略），即不大量增加处理器计算量的前提下能够 有效提升系统的同步性能和跟踪性能。
[0033] 为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0034] 1、本发明提出了一种适用于多电机系统的改进型偏差耦合控制结构，其特征在于 使用了体现电机转速重要程度的转速权重系数，并且将多电机转速同步控制分成系统转速 控制和单元转速控制两个阶段进行控制；具体结构包括六个部分：
[0035] (1)系统转速值的计算：设多电机转速同步控制系统内一共有n台电机，n为整数 且n>2,为系统转速给定值（即系统内所有电机的转速给定值）；《pPi、MPJ冷别 为第i台电机的实际转