一种双闭环补偿的改进型偏差耦合控制结构及其控制方法与流程

1.本发明涉及多电机协同控制技术领域，具体而言，涉及一种双闭环补偿的改进型偏差耦合控制结构及其控制方法。


背景技术：

2.随着工业生产需求的不断增长单电机生产系统变得越来越难以满足各种复杂的生产环境和日益增长的生产需求，工业机器人、造纸业等控制系统中的动力系统大多都是采用多电机协同控制系统来实现的。例如造纸业中广泛使用的长网造纸机，它是由多套设备协同工作来构成的联动装置，通过其中包含的多个电机按照相对或绝对的方式协同完成工作。单电机控制系统的控制精度与多电机控制结构的选择直接决定着生产系统的控制性能，其协同性能直接影响着生产系统的安全性与可靠性。近些年来，国内外专家学者对多电机协同控制系统的研究已经取得了一定的研究成果。此外，诸如西门子、施耐德、台达等工控行业的国内外制造商已将多电机协同控制系统作为了重点研究项目。
3.纵观整个控制领域的发展历程，多伺服电机控制结构经过了许多国内外专家学者的优化取得了一定的成果，但是目前的控制结构还存在一些可以进行优化的地方，尤其是误差补偿策略方面作为多伺服电机协同控制系统的核心直接影响着整个控制系统的控制性能。近些年来，对于多电机协同控制系统的研究重点主要侧重于控制结构的研究与控制算法的研究，许多现代智能控制算法被应用于多电机协同控制系统中，但是其本质是通过现在智能控制算法来提高单电机控制的精度进而来实现提高多电机控制系统协同性能的目的，而不是改进控制结构本身所存在的不足。


技术实现要素：

4.为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种双闭环补偿的改进型偏差耦合控制结构及其控制方法，引入了改进微分负反馈来使得控制器提前退饱和，从而使得速度补充器发挥应用的作用达到提高系统协同性能，减小同步误差。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.第一方面，本发明实施例提供一种双闭环补偿的改进型偏差耦合控制结构，包括：转速控制器、电流控制器以及多电机系统，上述速度控制器与上述电流控制器连接，上述电流控制器还与各电机系统连接，在上述转速控制器中引入微分负反馈，在上述电流控制器中引入速度补偿器；上述微分负反馈用于为转速控制器提供补偿，使得转速控制器提前退饱和；上述速度补偿器用于对电流控制器进行补偿控制。
7.为了解决传统偏差耦合控制结构在中存在的同步误差大等问题，本发明简化了该控制结构的速度补偿器，并针对启动阶段超调量较大的问题在转速控制器中引入了一项微分负反馈补偿来使得控制器提前退饱和。同时，电流控制器中也引入了补偿器，进一步的提高了系统的协同性能，减小同步误差。
8.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，采用公式：计算多电机系统的输出转速平均值，其中，ω
avg
为多电机系统输出转速平均值，ωi为第i个电机的输出转速值。
9.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，采用公式：ei＝ks(ω
i-ω
avg
)，其中，ei为第i个速度补偿器的输出，ω
avg
为多电机系统输出转速平均值，ωi为第i个电机的输出转速值。
10.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，采用公式：计算微分负反馈的值。
11.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，采用双闭环控制系统对多电机系统中的各个电机进行控制。
12.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述转速控制器采用比例积分控制策略对各个电机进行控制。
13.第二方面，本发明实施例提供一种根据上述第一方面中任一项的一种双闭环补偿的改进型偏差耦合控制结构的控制方法，包括以下步骤：
14.通过在转速控制器中引入微分负反馈，通过微分负反馈为转速控制器提供补偿，使得转速控制器提前退饱和；
15.通过速度补偿器产生速度补偿量，为电流控制器提供补偿；
16.通过转速控制器和电流控制器对各个电机系统进行控制。
17.本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：
18.本发明实施例提供一种双闭环补偿的改进型偏差耦合控制结构，简化了该控制结构的速度补偿器，并在转速控制器中引入了一项微分负反馈补偿来使得控制器提前退饱和；同时，电流控制器中也引入了补偿器，进一步的提高了系统的协同性能，减小同步误差。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
20.图1是传统偏差耦合控制结构；
21.图2是改进型传统偏差耦合控制结构；
22.图3是第i台电机的控制结构图；
23.图4是改进微分模块近似方框图；
24.图5是传统偏差耦合控制结构空载启动转速输出曲线图；
25.图6是传统偏差耦合控制结构各电机之间同步误差曲线图；
26.图7是改进型传统偏差耦合控制结构空载启动转速输出曲线图；
27.图8是改进型传统偏差耦合控制结构各电机之间同步误差曲线图。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
31.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
32.实施例：
33.如图2所示，第一方面，本发明实施例提供一种双闭环补偿的改进型偏差耦合控制结构，包括：转速控制器、电流控制器以及多电机系统，上述速度控制器与上述电流控制器连接，上述电流控制器还与各电机系统连接，在上述转速控制器中引入微分负反馈，在上述电流控制器中引入速度补偿器；上述微分负反馈用于为转速控制器提供补偿，使得转速控制器提前退饱和；上述速度补偿器用于对电流控制器进行补偿控制。
34.如图1所示的传统偏差耦合控制结构，该结构存在的同步误差大等问题。为了解决传统偏差耦合控制结构在中存在的同步误差大等问题，本发明简化了该控制结构的速度补偿器，并针对启动阶段超调量较大的问题在转速控制器中引入了一项微分负反馈补偿来使得控制器提前退饱和。同时，电流控制器中也引入了补偿器，进一步的提高了系统的协同性能，减小同步误差。
35.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，采用公式：计算多电机系统的输出转速平均值，其中，ω
avg
为多电机系统输出转速平均值，ωi为第i个电机的输出转速值。
36.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，采用公式：ei＝ks(ω
i-ω
avg
)，其中，ei为第i个速度补偿器的输出，ω
avg
为多电机系统输出转速平均值，ωi为第i个电机的输出转速值。
37.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，采用公式：
计算微分负反馈的值。
38.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，采用双闭环控制系统对多电机系统中的各个电机进行控制。
39.基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述转速控制器采用比例积分控制策略对各个电机进行控制。
40.本发明中单个电机控制系统选用双闭环控制系统，并在不失一般性的情况下对第i台电机进行分析。控制系统的速度控制器采用比例积分(pi)控制策略，对于第i台电机的控制结构如图3所示。
41.图3中f1(s)为速度控制器，f2(s)为电流控制器，补偿量1包括速度补偿器补偿量和改进微分负反馈补偿，补偿量2为速度控制器补偿量，g1(s)、g2(s)、g3(s)、g4(s)为电机系统结构。对于第i台电机表示ω
ref
与ωi的之间关系的传递函数g
ioi
(s)可以表示为：
[0042][0043]
其中，a(s)＝g1(s)g2(s)g3(s)g4(s)，b(s)＝(f1(s)+ksf1(s)+h(s)f1(s)+ks)。对于第i台电机表示ω
ref
与t
li
的之间关系的传递函数g
loi
(s)可以表示为：
[0044][0045]
对于第i台电机表示ω
ref
与ωj的之间关系的传递函数g
joi
(s)可以表示为：
[0046][0047]
不失一般性，根据线性叠加原理ωi(s)可以被表示为：
[0048]
ωi(s)＝ω
refgioi
(s)+t
ligloi
(s)+ωj(s)g
joi
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0049]
在各个电机控制器参数与电机自身参数相同的情况下，两电机之间的同步误差可表示为：
[0050]
δω(s)＝ω
1-ω2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0051]
将式(1)至式(3)代入到式(4)中进行重新排列，式(4)可表示为：
[0052][0053]
在式(1)至式(4)三个传递函数中都包含ks，显而可知当各个电机的控制器参数与电机自身参数相同时，同步误差仅仅与ks有关，这意味着可以通过调整ks来调节电机之间的同步误差，随着ks一定范围内的增加，同步误差会随之减小。
[0054]
图2中，ω
avg
为多电机系统输出转速平均值，其运算表达式如式(7)所示。
[0055][0056]
第i个速度补偿器的输出ei的运算表达式如式(8)所示。
[0057]ei
＝ks(ω
i-ω
avg
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0058]
从式(8)中我们得以得知改进型偏差耦合控制结构在一定程度上简化了速度补偿器。改进型偏差耦合控制结构中转速补偿器仅包括电机自身转速ωi与多个电机的平均转速的转速差ω
avg
，避免了当多电机控制系统被控电机数量较多时转速补偿器在线计算量大的问题。
[0059]
在改进型偏差耦合控制结构中，转速控制器的输入为期望转速ω
ref
与输出转速平均值ω
avg
的偏差。转速平均值ω
avg
的偏差中包含其他电机的转速信息，能隔进一步提高系统的协同性能进而减小电机间的同步误差。
[0060]
与此同时，由于电磁时间常数远远机械时间常数，电流环的响应速度比转速环的响应速度快得多，因此在每台电机电流环控制器输入中添加了一项补偿量来控制系统的协同性能，第一台电机电流环补偿作用表达式如下表达式：
[0061]ei
＝ks(ω
i-ω
avg
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0062]
针对电机系统启动时同步误差和超调量比较大的问题，在电机转速控制器输入中添加了一项改进微分负反馈补偿。每个电机的速度补偿器输出量包含改进微分负反馈补偿量和ω
avg
与ωi之间的误差。在改进型偏差耦合控制结构中，转速控制器的输入由简化的同步补偿器输出和系统输出转速平均值ω
avg
与系统转速给定值ω
ref
的偏差以及二阶微分负反馈三部分组成。
[0063]
在电机控制系统中考虑到系统的安全性在控制系统当中加入了输出限幅器，在电机启动过程当中，由于控制结构误差补偿量比较大，在输出限幅器的作用下，速度补偿器起不到作用导致电机间的同步误差变大。因此，在irccs的转速环控制器中引入了一项改进微分负反馈来抑制超调量并降低同步误差。
[0064]
传统微分信号中存在输入信号容易受到噪声污染并且容易将噪声放大的问题，针对此问题将微分近似公式换成另一种微分近似公式：
[0065][0066]
而且延迟信号v(t-τ1)和(t-τ2)可以通过惯性环节1/(τ1s+1)和1/(τ2s+1)得到，来实现消除或者抑制噪声的放大。因此，微分近似公式的传递函数形式可表示为：
[0067][0068]
其等价模型如图4所示。
[0069]
引入改进转速微分负反馈后，解决了在噪声被污染的情况下噪声被放大的问题。同时，改进微分负反馈可使得转速控制器在启动阶段提前退饱和，有效的降低电机之间的同步误差并且抑制了转速超调量。
[0070]
基于本发明，进行实验仿真分析：
[0071]
通过仿真对irccs和rccs进行分析对比，仿真通过simulink对三电机协同控制系统进行仿真验证。本文选取的电机模型参数如下：
[0072][0073]
速度控制器与电流控制器的参数如下：
[0074][0075]
引入两个性能指标来综合评价系统的瞬态响应能力：最大同步误差速度ω
sm
，最大跟踪误差速度ω
tm
，性能指标表达式如下所示。
[0076]
ω
sm
＝max{|ω
1-ω2|,|ω
1-ω3|,|ω
2-ω3|}
[0077]
ω
tm
＝max{|ω
1-ω
ref
|,|ω
1-ω
ref
|,|ω
3-ω
ref
|}
[0078]
在对系统进行仿真中，考虑到直流电机数学模式较为复杂，具有非线性、时变性等特点，并且实际应用中存在着电机设备由于不同程度的使用所导致的磨损，将导致电机设备即使在型号与参数相同的情况下也会有一定程度的差异。因此，本文在仿真中选取的三个电机模型有着细微的差异。采用两种控制结构分别在空载启动和稳态突加负载两种状态进行仿真验证，输入信号为阶跃信号。rccs空载启动状态转速输出曲线图如图5所示，各电机之间同步误差曲线图如图6所示。
[0079]
由图5与图6可知，控制系统在空载状态启动时rccs最大同步误差速度为:ω
sm
＝0.0636，最大跟踪误差速度为：ω
tm
＝0.386。
[0080]
irccs空载启动状态转速输出曲线图如图7所示，irccs各电机之间同步误差曲线图如图8所示。通过仿真数据对比分析可知：在控制系统空载启动阶段，irccs与rccs在快速性相近的情况下，irccs的最大跟踪误差速度明显降低，并且各个电机之间的最大同步误差明显降低，具有更好的同步性能与更好的抗扰性能。
[0081]
第二方面，本发明实施例提供一种根据上述第一方面中任一项的一种双闭环补偿的改进型偏差耦合控制结构的控制方法，包括以下步骤：
[0082]
通过在转速控制器中引入微分负反馈，通过微分负反馈为转速控制器提供补偿，使得转速控制器提前退饱和；
[0083]
通过速度补偿器产生速度补偿量，为电流控制器提供补偿；
[0084]
通过转速控制器和电流控制器对各个电机系统进行控制。
[0085]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法及系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的方法及系统实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本技术的多个实施例的方法及系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0086]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0087]
对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论
从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。