CN100539388C - 多电机协调控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种多电机协调控制系统，包括基准速度给定模块和至少三个电机控制机构，基准速度给定模块连接各个电机控制机构的比例模块，还包括第一类控制器和第二类控制器，比例模块通过综合求和节点连接电气传动模块，电机传动模块的输出连接对象模块；前后两个电机控制机构的输出同时连接输出求和节点，输出求和节点连接信号处理模块，信号处理模块分别连接第一类控制器和第二类控制器，第一类控制器连接前一个电机控制机构的综合求和节点，第二类控制器连接后一个电机控制机构的综合求和节点，前一个电机控制机构的电气传动模块的输出通过增益模块连接后一个电机控制机构的综合求和节点。本发明位置跟踪性能好、消除输出协调误差、实现无静差控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种多电机传动协调控制系统。
背景技术
多电机传动正在越来越多地应用于机电系统中，大型机电设备因数量众多的同步控制装置容易造成故障率高、使用维护不方便和维修工作量大，严重地影响生产。研究直进式拉丝机的多电机传动协调控制原理和方法，实现直进式拉丝机协调控制，可降低了设备成本并提高系统可靠性和控制管理水平，节能降耗，提高产品的产量、质量和设备运行的经济效益。
目前，在多电机协调控制中主要应用的控制结构有两类：非耦合控制结构和耦合控制结构。其主要控制参数是多台电动机的速度、转角或位移，目的是使各电机联结机构按既定的关系协调运行。
以前，一些大功率工程机械设备与系统的协调运行，包括定速比同步运行、位置随动运行等，大多数还采用机械式协调传动方式。近年来，随着交流变频调速技术、控制理论的迅速发展，交流变频供电下的多电机协调控制方案与控制策略的研究与应用不断引向深入，在多电机传动系统协调控制中，要求各轴速度按规定比例协调运行、各轴位置随动运行的应用系统与设备种类很多，应用也极为广泛。常见的有直进式拉丝机、连铸机、轧钢机、胶带输送机、印刷机组、染整机等。对于由多电机组成的协调传动系统，根据控制系统的结构，分为非交叉耦合型多电机传动系统和交叉耦合型多电机传动系统。
非交叉耦合型多电机传动系统的基本类型有两种，一种为比例给定的多电机并联传动系统，参照图1，传动系统中的各电机之间相互独立，电机之间不存在直接的物理连接，对应的控制系统中给定信号是根据生产工艺要求的比例分别给定。但是，当各电气传动单元的型号、规格不相同时，动态响应的一致性较差。另外，该类系统不能消除输出协调误差问题。
非交叉耦合型多电机传动系统还有一种基本类型为主从协调多电机控制系统，参照图2。在该系统中首先要确定某一传动系统为主系统，对应的电机称之为主电机，指令按某一比例给定到主电气传动单元。指令的大小可以调节给定值的大小而保持比例不变，也可以保持总给定值不变而改变比例系数，第一个电气传动单元的输出乘以增益作为下一个电气传动单元的输入，同理，下一个电气传动单元的输出乘以增益作为再下一个电气传动单元的输入……，这样，下一个输出将会跟随前一个输出的变化而变化，下一个电气传动相对于前一个电气传动来说是从属的，前一个电气传动相对于下一个电气传动来说是主动的。所以，称为主从协调多电机控制系统。主从协调控制的优点是系统结构简单、静态误差小，从电气传动系统会跟随主电气传动系统的扰动而变化，其缺点在于从电气传动系统响应时延较大，动态跟踪性能不好。
交叉耦合补偿控制分为前向交叉耦合补偿控制和反向交叉耦合补偿控制，参照图3和图4。前向交叉耦合补偿控制主要用于双电机系统，每个电机传动本身构成了闭环系统。除此之外，每个电机传动系统的被控量与给定值之间的误差通过控制器叠加到另一个电机传动系统，改善了动态跟踪性能。该类系统目前存在的问题是当被控对象由于机械传动机构产生误差时，无法得到校正，所以，它一般用于对静态性能要求不高、动态性能要求较高的场合。
参照图5，改进的非交叉耦合型多电机传动系统，该系统中的电气传动2单元的输入给定由总给定和前一级的输出两部分组成，电气传动3单元的输入与电气传动2单元类似，其特点兼顾了动态响应和跟随精度。该系统应用于启动一致性要求好、跟随精度较高的场合非常有效，但不能消除输出协调误差问题。
参照图6，反向交叉耦合补偿控制也是用于双电机系统，它是将2个电机传动控制系统输出量进行比较，通过信号处理后经协调控制器分别输出给2个电机传动单元。如果用在多于2个电机的系统，由于输入量之间、输出量之间的存在耦合，就会出现单个目标多个主控制器问题，无法设计协调控制器。
发明内容
为了克服已有的多电机控制系统的位置跟踪性能差、不能消除输出协调误差、存在有静差控制的不足，本发明提供一种位置跟踪性能好、消除输出协调误差、实现无静差控制的多电机传动协调控制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多电机协调控制系统，包括基准速度给定模块和至少三个电机控制机构，所述电机控制机构包括比例模块、电气传动模块和对象模块，所述的基准速度给定模块连接各个电机控制机构的比例模块，所述至少三个电机控制机构之间按照先后顺序依次两两协调；所述多电机协调控制系统还包括用于向电机做补偿控制并校正目标值动态误差的第一类控制器和用于从电机做补偿控制并确定目标值无静差控制的第二类控制器；所述的比例模块通过综合求和节点连接电气传动模块，所述电机传动模块的输出连接对象模块；前一个电机控制机构的输出与相邻后一个电机控制机构的输出同时连接输出求和节点，所述输出求和节点连接信号处理模块，所述信号处理模块分别连接第一类控制器和第二类控制器，所述第一类控制器连接前一个电机控制机构的综合求和节点，所述第二类控制器连接后一个电机控制机构的综合求和节点，所述前一个电机控制机构的电气传动模块的输出通过增益模块连接后一个电机控制机构的综合求和节点。
作为优选的一种方案：所述的信号处理模块包括位置计算模块和位置求和节点，所述的输出求和节点连接用于对输出的速度差值乘以单位时间的距离得到位置信号的计算模块，所述位置计算模块的输出连接位置求和节点，所述位置求和节点还包括位置给定输入端，所述位置求和节点的输出分别连接第一类控制器和第二类控制器。
本发明的技术构思为：它既考虑了同步给定、运行跟随，也考虑了协调误差，其中第一比例、第二比例、第三比例表示前向给定的比例系数(并联传递系数)，第一增益、第二增益表示主从跟踪的比例系数(串联传递系数)。为了方便用于多于2个电机的协调运行，将控制器A、控制器B、控制器C、控制器D赋予不同功能，本发明仅考虑一种情况，即把向主电机做补偿控制的控制器A和控制器C主要功能确定为校正目标值动态误差，把向从电机做补偿控制的控制器B和控制器D主要功能确定为目标值无静差控制。这样，容易构成更多电机的协调运行系统。
本发明的有益效果主要表现在：
1)主电机的速度完全由速度给定决定；
2)当位置由位置传感器测量得到时，容易构成了速度可调的多位置跟踪系统和多位置定位系统；
3)当多电机输出协调关系发生变化时，可在线改变增益，实现快速跟踪；
4)多电机启动一致性好；
5)可实现多位置无静差调节；
6)该多电机传动系统特别适用于启动一致性要求高、位置跟踪性能好、速度可调的场合；
7)位置反馈量由位置传感器测量得到，当位置量控制要求不高时，通过计算得到，这样，可构成无位置传感器的多位置跟踪系统。
附图说明
图1是比例给定的多电机并联传动系统的示意图。
图2是主从协调多电机控制系统的示意图。
图3是前向交叉耦合补偿控制系统的示意图
图4是反向交叉耦合补偿控制的示意图。
图5是改进的非交叉耦合型多电机传动系统的示意图。
图6是改进的反向交叉耦合型多电机传动系统的示意图。
图7是本发明的交叉耦合型多电机传动系统的示意图。
图8是速度可调位置跟踪交叉耦合型的多电机协调控制系统的示意图。
图9是三道次拉丝机控制系统示意框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图7、图8和图9，一种多电机协调控制系统，包括基准速度给定模块和至少三个电机控制机构，所述电机控制机构包括比例模块、电气传动模块和对象模块，所述的基准速度给定模块连接各个电机控制机构的比例模块，所述至少三个电机控制机构之间按照先后顺序依次两两协调；所述多电机协调控制系统还包括用于向电机做补偿控制并校正目标值动态误差的第一类控制器和用于从电机做补偿控制并确定目标值无静差控制的第二类控制器；所述的比例模块通过综合求和节点连接电气传动模块，所述电机传动模块的输出连接对象模块；前一个电机控制机构的输出与相邻后一个电机控制机构的输出同时连接输出求和节点，所述输出求和节点连接信号处理模块，所述信号处理模块分别连接第一类控制器和第二类控制器，所述第一类控制器连接前一个电机控制机构的综合求和节点，所述第二类控制器连接后一个电机控制机构的综合求和节点，所述前一个电机控制机构的电气传动模块的输出通过增益模块连接后一个电机控制机构的综合求和节点。
所述的信号处理模块包括位置计算模块和位置求和节点，所述的输出求和节点连接用于对输出的速度差值乘以单位时间的距离得到位置信号的计算模块，所述位置计算模块的输出连接位置求和节点，所述位置求和节点还包括位置给定输入端，所述位置求和节点的输出分别连接第一类控制器和第二类控制器。
图7既考虑了同步给定、运行跟随，也考虑了协调误差，其中比例1、比例2、比例3表示前向给定的比例系数(并联传递系数)，增益1、增益2表示主从跟踪的比例系数(串联传递系数)。为了方便用于多于2个电机的协调运行，将控制器A、控制器B、控制器C、控制器D赋予不同功能，本发明仅考虑一种情况，即把向主电机做补偿控制的控制器A和控制器C主要功能确定为校正目标值动态误差，把向从电机做补偿控制的控制器B和控制器D主要功能确定为目标值无静差控制。这样，容易构成更多电机的协调运行系统。
图7信号处理部分既可以对速度之差进行积分再乘以单位时间的距离得到位置信号，也可以通过位置传感器测量实际值得到。将该信号与给定的位置信号进行比较、控制，就得到了定位或位置跟踪系统，如图8所示。这个系统的优点之一是静态速度完全由基准速度给定。例如，设比例1的值为1，将控制器A设计成P型(比例)控制，控制器B设计成PI型(比例积分)控制，则静态时，控制器B的作用使输入无静差，位置反馈与位置给定之差等于0，那么控制器A的输出也为0，这与图4中的反向交叉耦合补偿控制有很大的区别：图4中的控制器3输出一般不为0，输出1与速度/位置给定1没有对应关系。而在图8中，由于静态时控制器A的输出也为0，所以电气传动1中的输入完全等于基准速度给定，电气传动1中的电机(主电机)运行速度也就确定了。
图9中的ba0、ba1和ba2分别对应图8中的比例1、比例2和比例3，称为并联传递系数。ka1和ka2分别对应8中的比例1和比例2，称为串联传递系数。Pa1、CB(s)、Pa2、CD(s)对应图8中的控制器1、控制器2、控制器3、控制器4，ωa1、ωa2、ωa3分别为3个电机的角频率，za1、za2为位置给定信号，ya1、ya2为位置反馈信号。电机通过传动机构使卷筒运行，卷筒之间有调谐器和位置传感器，它们用来协调电机之间的运行。工作时，当金属线材压缩率为20％时，则取ba0＝ba1＝ba2＝0.6，ka1＝ka2＝0.6。当位置反馈信号ya1、ya2为0-10V时，则取za1＝za2＝5V。取pa1＝pa2＝0.1，CB(s)、CD(s)为PI控制器。这样就构成了三道次拉丝机控制系统。
Claims (2)
1、一种多电机协调控制系统，包括基准速度给定模块和全少三个电机控制机构，所述电机控制机构包括比例模块、电气传动模块和对象模块，所述的基准速度给定模块连接各个电机控制机构的比例模块，其特征在于：所述至少三个电机控制机构之间按照先后顺序依次两两协调；
所述多电机协调控制系统还包括用于向前一个电机做补偿控制并校正目标值动态误差的第一类控制器和用于相邻后一个电机做补偿控制并确定目标值无静差控制的第二类控制器；
所述的比例模块通过综合求和节点连接电气传动模块，所述电机传动模块的输出连接对象模块；
前一个电机控制机构的输出与相邻后一个电机控制机构的输出同时连接输出求和节点，所述输出求和节点连接信号处理模块，所述信号处理模块分别连接第一类控制器和第二类控制器，所述第一类控制器连接前一个电机控制机构的综合求和节点，所述第二类控制器连接后一个电机控制机构的综合求和节点，所述前一个电机控制机构的电气传动模块的输出通过增益模块连接后一个电机控制机构的综合求和节点。
2、如权利要求1所述的多电机协调控制系统，其特征在于：所述的信号处理模块包括位置计算模块和位置求和节点，所述的输出求和节点连接用于对输出的速度差值乘以单位时间的距离得到位置信号的计算模块，所述位置计算模块的输出连接位置求和节点，所述位置求和节点还包括位置给定输入端，所述位置求和节点的输出分别连接第一类控制器和第二类控制器。
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