CN109534064A - 基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法 - Google Patents

Abstract

基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法涉及汽车安全气囊生产线多电机耦合系统控制领域，该方法根据汽车安全气囊生产线的工作机理建立了四个电机智能体协同工作的数学模型，根据汽车安全气囊生产线多电机耦合系统张力恒定的目标，建立了四个电机理想角速度之间的函数关系，取消张力传感器，间接实现张力的恒定。本发明有效降低气囊材料不均造成的卷轴周期性扰动，使系统快速达到期望的性能指标，在目前已有技术人员提出的卷径计算方法的基础上，提出卷径的自适应估计方法，减少了因卷径计算的偏差而引起的张力波动，有效保持卷绕过程中张力的恒定，提高了系统的灵活性和鲁棒性，不仅节省了成本，而且提高了气囊产品质量。

Description

基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法

技术领域

本发明涉及汽车安全气囊生产线多电机耦合系统控制领域，主要涉及一种基于卷径自适应估计的汽车安全气囊生产线多电机耦合系统间接张力控制方法。

背景技术

张力控制，通俗地讲就是要控制卷取物体时保持物体相互拉长或者绷紧的力。张力应用于最广泛的造纸、纤维、塑料薄膜、电线、印刷品、磁带等轻工业中，带材或线材的收放卷张力对产品的质量起着至关重要的作用。在收卷和放卷的过程中，为保证生产的质量及效率，保持恒定的张力是很重要的。

近年来，汽车的安全性越来越受到人们的重视，作为安全气囊生产的气囊生产设备产业也得到了迅猛的发展。通常情况下，气囊生产线由设备、设备控制层、工位、工位协调控制层、上位机监控五层结构组成。每个工位由多个设备及设备智能体(agent)组成，其中卷袋工位为多电机耦合的张力控制系统，该工位由卷袋电机与驱动电缸直线运动的电机、缸体磁开关、接近开关、转矩传感器、转速传感器等设备组成。在卷袋的过程中，当卷袋电机转矩增大时，布袋张力减小，卷袋过松；当直线运动的电机速度增加时，布袋张力增大，卷袋过紧，卷绕过程中的这种各段张力控制的不均匀，致使卷绕后的各段半径误差较大，不仅给后续工序装配带来困难，严重的甚至影响气囊展开时的时效，失去气囊安全保护的功效。可见在卷袋过程中必须保持张力的恒定，以达到折叠的均匀性，保证汽车在遇到猛烈撞击时安全气囊能够平整的展开，因此，汽车安全气囊生产线多电机耦合系统属于典型的张力控制系统。

随着伺服驱动技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术的迅猛发展，张力控制设备也得到了快速的发展，其技术已经趋于成熟。例如：张海燕在文献1【张海燕,徐金苓.凹印机变频收卷张力控制系统建模研究[J].轻工机械,2010,28(4):60-63】中建立凹印机运动模型推导出所需控制矢量，利用变频器驱动交流电动机，以达到调速的目的，从而保持张力的恒定。宋祥双在文献2【宋祥双.基于模糊神经网络的慢走丝恒张力系统的研究[D].合肥工业大学,2010】中采用了模糊神经网络控制算法实现张力控制，该算法具有较强的学习能力，能够适应难以建模的非线性系统，在不同的工作环境下仍能够保证控制精度，控制效果令人满意。蒋近在文献3【蒋近,戴瑜兴,郜克存,等.多线切割机走线系统的张力控制[J].机械工程学报,2011,47(5):183-187】中指出传统的张力控制系统中张力大小一般通过张力传感器测出，但是由于其抗干扰能力差、安装不便、价格昂贵等缺陷，使其应用大大受到限制，因此有科技文献利用张力观测器的方式进行张力值检测，并利用扰动观测器减少外界扰动对系统的影响，从而大大的提高了控制精度。相比于其它设计的张力控制器，考虑摩擦因素对张力控制系统的影响，王乐在文献4【王乐.低重力模拟器吊索张力控制算法研究[D].哈尔滨工业大学,2011】中采用一定的补偿算法对摩擦进行补偿，但是没有考虑不同摩擦类型，因此这种补偿方式具有一定的局限性。

多智能体系统在表达实际系统时，通过各智能体间的通讯、合作、互解、协调、调度、管理及控制来表达系统的结构、功能及行为特性。多智能体系统具有自主性、分布性、协调性，并具有自组织能力、学习能力和推理能力。在多智能体系统中，各智能体之间互相通信，彼此协调，并行地求解问题，采用多智能体系统解决实际应用问题，具有很强的鲁棒性和可靠性，并具有较高的问题求解效率。运用智能体之间的协调配合完成复杂的工作任务，不仅节省了成本，还提高了系统的灵活性和鲁棒性。因此，基于复杂系统的多智能体协同控制将具有广泛的应用背景。将多智能体技术应用到多电机的协调控制中已成为一个重要的发展趋势。

发明内容

为了解决汽车安全气囊生产线张力控制系统中存在的多变量、强耦合、非线性、参数时变造成的张力不均衡进而导致产品质量下降，以及张力传感器抗干扰能力差、安装不便、价格昂贵的技术问题，本发明提出了基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法，其方法包括如下步骤：

步骤一、根据汽车安全气囊生产线的工作机理，建立四个电机智能体协同工作的数学模型；然后根据汽车安全气囊生产线多电机耦合系统保证张力恒定的目标，确立不同电机智能体理想角速度之间的函数关系，取消张力传感器；

步骤二、利用数据采集及调理模块获得汽车安全气囊生产线多电机耦合系统的实时角速度信息w₁、w₂、w₃、w₄，与理想角速度做差值运算，求得其中e₁、w₁、w₂作为控制器1的输入，e₂、w₁、w₂作为控制器2的输入，e₃、w₁、w₃、w₄作为控制器3的输入，e₄、w₃、w₄作为控制器4的输入；控制器1、控制器2、控制器3、控制器4构成了汽车安全气囊生产线多电机耦合系统基于多智能体的间接张力控制；

步骤三、各控制器根据输入的状态变量，提出一种基于终端滑模的多智能尺度同步协调控制策略，求得各电机理想的q轴电流i_q1 ^*、i_q2 ^*、i_q3 ^*、i_q4 ^*，其中卷径采用自适应方法进行估计，并将i_q1 ^*、_iq2 ^*、_iq3 ^*、_iq4 ^*作为四个电机的控制输入,且设四个电机理想的d轴电流i_d1 ^*＝i_d2 ^*＝i_d3 ^*＝i_d4 ^*＝0；

步骤四、四个电机智能体均采用矢量控制方法，首先采用电流传感器检测到电机三相定子交流电流i_ai，i_bi，i_ci，通过三相到两相的变换(CLARK变换)，将三相坐标系上的定子交流电流i_ai，i_bi，i_ci等效成两相静止坐标系上的交流电流i_αi，i_βi，再通过同步旋转坐标变换(PARK变换)，等效成同步旋转坐标系上的直流电流i_di和i_qi；根据步骤三求得i_qi ^*，设定i_di ^*＝0，利用交轴电流控制器和直轴电流控制器求得同步旋转坐标系上的直流电压u_di和u_qi，再经过坐标的逆变换(PARK逆变换)求得交流电流u_αi，u_βi，最后利用SVPWM(空间矢量脉宽调制)模块变换成驱动逆变器功率开关器件的触发信号，从而调节加在各电机三相定子的交流电流i_ai，i_bi，i_ci，进而改变各电机的旋转角速度w_i；

步骤五、四个电机智能体构成汽车安全气囊生产线多电机耦合系统，卷袋电机1和电机2协同工作带动左侧卷尺旋转，卷袋电机3和电机4协同工作带动右侧卷尺旋转；具体工作过程是：左侧的卷袋电机1带动卷尺旋转将布袋卷绕在卷尺上，同时电机2通过同步传动机构带动卷袋电机1与卷尺直线移动，且移动的距离应与布袋被卷起的长度相同；右侧的卷袋电机3带动卷尺旋转将布袋卷绕在卷尺上，同时电机4通过同步传动机构带动卷袋电机3与卷尺直线移动，且移动的距离应与布袋被卷起的长度相同，且在卷绕过程中保证各电机能够快速跟踪上其各自理想的角速度。

本发明的有益效果如下：

1)本发明根据汽车安全气囊生产线的工作机理建立了四个电机智能体协同工作的数学模型，根据汽车安全气囊生产线多电机耦合系统张力恒定的目标，建立了四个电机理想角速度之间的函数关系，取消张力传感器，间接实现张力的恒定，解决了张力传感器抗干扰能力差，安装不便、价格昂贵等问题。

2)本发明提出了基于卷径自适应估计的汽车安全气囊生产线多电机耦合系统间接张力控制方法，首先建立气囊生产线四个电机智能体的尺度同步模型，然后采用终端滑模，通过连续调整自身电机与相邻电机的状态变量，实现了四个电机实际角速度有限时间跟随其理想角速度，各智能体的卷径采用自适应方法进行估计，从而间接实现汽车安全气囊生产线多电机耦合系统的张力恒定控制；解决了张力传感器抗干扰能力差，安装不便、价格昂贵问题。有效降低气囊材料不均造成的卷轴周期性扰动，使系统快速达到期望的性能指标，在目前已有技术人员提出的卷径计算方法的基础上，提出卷径的自适应估计方法，减少了因卷径计算的偏差而引起的张力波动，有效保持卷绕过程中张力的恒定，提高了系统的灵活性和鲁棒性，不仅节省了成本，而且提高了气囊产品质量。

3)该方法对其他如造纸、纤维、塑料薄膜、电线、印刷品、磁带等轻工业中的张力控制系统提供了一种新的设计思路。

4)本发明的方法简单易于实现，适用面广，适宜广泛推广应用。

附图说明

图1是本发明汽车安全气囊生产线多电机耦合系统的示意图。

图2是本发明基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法原理图。

图3是本发明电机智能体的矢量控制原理图。

图4是本发明汽车安全气囊生产线多电机耦合系统的多智能体信息交换拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法的工作原理是：卷袋电机1和电机2协同工作带动左侧卷尺旋转，卷袋电机3和电机4协同工作带动右侧卷尺旋转。具体工作过程：卷袋电机1带动卷尺旋转将布袋卷绕在卷尺上，同时电机2通过同步传动机构带动卷袋电机1与卷尺直线移动，移动的距离应与布袋被卷起的长度相同。右侧的卷袋电机3、电机4的协调工作机理与此相同，且在卷绕过程中保证各电机能够快速跟踪上其各自理想的角速度。

如图2所示，本发明基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法由控制器1、控制器、控制器、控制器、电机智能体1、电机智能体2、电机智能体3、电机智能体4、α₁、α₂和数据采集及调理模块实现。利用数据采集及调理模块获得汽车安全气囊生产线多电机耦合系统的实时角速度信息w₁、w₂、w₃、w₄，与理想角速度做差值运算，求得 其中_e1、w₁、w₂作为控制器1的输入，_e2、w₁、w₂作为控制器2的输入，e₃、w₁、w₃、w₄作为控制器3的输入，_e4、w₃、w₄作为控制器4的输入。各控制器根据输入的状态变量，首先建立气囊生产线四个电机智能体的尺度同步模型，然后采用终端滑模，通过连续调整自身电机与相邻电机的状态变量，求得各电机理想的q轴电流i_q1 ^*、i_q2 ^*、i_q3 ^*、i_q4 ^*作为四个电机智能体的输入,且设i_d1 ^*＝i_d2 ^*＝i_d3 ^*＝i_d4 ^*＝0，实现了四个电机实际角速度有限时间跟随其理想角速度，各智能体的卷径采用自适应方法进行估计。

如图3所示，本发明基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法中四个电机智能体均采用矢量控制方法，首先采用电流传感器检测到电机三相定子交流电流i_ai，i_bi，i_ci，通过三相到两相的变换(CLARK变换)，将三相坐标系上的定子交流电流i_ai，i_bi，i_ci等效成两相静止坐标系上的交流电流i_αi，i_βi，再通过同步旋转坐标变换(PARK变换)，等效成同步旋转坐标系上的直流电流i_di和i_qi。根据步骤三求得i_qi ^*，设定i_di ^*＝0，利用交轴电流控制器和直轴电流控制器求得同步旋转坐标系上的直流电压u_di和u_qi，再经过坐标的逆变换(PARK逆变换)求得交流电流u_αi，u_βi，最后利用SVPWM模块变换成驱动逆变器功率开关器件的触发信号，从而调节加在各电机三相定子的交流电流i_ai，i_bi，i_ci，进而改变各电机的旋转角速度w_i。

如图4所示，本发明基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法中将四个电机以智能体的形式连接，其中领导智能体为虚拟电机，每个电机智能体都能够获得领导智能体和相邻电机智能体的状态信号。

本发明基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法具体实施步骤如下：

1)汽车安全气囊生产线多电机耦合系统的数学模型

卷袋过程中，卷袋电机1带动卷尺旋转将布袋卷绕在卷尺上，同时电机2通过同步传动机构带动卷袋电机1与卷尺直线移动，根据牛顿第二定律，卷袋过程应遵循的动力学运动定律：

式中，D₁为电机1卷袋绕动直径，J₁为卷袋电机1布袋与卷尺的转动惯量，F为布袋张力，w₁为卷袋电机1角速度，T₁为卷袋电机1转矩，B₁为粘滞摩擦系数。

其中：

式中，J_1k为纸卷转动惯量，J₁₀为卷带电机的转动惯量，m₁为布袋被卷绕部分的质量(Kg)，D₀为卷轴直径，ρ为布袋密度，b为布袋宽度。

将式(1)整理如下：

电机2的动力学方程：

式中：T₂为电机2的转矩，l₂为电机轴每转的机械位移量(m)，m₂为布袋和卷袋电机1的质量(Kg)；μ为摩擦系数，η为电机2的效率，T₂₀为滚珠丝杠螺母、轴承部分摩擦转矩折算到电机2轴上的值(N.m)，B₂为粘滞摩擦系数。

电机2的惯量J₂可由下面公式得出:

式中:J_2k为电机2负载转动惯量，J₂₀为电机2的转动惯量。

令：

整理安全气囊卷袋工位卷袋电机1和电机2的动力学模型如下：

同理，可得安全气囊卷袋工位卷袋电机3和电机4的动力学模型：

四个电机均为相同的永磁同步电机，采用i_d＝0的矢量控制方式，则四个电机的动力学模型为：

2)基于卷径自适应估计的汽车安全气囊生产线多电机耦合系统间接张力控制模型

同样以卷袋过程中，卷袋电机智能体1和直线输送电机智能体2的协调工作2为例分析。根据胡克定律，在材料的弹性范围内，应力低于比例极限的情况下，固体中的应力σ与应变ε(力学中定义一微小材料元素承受应力时所产生的单位长度变形量为应变)成正比，即σ＝Eε，即布袋卷袋过程中的应变可表示为：ΔL＝(1/E)×L×(F/A)＝(1/E)×L×σ，

式中，E为常数，称为弹性模量或杨氏模量；L为布袋长度，ΔL为总伸长(或缩减)量，A为其横截面积。假定布袋和卷尺之间没有相对滑动，

电机和卷尺的传送比为1:1，且本段距离内的布袋上的张力处处相等，则张力F为：

F＝EAε＝EA(L'-L)/L (10)

式中，F为卷袋张力，ε为形变率。

设t为卷袋L(m)所用的时间，则有：

由线速度与角速度的关系可得：

式中，R₂为电机2的转动半径。

由式(11)可知，张力产生的本质原因是两电机存在线速度差从而使卷起的布袋发生了形变产生拉力。对式两边求导得：

由式(12)可知，为保证张力恒定，卷袋电机1和电机2的理想角速度应满足：同理卷袋电机3和电机4的理想角速度应满足：卷袋电机1和卷袋电机3的理想角速度应满足：w₁ ^*＝w₃ ^*。

可见，只要在卷袋过程中，保证四个电机有效跟随其理想角速度，即可间接实现汽车安全气囊生产线多电机耦合系统的张力恒定控制。

3)基于卷径自适应估计的汽车安全气囊生产线多电机耦合系统间接张力控制方法

令

则将四个电机的动力学模型(9)重写为如下形式：

式中，i＝1,2,3,4。

如图4所示，将给定的电机角速度ω₀信号作为虚拟电机构成一个领导智能体，领导智能体的角速度只对其邻居智能体可知，由多智能体的定义性质可得，相应的邻接矩阵A为：

智能体i(i＝1,2,3,4)与领导智能体之间的连接权值用τ_i来表示，如果智能体i和领导智能体连通，则τ_i＝1(i＝1,2,3,4)，否则τ_i＝0。

令，

根据图2有，w₂ ^*＝w₁ ^*α₂＝ω₀α₂，w₄ ^*＝w₃ ^*α₄＝ω₀α₄。

采用尺度同步方法，定义各智能体的角速度跟随误差变量为：

e_i(t)＝ω_i(t)-α_iω₀，i＝1,2,3,4 (18)

式中，α_i为第i个智能体与领导智能体的角速度跟随尺度。

设领导智能体的角速度跟随误差e₀＝0，定义各智能体的状态误差变量：

式中，a_ij为邻接矩阵A中的第ij个元素，i＝1,2,3,4，j＝1,2,3,4，n＝4。

选取滑模面函数：

s_i＝c_2iζ_i ^q/p+c_1i∫ζ_idt (20)

假定各智能体的干扰有界，且满足根据李雅普诺夫稳定性理论，基于滑模理论的电机智能体的间接张力控制策略为：

i_qi＝i_q-eqi+i_q-ni (21)

式中，分别为第i、j个智能体角速度跟随尺度及变化率α_j、α_i、的估计值。

设计卷径及卷径变化率的自适应估计率如下：

则各智能体的角速度跟随尺度及变化率的自适应估计率为：

式中，i＝2、4，k_i、c_1i、c_2i、η_1i、η_2i、η_1j、η_2j为设计参数，满足k_i＞0、c_1i＞0，c_2i＞0，η_1i＞0，η_2i＞0，η_1j＞0，η_2j＞0。

可见，各电机智能体采用控制策略(21)，卷径及卷径变化率的自适应估计率(22)，各智能体的角速度跟随尺度及变化率的自适应估计率(23)，可保证卷绕过程中的误差变量(18)、(19)一致为零，实现各卷袋电机的角速度快速跟踪上其各自理想的角速度，进而实现卷绕过程中的张力恒定。

Claims (2)

1.基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、根据汽车安全气囊生产线的工作机理，建立四个电机智能体协同工作的数学模型；然后根据汽车安全气囊生产线多电机耦合系统保证张力恒定的目标，确立不同电机智能体理想角速度之间的函数关系，取消张力传感器；

步骤二、利用数据采集及调理模块获得汽车安全气囊生产线多电机耦合系统的实时角速度信息w₁、w₂、w₃、w₄，与理想角速度做差值运算，求得其中e₁、w₁、w₂作为控制器1的输入，e₂、w₁、w₂作为控制器2的输入，e₃、w₁、w₃、w₄作为控制器3的输入，e₄、w₃、w₄作为控制器4的输入；控制器1、控制器2、控制器3、控制器4构成了汽车安全气囊生产线多电机耦合系统基于多智能体的间接张力控制；

步骤三、各控制器根据输入的状态变量，设计基于终端滑模的尺度同步多智能协调控制策略，求得各电机理想的q轴电流i_q1 ^*、i_q2 ^*、i_q3 ^*、i_q4 ^*，其中卷径采用自适应方法进行估计；并将i_q1 ^*、i_q2 ^*、i_q3 ^*、i_q4 ^*作为四个电机的控制输入,且设四个电机理想的d轴电流i_d1 ^*＝i_d2 ^*＝i_d3 ^*＝i_d4 ^*＝0；

步骤四、四个电机智能体均采用矢量控制方法，首先采用电流传感器检测到电机三相定子交流电流i_ai，i_bi，i_ci，通过三相到两相的CLARK变换，将三相坐标系上的定子交流电流i_ai，i_bi，i_ci等效成两相静止坐标系上的交流电流i_αi，i_βi，再通过同步旋转坐标PARK变换，等效成同步旋转坐标系上的直流电流i_di和i_qi；根据步骤三求得i_qi ^*，设定i_di ^*＝0，利用交轴电流控制器和直轴电流控制器求得同步旋转坐标系上的直流电压u_di和u_qi，再经过坐标的PARK逆变换求得交流电流u_αi，u_βi，最后利用SVPWM模块变换成驱动逆变器功率开关器件的触发信号，从而调节加在各电机三相定子的交流电流i_ai，i_bi，i_ci，进而改变各电机的旋转角速度w_i；

步骤五、四个电机智能体构成汽车安全气囊生产线多电机耦合系统，卷袋电机1和电机2协同工作带动左侧卷尺旋转，卷袋电机3和电机4协同工作带动右侧卷尺旋转；具体工作过程是：左侧的卷袋电机1带动卷尺旋转将布袋卷绕在卷尺上，同时电机2通过同步传动机构带动卷袋电机1与卷尺直线移动，且移动的距离应与布袋被卷起的长度相同；右侧的卷袋电机3带动卷尺旋转将布袋卷绕在卷尺上，同时电机4通过同步传动机构带动卷袋电机3与卷尺直线移动，且移动的距离应与布袋被卷起的长度相同，且在卷绕过程中保证各电机能够快速跟踪上其各自理想的角速度。

2.如权利要求1所述的基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法，其特征在于，步骤三所述的各控制器根据输入的状态变量，设计基于终端滑模的尺度同步多智能协调控制策略，求得理想的q轴电流i_q1 ^*、i_q2 ^*、i_q3 ^*、i_q4 ^*，其中卷径采用自适应方法进行估计的过程如下：

汽车安全气囊生产线多电机耦合系统四个电机均为相同的永磁同步电机，采用i_d＝0的矢量控制方式，则四个电机的动力学模型为：

令

则将四个电机的动力学模型(9)重写为如下形式：

式中，i＝1,2,3,4；

将给定的电机角速度ω₀信号作为虚拟电机，构成一个领导智能体，领导智能体的角速度只对其邻居智能体可知，由多智能体的定义性质可得，相应的邻接矩阵A为：

智能体i(i＝1,2,3,4)与领导智能体之间的连接权值用τ_i来表示，如果智能体i和领导智能体连通，则τ_i＝1(i＝1,2,3,4)，否则τ_i＝0；

令，

则有，w₂ ^*＝w₁ ^*α₂＝ω₀α₂，w₄ ^*＝w₃ ^*α₄＝ω₀α₄；

采用尺度同步方法，定义各智能体的角速度跟随误差变量为：

e_i(t)＝ω_i(t)-α_iω₀，i＝1,2,3,4 (18)

式中，α_i为第i个智能体与领导智能体的角速度跟随尺度；

设领导智能体的角速度跟随误差e₀＝0，定义各智能体的状态误差变量：

式中，a_ij为邻接矩阵A中的第ij个元素，i＝1,2,3,4，j＝1,2,3,4，n＝4；

选取滑模面函数：

s_i＝c_2iζ_i ^q/p+c_1i∫ζ_idt (20)

假定各智能体的干扰有界，且满足L_i＞0；根据李雅普诺夫稳定性理论，基于滑模理论的电机智能体的间接张力控制策略为：

i_qi＝i_q-eqi+i_q-ni (21)

式中，分别为第i、j个智能体角速度跟随尺度及变化率α_j、α_i、的估计值；

设计卷径及卷径变化率的自适应估计率如下：

则各智能体的角速度跟随尺度及变化率的自适应估计率为：

式中，i＝2、4，k_i、c_1i、c_2i、η_1i、η_2i、η_1j、η_2j为设计参数，满足k_i＞0、c_1i＞0，c_2i＞0，η_1i＞0，η_2i＞0，η_1j＞0，η_2j＞0。