CN113612414B - 一种水下航行器多电机协调控制方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下航行器多电机协调控制方法，步骤如下：步骤1：速度反馈补偿控制器、电流反馈补偿控制器；步骤2：获取所有永磁同步电机的转速；步骤3：混合反馈补偿控制器中的速度反馈补偿控制器根据输入的转速信号输出同步转速信号；混合反馈补偿控制中的电流反馈补偿控制器根据输入的转速信号输出补偿电流信号；步骤4：对所有永磁同步电机进行转速调控，当所有永磁同步电机的转速与同步转速信号中的转速不相同时，返回步骤2；当所有永磁同步电机的转速与同步转速信号中的转速相同时，完成调控。本发明能够提高系统灵活性、鲁棒性，能够更好地对系统的动态性能进行调节，使系统迅速达到稳定。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器控制技术领域，具体涉及一种水下航行器多电机协调控制方法及控制系统。
背景技术
小型水下航行器多工作于浅水区域或水下空间狭窄复杂多变的水域，受水流和浪涌干扰影响较大。浅水区和地形复杂水域水况复杂多变，小型水下航行器在该环境下的稳定运行是当前水下航行器研究的热点和难点。高稳定、高抗扰的水下协调控制是小型水下航行器执行各种任务的基础，而高稳定、高抗扰的控制需要小型水下航行器能够在强扰动下实现电机的快速响应、精准同步，实现小型水下航行器的多电机协调驱动螺旋桨运动控制就成为至关重要且亟待解决的关键问题。
对于水下复杂的非线性环境而言，面对有众多扰动因素的非线性系统，当我们继续使用单电机对水下航行器进行控制时，会显得力不从心，在控制精度和控制效果上也得不到保证以及我们想要达到的程度，因此，实现多电机的水下协调控制是具有很大意义的一项研究。对于水下航行器来说，更小的体积可以完成更多大型水下机器人难以完成的任务。因此，在体积可控制性能上具备优势的永磁同步电机将作为我们的首选应用到多电机控制当中。永磁同步电机因其结构原理简单，易于维护以及制造成本低等优点，并且随着现代电机控制技术，包括矢量控制以及直接转矩控制技术的日趋成熟，目前的交流调速系统可以与直流调速系统相媲美。但是对于系统中有两台及以上的电机同时驱动的控制系统，尤其当系统中的电机在结合了具体的负载后，一般控制目标会相应改变，并且本质上形成一个有着强耦合，高阶时变的多输入多输出非线性复杂系统，因此对于多电机同步控制系统而言，对其有着同步控制结构策略以及同步控制算法上的研究，对多电机同步协调控制系统也已成为一个研究热点。
在多轴的同步控制系统中，由虚拟主轴控制的结构固有特性，虚拟主轴控制系统在稳定状态的同步性能不好，当一电机轴被扰动量干扰时，轴与轴之间会出现明显的同步误差，轴与轴之间缺乏耦合关系，互相没有信息反馈，所以在系统的起停阶段以及或从轴被不平衡的负载扰动量干扰时，主参考值和每个轴之间会保持一个恒定的静差且难以被消除，各从轴之间会出现不同步的现象，它们之间同步关系会打乱，甚至使系统完全失步。
发明内容
本发明提供了一种水下航行器多电机协调控制方法及控制系统，以解决现有技术中虚拟主轴控制当中负载转矩增大，电机转速骤降的问题，以及无法对轴转速进行比例控制的技术问题。
本发明提供了一种水下航行器多电机协调控制方法，包括：当某一永磁同步电机转轴出现突变时，对数台永磁同步电机进行调控，具体步骤如下：
步骤1：构建混合反馈补偿控制器，其中包括：速度反馈补偿控制器、电流反馈补偿控制器；
步骤2：获取所有永磁同步电机的转速，将转速作为混合反馈补偿控制器的输入信号；
步骤3：混合反馈补偿控制器中的速度反馈补偿控制器根据输入的转速信号输出同步转速信号；混合反馈补偿控制中的电流反馈补偿控制器根据输入的转速信号输出补偿电流信号；
步骤4：根据同步转速信号、补偿电流信号、额定控制电流对所有永磁同步电机进行转速调控，
当所有永磁同步电机的转速与同步转速信号中的转速不相同时，返回步骤2；
当所有永磁同步电机的转速与同步转速信号中的转速相同时，完成调控。
进一步地，所述步骤1中速度反馈补偿控制器为：将模糊算法和PID算法结合搭建的模糊PI控制器。
进一步地，所述步骤1中电流反馈补偿控制器为：一个耦合系数K。
进一步地，所述耦合系数K满足：
其中，p为极对数；ψf为交链磁链；B为摩擦系数；a、b为常数。
进一步地，所述步骤3中速度反馈补偿控制器根据输入的转速信号输出同步转速信号的具体方法为：将转速信号作为模糊PI控制器的输入，经模糊PI控制器调节后，输出同步转速信号，其中，模糊PI控制器的输入偏差e和偏差变化率ec分别为：
其中，ni是第i电机输出转速，nl是除去ni外的第l个电机的输出转速，e(t)是在t时刻速度的偏差,e(t-1)是t-1时刻的偏差；
进一步地，所述步骤3中电流反馈补偿控制器根据输入的转速信号输出补偿电流信号的具体方法为：将耦合系数K与转速信号对应的转速电流的乘积作为补偿电流信号。
本发明还提供了一种水下航行器多电机协调控制系统，可以运行上述水下航行器多电机协调控制方法，包括：虚拟主轴控制模块、混合反馈补偿器模块，变频器模块、转速环控制器模块、电流环控制器模块、永磁同步电机；
所述虚拟主轴控制模块的输出端连接比例控制模块；所述比例控制器模块输出端连接转速环控制器模块；所述转速环控制器模块输出端和永磁同步电机输出端连接电流环控制器模块；所述电流环控制器模块输出端连接变频器模块；所述变频器模块输出端连接永磁同步电机模块；所述永磁同步电机输出端连接混合反馈补偿器模块；所述混合反馈补偿控制器模块输出端连接转速环控制器模块和电流环控制器模块；
所述虚拟主轴控制模块，用于接收所述永磁同步电机的输出转矩信号，并通过计算，将转速调节反馈信号到输出到所述比例控制模块；
所述混合反馈补偿器模块，用于接收所述永磁同步电机的输出转速信号，对从轴转速突变进行调节，通过计算补偿转速信号和电流信号；
所述变频器模块，基于所述电流环控制器模块产生的信号控制所述永磁同步电机模块；
所述转速环控制器模块，基于所述比例控制器模块、永磁同步电机和混合反馈补偿器模块产生的转速信号控制所述电流环控制器模块；
所述电流环控制器模块，基于所述转速环控制器模块、永磁同步电机模块和混合反馈补偿器模块产生的电流信号控制所述变频器模块；
所述永磁同步电机，基于所述变频器模块产生的信号输出转速信号和转矩模块控制所述转速环控制器模块、所述电流环控制器模块、所述混合反馈补偿器模块和所述虚拟主轴电机模块；
进一步地，所述一种水下航行器多电机协调控制系统还包括：比例控制模块，比例控制模块的输入端连接虚拟主轴控制模块的输出端，比例控制模块的输出端连接转速环控制器模块输入端，所述比例控制模块，基于所述虚拟主轴电机模块的转速调节反馈信号控制所述转速环控制器模块。
进一步地，转速环控制器模块为：模糊分数阶PIλ控制器；所述模糊分数阶PIλ控制器通过模糊控制方法、分数阶方法以及PID控制方法组成，用于对同步转速信号进行调控，输出电流信号给电流环控制器模块。
本发明的有益效果：
1、本发明在从轴上单电机矢量模型下的速度环提出的模糊分数阶PIλ控制器增加了一个可变可调参数λ，并且控制器的阶次可以任意选择，能够提高系统灵活性、鲁棒性，在总体控制性能等方面会起到很大的积极作用，能够更好地对系统的动态性能进行调节，使系统达到更好控制效果。
2、针对虚拟主轴传统结构在耦合性上不足导致的同步误差问题，本发明设计的反馈补偿控制器能很好的协调各从轴间的状态，极大地消除了同步误差对多电机运行系统的影响，当加上同步速度调节器后，系统稳定，动态响应快，同步精度比较高。
3、针对基于虚拟主轴控制的同步控制算法无法满足目标系统中比例同步控制要求的问题，本实施例设计了一种基于虚拟主轴结构的多电机比例同步控制方法，这个方案收敛速度快，稳定性高，鲁棒性强，能很好地实现多电机的比例同步控制。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是本发明具体实施例中转速、电流反馈补偿器结构图；
图2是本发明具体实施例中模糊PI控制器结构图；
图3是本发明具体实施例中电机1速度补偿器结构图；
图4是本发明具体实施例中电机1的电流反馈补偿器结构图；
图5是本发明具体实施例中带混合反馈补偿的虚拟主轴三轴同步控制结构图；
图6是本发明具体实施例中基于模糊分数阶PIλ速度控制器的PMSM控制系统整体结构图；
图7是本发明具体实施例中模糊分数阶PIλ控制框图；
图8是本发明具体实施例中模糊控制器的设计流程图；
图9是本发明具体实施例中基于虚拟主轴三电机比例同步控制系统结构图；
图10是本发明具体实施例中系统运行流程图。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域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。
本发明具体实施例提供了一种水下航行器多电机协调控制方法，包括如下步骤：
当某一永磁同步电机转轴出现突变时，对数台永磁同步电机进行调控，具体步骤如下：
步骤1：构建混合反馈补偿控制器，其中包括：速度反馈补偿控制器、电流反馈补偿控制器。速度反馈补偿、电流反馈补偿是两种针对转速不同步的反馈补偿方式，一个是对转速环进行直接反馈控制，一个是在转速差值(同步误差)经过耦合同系数K的增益之后作为补偿量反馈到电流环，结合电流环反应的快速性，在负载扰动之后，两种反馈补偿信号相辅相成，抑制系统中转速不同步的现象，从而提高了多电机的动态性和同步性。以某一电机轴为例，搭建基于转速和电流反馈补偿的混合反馈控制器如图1。
在图1中，n1、n2、n3为速度反馈补偿控制器和电流反馈补偿的输入速度信号，Δn为输出端子，iqr1是电流反馈补偿器输出的补偿电流信号，K是耦合系数。
步骤2：获取所有永磁同步电机的转速n1、n2、n3，将转速作为混合反馈补偿控制器的输入信号；
步骤3：首先设计混合反馈补偿控制器中的速度反馈补偿控制器，选用传统PID控制与模糊控制对速度反馈补偿进行设计。在设计反馈补偿时，主要考虑突变负载和突变转速对系统的影响，控制这些变化需要用到PID控制的比例控制环节和积分控制环节的共同作用。因为系统运行的信号超调不会太明显，所以不考虑微分部分的作用，采用PI调节器，这样PI参数在整定时会更方便，并且不会降低反馈补偿的控制性能。
根据模糊算法的特点，输入给定转速信号与反馈信号的偏差e以及偏差的变化率ec，再在模糊控制器的作用下输出PI控制的ΔKP，ΔKI两个参数，ΔKP和ΔKI可以根据e和ec的值进行实时修改。设计的模糊PI自适应控制器的结构如图2。
图2中，偏差e和偏差变化率ec分别为：
式(1)中，ni是第i电机输出转速，nl是除去ni外的第l个电机的输出转速，e(t)是在t时刻速度的偏差,e(t-1)是t-1时刻的偏差。
针对要实现的转速反馈补偿器，将{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}设定为控制器的模糊子集，且适用于控制的输入量和输出量。根据控制要求，设定转速误差e和误差率ec的论域范围为[-3,3]，输出ΔKP的论域为[-1,1]，Ki的论域为[-1.5,1.5]。设置模糊论域为[-0.5,0.5]。将模糊论域依据控制需求离散化为{-0.5,-0.25,-0.125，0，0.125，0.25，0.5}。
根据的比例因子和量化因子的求解公式K1＝n1/x1、K2＝x2/n2，确定输入变量偏差e和变化率ec的量化因子K1＝1/6，输入变量ΔKP的比例因子Kp2＝2，ΔKI的比例因子KI2＝3。为减少计算的复杂度，选取三角函数作为本实施例的隶属度函数。
依据误差e和误差变化率ec的各种情况，并结合PI控制当中系数的不同取值在线调整比例系数Kp、积分系数Ki和积分阶次λ。在控制系统中调节模糊PI控制器时，应该针对Kp和Ki之间的关系以及对系统的影响充分考虑。由此得到ΔKp和ΔKi的模糊规则控制表如表1：
表1
这里采用重心法去模糊化的方法得到模糊控制器的自适应在校正之后的输出量ΔKp和ΔKi。这样结合上述模糊控制，根据传统PID控制系统规律可以得到模糊PID控制公式为：
y*＝K'Pe(t)+K'Ie(t) (2)
式中，K′P＝KP+ΔKP，K′I＝KI+ΔKI，分别为模糊PI调节后的参数值。
根据速度反馈补偿器的基本思路，以三电机控制结构为依据，设计出具体的速度反馈补偿的结构如图3，以某一电机为例。
在图3中，n1、n2、n3为速度补偿器的输入端子，Δn为输出端子。速度调节器的控制原理：n1为从轴1的实际输出速度，n2、n3为从轴2、从轴3的实际输出速度。n1与n2的同步误差e1及n1与n3的同步误差e2分别通过补偿器的模糊PI调节后，得到输出控制量ns1、ns2，取ns1与ns2的和作为总的输出控制量Δn，即使得从轴1与从轴2、从轴3保持同步的速度补偿输入量。其他两个从轴的速度补偿器类似。
然后设计混合反馈补偿控制器中的电流反馈补偿控制器，下面对电流反馈补偿器进行设计和分析。
电机在运行时，在受到相对稳定扰动时，突载扰动量会造成从轴间转速不同步，影响系统的同步效果，以其中一台电机为例，设计电流反馈补偿器的结构图如图4。图中ΔTr1是作用在电机上的负载扰动量。以三电机控制为例，在电流反馈补偿器中，当前电机与另外两台电机的输出转速不同(转速不同步)时，把当前电机的输出转速与另外两台电机输出转速值的算术平均值比较作差，得到一个反馈的转速差值信号，该差值信号再经过一耦合系数K的增益作用后得到电流反馈信号，从而反馈到当前电机轴的电流环进行反馈控制。这样，每轴都能获取其他轴电机的动态信息，增强了电机轴之间的耦合，从而在多电机运行中获得更好的的同步效果。因为在电机系统当中，电机内部的电磁时间常数相比于转速的的机械时间常数更小，所以在轴电机中电流环对动态的响应要远远好于电机中的转速环，所以对于负载扰动后，将经过反馈增益的不同步的转差信号反馈到电机的电流环进行调节相比反馈到转速环效果更佳，能更好的提高系统的动态性和同步性。
(1)当三电机正常运行，无扰动时，ΔTr1＝ΔTr2＝0，n1＝n2＝n3＝nr，iqf1＝iqf2＝iqf3＝0，三电机转速差为0，此时电流反馈补偿器不工作。
(2)以其中一台电机为例，系统稳定运行时，转速信号保持n1＝n2＝n3＝nr。当t＝t0，负载扰动ΔTr1开始干扰电机，则在t0时刻有Te1-(Tr1+ΔTr1)＜Te2-Tr2，从而导致n1＜n2。在t＝t1(t1＞t0)时，三电机之间的同步误差Δn(Δn＝|n1-np|)达到最大，此时设置耦合系数K，使Δn经过该系数增益效果后生成对应的电流补偿信号iqf1，反馈到电机的电流环当中，最后在电机中电流环的作用下，使得电机轴的输出速度信号n1不断趋近给定值，与此同时，另外两台电机也以相对应的调节机制，与信号n1同步趋近给定值，这样就能在调节过程中使得三台电机转速差逐渐减少，从而实现多电机在扰动下的恢复同步性能。
耦合系数K在一定程度上决定了电流反馈补偿的控制效果。K值太小会影响同步控制效果，值太大会使得补偿器调节过快，使转速产生振荡，所以本实施例通过推导，确定了能使系统保持较好同步性能的K值的理论范围。
在图4中，假设np＝an1，Tr1+ΔTr1＝bTe1，则当该电机受到负载扰动，可得出输入iqr1(s)至输出n1(s)的传递函数为
式中，p为极对数；ψf为交链磁链；J为转动惯量；B为摩擦系数。
如果需要该控制环节保持相对稳定，那么对应的传递函数的特征根都要落于s平面的左半平面内，所以可以得到
式中，K为耦合系数；p为极对数；ψf为交链磁链；B为摩擦系数。
由式(4)可知，电机内部参数、电机受到的负载扰动的大小等都会对K值产生影响，基于工程实践应用的考虑，以实际电机样机为基础可以得知随着K的增大，系统的同步性能会慢慢变好。尤其是在K＞25时，电机系统的同步误差有明显减少，但随着K越来越大时，虽然也能继续减小转差，但转差经过更大的K后会产生大波动的电流反馈补偿值，从而导致多台电机的转速不断振荡，无法稳定在给定值。
步骤4：根据步骤1-3中设计的两种针对转速不同步的反馈补偿方式，一个是对转速环进行直接反馈控制，一个是在转速差值(同步误差)经过耦合同系数K的增益之后作为补偿量反馈到电流环，结合电流环反应的快速性，在负载扰动之后，两种反馈补偿信号相辅相成，抑制系统中转速不同步的现象，从而提高了多电机的动态性和同步性。将转速、电流混合反馈补偿器置于三电机的虚拟主轴控制系统当中，搭建带混合反馈补偿的虚拟主轴三轴同步控制结构图如图5示。
图5中，在虚拟主轴控制结构上，各从轴之间建立转速、电流的混合补偿反馈网络。仿真模型主要由模糊分数阶PIλ控制的速度环调节模块、电流环模块、永磁同步电机矢量控制模块以及速度补偿模块等部分组成。
当所有永磁同步电机的转速与同步转速信号中的转速不相同时，返回步骤2；
当所有永磁同步电机的转速与同步转速信号中的转速相同时，完成调控。
同步转速信号输入到转速环控制器模块，转速环控制器模块为：模糊分数阶PIλ控制器；所述模糊分数阶PIλ控制器通过模糊控制方法、分数阶方法以及PID控制方法组成，用于对同步转速信号进行调控，输出什电流信号给电流环控制器模块。
如图6,要建立的模糊分数阶PIλ控制的单电机矢量控制系统由改进的速度环PI控制器加入单电机矢量控制模型构成，改进的速度环PI控制器为模糊控制理论与分数阶PI控制器的结合，改进的速度环PI控制器相比传统矢量控制模型中的整数阶PI控制器，分数阶控制器引入了一个的参数λ，使系统具有更强的控制灵活性和更强的鲁棒性，同时也使系统的复杂程度增加，参数整定的难度增大。单电机矢量模型除速度环由模糊分数阶PIλ控制器替换传统整数阶PI控制器外，电流环保持不变。改进的速度环PI控制器即模糊分数阶PIλ控制器由模糊控制器和分数阶PIλDμ控制器组成，模糊分数阶PIλ控制框图如图7。
这里引用的分数阶微积分应用于工业控制中的时间并不长，并且分数阶微积分的微积分算子是分数阶的，或者说是任意阶次的[67]。表达式如下：
式中，表示分数阶微积分函数，a和t分别表示微积分求解时变量上下限，α为阶次。并且α的阶次是分数，R(α)表示α为实数，
随着分数阶理论研究的深入，分数阶表达的方式也很多，主要有Grunwald-Letnikov(GL)定义、Riemann-Liouville(RL)定义以及Caputo定义,对本课题，因为Caputo求解的结果是有界的，因此使用Caputo求解方式。
Caputo分数阶微积分定义为：
式中：α＝m+γ，m取整数，0＜γ≤1。
Caputo分数阶积分定义为：
Caputo分数阶微积分统一定义为：
式中：m-1＜α≤m，m∈N。
分数阶微分方程求解方法如下：
式(9)初始化条件为：
对式(10)进行Laplace变换得：
对式(11)进行Laplace逆变换得分数阶微分方程的解为：
式中，1/Γ(-m)＝0，m≥0，且m∈N。
分数阶PIλDμ的传递函数表达式为：
式中λ＞0，μ＜2，Kp是比例系数，Ki是积分系数，Kd是微分系数，λ和μ分别为积分项和微分项的分数阶因子。
一般λ对控制系统的作用是随着λ的增大，系统反应速度先快后慢，并且λ越小，超调量越小。随着μ的增加，反应速度也是先加快后减慢的，并且μ越小，超调量越小。
根据PID理论，KD设为零，免去积分环节的影响，这样由于增加了积分阶次λ，控制器转矩输出调节范围更大，鲁棒性更好，超调量也会大大减小。但是分数阶PIλ只能对积分项中的变量阶次进行改变，不能对PI中比例、积分系数进行改变，也是有局限性。如果在分数阶PID理论的基础上加入模糊控制理论，就可以对PID中系数和变量同时控制，使系统更加灵活。
根据PID调整的经验可以设置模糊控制规则，建立模糊自适应分数阶PIλ系统。
改进的速度环模糊分数阶PIλ控制器中，模糊控制器需要按系统偏差及偏差变化率来实现对系统优化过程的控制。模糊控制器的设计步骤包括输入输出变量的模糊化、模糊推理、解模糊推理等部分。模糊控制器的设计过程如图8。
首先确定输入输出物理量，如图7，输出转速反馈到输入端作差，得到转速偏差e(t)，对转速偏差e(t)求导可得转速偏差变化率ec＝de(t)/dt，根据计算的转速偏差e与转速偏差变化率ec，构建PIλ控制器参数Δkp、Δk、Δλ与e和ec的二元函数关系：
Δkp＝fp(e,ec)
Δki＝fi(e,ec)
Δλ＝fλ(e,ec) (14)
根据模糊控制器的理论以及本实施例涉及的实际工况，设计出模糊分数阶PIλ控制器，设计步骤如下：
(1)确定模糊集合和论域
本实施例将{NB,NM，NS，ZO，PS,PM,PB}设定为控制器的模糊子集，且适用于控制的输入量和输出量。根据电机转速，选取速度误差e和ec的范围为[-3,3]。根据第二章的模型参数将输出ΔKp的论域设为[-1,1]，ΔKi的论域为[-1.5,1.5]，Δλ的论域设为[0,1]。设定它们的模糊论域为[-0.5,0.5]。将模糊论域依据控制需求离散化为{-0.5,-0.25,-0.125,0,0.125,0.25,0.5}。
(2)变量模糊化并选取隶属度函数
对控制器的输入量，即偏差值和偏差变化率进行模糊化操作，并且要保证控制器的模糊变量在模糊论域范围内。对应的量化因子求解公式为：
K1＝n1/x1 (15)
比例因子求解公式为
K2＝x2/n2 (16)
式(15)、式(16)中，K1为量化因子，K2为比例因子，x1为输入量的论域，n1为输入量的模糊论域，x2为输出量的论域，n2为输出量的模糊论域。
由以上表达式可以求得如下表的量。
表2
为了降低计算复杂度，输入变量e和ec的隶属度函数选择高斯函数，输出变量ΔKp、ΔKi、Δλ的隶属度函数选择三角函数。
(3)模糊规则
依据误差e和误差变化率ec的各种情况，并结合PI控制当中系数的不同取值在线调整比例系数Kp、积分系数Ki和积分阶次λ。PIλ控制器的两个参数在系统中有如下作用：
1.随着比例环节增益Kp的提高，整个系统的响应速度也随之变快，同时减小系统的静态误差，但是当Kp过大时，系统会出现明显超调，从而对系统的稳定性产生影响。
2.积分项Ki可以对系统的稳态误差进行有效抑制，但也会对系统的稳定性造成影响，比如系统超调的问题。
3.一般λ对控制系统的作用是随着λ的增大，系统反应速度先快后慢，并且λ越小，超调量越小。
综合三条作用，在控制系统中调节模糊PI控制器时，应该针对Kp和Ki之间的关系以及对系统的影响充分考虑。由此得到ΔKp、ΔKi和λ的模糊规则控制表如表3、表4和表5。
表3
表4
表5
(4)去模糊化
这里采用重心法去模糊化的方法得到模糊控制器的自适应在校正之后的输出量ΔKp和ΔKi，根据ΔKp和ΔKi对参数实现在线调整，有以下公式：
Kp＝Kp0+ΔKp (17)
Ki＝Ki0+ΔKi (18)
λ＝λ0+Δλ (19)
式(17)～(19)中，Kp0、Ki0、λ0为Kp、Ki、λ的初始值，经过调整值ΔKp、ΔKi和Δλ，获得最终的比例系数Kp、积分系数Ki和积分阶次λ。
为了获得较为准确合理的模糊输出，结合具体工况，本实施例的去模糊化过程将采用加权平均法。
由于在设计水下航行器时，各个螺旋桨将会被赋予不同的控制要求，对于速度的同步要求也是不同的，所以在某些工况下会将系统设计成按一定比例运行。针对现有基于虚轴原理的同步控制算法难以满足某些目标成型系统中比例同步控制要求的问题，设计一种基于虚拟主轴结构的多电机比例同步控制方法。
前文讲述了转速环控制器模块采用模糊分数阶PIλ进行控制，将模糊分数阶PIλ模块封装到一个模块嵌入单电机描述的从轴模型及虚拟主轴系统当中，则模糊分数阶PIλ控制器结合的改进虚拟主轴同步控制系统结构图如图9控制系统结构图。
在传统的机械式同步方案中，各运动轴通过传动机构与主轴相连，主轴将驱动力矩传递到每个运动轴，并起到同步协调者的作用。当某个运动轴受扰动而改变转速时，该变化会通过力矩反馈影响主轴的输出，从而使其他轴的速度以同样的趋势变化，达到了减小同步误差的效果。虚拟主轴控制系统即建立一个与机械主轴相仿的电子虚轴，其传动特性与机械主轴类似，原理是利用电机驱动轴带动虚拟主轴仿真机械主轴特性，从轴上的负载力经过反馈传至虚拟主轴，经过主轴分析计算，协调主轴与从轴间力矩平衡。虚拟主轴具备传统机械主轴特点，即从轴的速度波动能够迅速使得虚拟主轴改变转速，各轴间实现较为正常的速度补偿。
本实施例中虚拟主轴中主轴连接各从轴即电机伺服系统运动，通过虚拟主轴进行反馈控制，输出转矩到各从轴电机，虚拟主轴输出力矩与主轴输出转角的关系为：
式中：T为主轴的输入驱动力矩，Ti为各从轴的驱动力矩也即反馈至虚拟主轴的反馈力矩，Jm、ωm是虚拟主轴的转动惯量和输出角速度。
根据胡克定律可知，对于包括n个运动轴的同步系统，定义虚拟主轴提供的驱动转矩为：
T＝km(ωr-ωm) (21)
式中，km为虚拟主轴输入端的弹性系数；ωr为理论设定转速，ωm为实际转速。
若考虑主轴衰减系数bm，则虚拟主轴计算公式可写成：
T1＝bm(ωr-ωm)+km∫(ωr-ωm)dt (22)
弹性、阻尼等参数大小对从轴的反馈力矩有关，各从轴反馈力矩的公式为：
Ti＝kr(θi-θm)+kir∫(θi-θm)dt+br(ωi-ωm) (23)
式中，ωi和ωm为各从轴转速和实际转速；θi为各从轴转动角位移；θm为实际转动角位移；kr和kir分别是刚度增益及积分刚度增益；br是阻尼增益。
如图9，虚拟主轴控制模块可以描述为，所述永磁同步电机输出转矩信号至加法器计算模块，加法器计算模块输出转矩信号和，该转矩信号和经过比例模块和微分模块的计算后输出转速信号至所述比例控制模块。与此同时，该转速信号反馈输入至PI控制模块，经过PI控制模块的调节，输出转矩信号与上述转矩信号和作差输出至比例模块。
所述比例控制模块当中，假定同步系统中n个运动轴之间的转速关系为：ω1:ω2:…:ωk:…:ωn＝μ1:μ2:…:μk:…:μn。定义控制性能最差的第k个运动轴(比例系数最大，μk＝max(μ1,μ2,…μn))的转速与虚拟主轴输出转速相等，则运动轴之间的转速关系转化为：
因此，改进后的虚拟总轴结构的运动轴的反馈力矩关系应满足：
/>
图中如公式20-23，虚拟控制主轴接收每轴电机的输出转矩，经过运算以及PI控制器的调节获得反馈转速传递到比例控制模块，系统运行流程如图10。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (4)
1.一种水下航行器多电机协调控制方法，其特征在于，包括：当某一永磁同步电机转轴出现突变时，对数台永磁同步电机进行调控，具体步骤如下：
步骤1：构建混合反馈补偿控制器，其中包括：速度反馈补偿控制器、电流反馈补偿控制器；
其中，速度反馈补偿控制器为：将模糊算法和PID算法结合搭建的模糊PI控制器；
电流反馈补偿控制器为：一个耦合系数K，耦合系数K满足：
其中，p为极对数；ψf为交链磁链；B为摩擦系数；a、b为常数；
步骤2：获取所有永磁同步电机的转速，将转速作为混合反馈补偿控制器的输入信号；
步骤3：混合反馈补偿控制器中的速度反馈补偿控制器根据输入的转速信号经模糊PI控制器输出同步转速信号，具体为：分别获取当前需要转速同步的从轴与其他两个从轴的转速的同步误差值，将两个同步误差值分别通过模糊PI控制器调节后得到两个输出控制量，将两个输出控制量的和作为当前需要转速同步的从轴的同步转速信号，其中，模糊PI控制器的输入偏差e和偏差变化率ec分别为：
其中，ni是第i电机输出转速，nl是除去ni外的第l个电机的输出转速，e(t)是在t时刻速度的偏差,e(t-1)是t-1时刻的偏差；
混合反馈补偿控制中的电流反馈补偿控制器根据输入的转速信号输出补偿电流信号，具体为：
将耦合系数K与转速信号对应的转速电流的乘积作为补偿电流信号，其中，转速信号为：当前电机的输出转速与另外两台电机输出转速值的算术平均值比较作差，所得到一个反馈的转速差值信号；
步骤4：根据同步转速信号、补偿电流信号、额定控制电流对所有永磁同步电机进行转速调控，
当所有永磁同步电机的转速与同步转速信号中的转速不相同时，返回步骤2；
当所有永磁同步电机的转速与同步转速信号中的转速相同时，完成调控。
2.一种水下航行器多电机协调控制系统，可以运行如权利要求1所述的水下航行器多电机协调控制方法，所述水下航行器多电机协调控制系统，其特征在于，包括：虚拟主轴控制模块、混合反馈补偿器模块，变频器模块、转速环控制器模块、电流环控制器模块、永磁同步电机；
所述虚拟主轴控制模块的输出端连接比例控制模块；所述比例控制模块输出端连接转速环控制器模块；所述转速环控制器模块输出端和永磁同步电机输出端连接电流环控制器模块；所述电流环控制器模块输出端连接变频器模块；所述变频器模块输出端连接永磁同步电机模块；所述永磁同步电机输出端连接混合反馈补偿器模块；所述混合反馈补偿器模块输出端连接转速环控制器模块和电流环控制器模块；
所述虚拟主轴控制模块，用于接收所述永磁同步电机的输出转矩信号，并通过计算，将转速调节反馈信号到输出到所述比例控制模块；
所述混合反馈补偿器模块，用于接收所述永磁同步电机的输出转速信号，对从轴转速突变进行调节，通过计算补偿转速信号和电流信号；
所述变频器模块，基于所述电流环控制器模块产生的信号控制所述永磁同步电机模块；
所述转速环控制器模块，基于所述比例控制模块、永磁同步电机和混合反馈补偿器模块产生的转速信号控制所述电流环控制器模块；
所述电流环控制器模块，基于所述转速环控制器模块、永磁同步电机模块和混合反馈补偿器模块产生的电流信号控制所述变频器模块；
所述永磁同步电机，基于所述变频器模块产生的信号输出转速信号和转矩模块控制所述转速环控制器模块、所述电流环控制器模块、所述混合反馈补偿器模块和所述虚拟主轴电机模块。
3.如权利要求2所述的水下航行器多电机协调控制系统，其特征在于，所述一种水下航行器多电机协调控制系统还包括：比例控制模块，比例控制模块的输入端连接虚拟主轴控制模块的输出端，比例控制模块的输出端连接转速环控制器模块输入端，所述比例控制模块，基于所述虚拟主轴电机模块的转速调节反馈信号控制所述转速环控制器模块。
4.如权利要求2所述的水下航行器多电机协调控制系统，其特征在于，转速环控制器模块为：模糊分数阶PIλ控制器；所述模糊分数阶PIλ控制器通过模糊控制方法、分数阶方法以及PID控制方法组成，用于对同步转速信号进行调控，输出电流信号给电流环控制器模块。
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