基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统技术方案

本发明专利技术属于多电机协同控制技术领域，特别涉及一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统，用于协调多台电机同步运动，系统包含：信号输入模块，用于设置各被控电机转速；多电机协同模块，用于将各被控电机实际转速进行耦合并输出各被控电机对应的补偿信号；多电机控制模块，用于将多电机协同模块输出的补偿信号作用在对应被控电机的电流环上行，使被控电机与其他电机同步运动。本发明专利技术基于滑模控制理论和多电机偏差耦合控制结构，并利用引入扰动补偿的混合非奇异终端滑模变结构控制策略来提高系统趋近滑模面的速度和精度，能够较好地抑制滑模控制固有的抖振现象，便于实际工程场景下的应用。场景下的应用。场景下的应用。

【技术实现步骤摘要】
基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统


[0001]本专利技术属于多电机协同控制
，特别涉及一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统。

技术介绍

[0002]随着城市地下隧道建设的不断发展，隧道掘进机应用的环境越来越复杂多变，尤其是在狭窄空间内拆装隧道掘进机主体的问题亟待解决。在盾构机拆装装置底部行走系统种有较多电机驱动，在运动过程中要求电机之间协同工作。在高精度高转速的大型系统中，控制系统的可靠性对工程质量和安全起着决定性作用，因此研究多电机协同控制技术一直是学者们关注的课题之一。随着智能算法的深入研究，很多学者将智能算法与已有的协同控制策略结合，提出各种方法，针对如系统的协同控制精度、鲁棒性和稳定性等来提高系统性能，例如，基于神经网络智能算法和PID控制器与偏差耦合控制结构结合的控制方法，这种方法虽然减小了同步误差，但是在前期数据不充分的情况下，无法正常工作；利用模糊控制算法在系统运行过程中通过接收反馈信号实时调整电机的转矩给定值，这使得同步性能有一定的提高，但是由于模糊处理的方式过于简单，会导致接收的信号不全面，协同控制精度变差，动态追踪的能力减弱。
[0003]滑模变结构控制的本质是一种结构不固定可以随着系统状态变化而变化的非线性控制，具有鲁棒性好，自抗扰能力强的优点，国内外学者均做有大量研究，例如，GaoPeng等结合快速终端滑模面和非线性比例积分滑模面各自的优点，提出一种新型的分层滑模控制，很好的改善了系统的动态性能；朱庆华等设计了一种动态滑模姿态控制率，利用动态切换函数代替符号函数成功抑制了抖振问题；潘峰等设计出一种双滑模直接转矩的控制方法，减小了电机的转矩脉动，使得控制系统的抗干扰性和鲁棒性得到较大提升。但以上研究都无法同时改善系统的动态性能和抑制抖振，使得实际应用受到限制。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术提供一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统，基于滑模控制理论和多电机偏差耦合控制结构，并利用引入扰动补偿的混合非奇异终端滑模变结构控制策略来提高系统趋近滑模面的速度和精度，能够较好地抑制滑模控制固有的抖振现象，便于实际工程场景下的应用。
[0005]按照本专利技术所提供的设计方案，提供一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统，用于协调多台电机同步运动，包含：信号输入模块、多电机协同模块及多电机控制模块，其中，
[0006]信号输入模块，用于设置各被控电机转速；
[0007]多电机协同模块，用于将各被控电机实际转速进行耦合并输出各被控电机对应的补偿信号；
[0008]多电机控制模块，用于将多电机协同模块输出的补偿信号作用在对应被控电机的
电流环上行，使被控电机与其他电机同步运动。
[0009]作为本专利技术基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统中，进一步地，所述多电机协同模块包含：同步误差补偿器、抗扰动观测器及滑模速度控制器，其中，同步误差补偿器，用于通过整合各被动电机反馈的实际转速来获取各被动电机对应补偿量的同步误差补偿器；抗扰动观测器，用于将扰动量作为扩展变量引入至永磁同步电机运动过程中来获取系统扰动观测量；滑模速度控制器，用于依据系统扰动观测量及被动电机补偿量通过预设的混合非奇异终端滑模速度控制策略对永磁同步电机控制系统中的多个被控电机进行速度同步控制。
[0010]作为本专利技术基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统中，进一步地，所述同步误差补偿器包含：N
‑
1个PI控制器，所述PI控制器用于将当前被动电机实际转速与其他被动电机实际转速做差并整定相加，以利用整定相加结果来获取当前被动电机的补偿量，其中，N为被控电机个数。
[0011]进一步地，基于上述的系统，本专利技术还提供一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，包含如下内容：
[0012]根据永磁同步电机数学模型中电机运动方程构建用于系统速度控制的滑模速度控制器模型及用于系统扰动观测的滑模扰动观测器模型，其中，滑模扰动观测器模型将由系统扰动构成的扩展变量引入永磁同步电机运动方程；
[0013]同步误差补偿器依据观测的系统扰动及各被控电机实际转速的反馈来耦合输出作用于各被控电机电流环的对应补偿信号，利用对应补偿信号来控制各被控电机之间的运动同步。
[0014]作为本专利技术中基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步地，滑模速度控制器模型中，利用混合非奇异终端滑模控制策略对永磁同步电机系统进行速度控制，其中，混合非奇异终端滑模控制策略的滑模面表示为r>0，a>0，β>0；p和q均为奇数，且q<p<2q，x1、x2为由电机转速构成的系统变量。
[0015]作为本专利技术中基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步，利用混合非奇异终端滑模控制策略对永磁同步电机系统进行速度控制中，首先，依据系统趋近运动特性来选取指数趋近率；然后，根据滑模面及指数曲金律来获取滑模控制器模型的输出。
[0016]作为本专利技术中基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步，选取指数趋近率表示为：其中，a表示等速项参数，b表示影响系统运动点趋近速度的指数项参数，s表示滑模面。
[0017]作为本专利技术基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步地，获取滑模控制器模型的输出i
q1
表示为：其中，P
n
为PMSM极对数、Ψ
f
为PMSM永磁体的交链磁链、J是电机转动惯量、t为时间。
[0018]作为本专利技术基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步地，滑模扰动观测
器模型表示为：其中，为被控电机转速ω的估计值，为系统扰动
[0019][0020]总和r(t)估计值，i
q
为滑模控制器模型的输出，g为滑模系数，u
smo
为开关函数，a
n
、c
n
为系统常规参数变量。
[0021]作为本专利技术基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步地，利用滑模扰动观测器模型及永磁同步电机运动状态方程来获取速度估计误差和扰动估计误差，并通过构建等效低通滤波器的传递函数来抑制滑模扰动观测器模型的抖振信号，其中，传递函数表示为：其中，s表示滑模切面，Z为抖振信号，e2为扰动估计误差，d(t)表示系统扰动量总和r(t)变化率，T表示的是拉普拉斯变换后的t(时间)，s是拉普拉斯变换中代表
[0022]本专利技术的有益效果：
[0023]本专利技术中，针对盾构机拆装装置底部多伺服电机协同控制易受非线性、外界扰动等不定因素干扰的问题，利用信号输入模块、多电机协同模块及多电机控制模块，并引入扰动补偿的混合非奇异终端滑模变结构控制策略来实现电机同步运动的控制，能够提高系统趋近滑模面的速度和精度，并且可较好抑制滑模控制固有的抖振现象。并利用试验仿真数据，启动时传统PI控制超调量很大，突加负载后传统PI控制与改进型控制方法相比，稳定前超调量相差约8.5％；电机转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统，用于协调多台电机同步运动，其特征在于，包含：信号输入模块、多电机协同模块及多电机控制模块，其中，信号输入模块，用于设置各被控电机转速；多电机协同模块，用于将各被控电机实际转速进行耦合并输出各被控电机对应的补偿信号；多电机控制模块，用于将多电机协同模块输出的补偿信号作用在对应被控电机的电流环上行，使被控电机与其他电机同步运动。2.根据权利要求1所述的基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统，其特征在于，所述多电机协同模块包含：同步误差补偿器、抗扰动观测器及滑模速度控制器，其中，同步误差补偿器，用于通过整合各被动电机反馈的实际转速来获取各被动电机对应补偿量的同步误差补偿器；抗扰动观测器，用于将扰动量作为扩展变量引入至永磁同步电机运动过程中来获取系统扰动观测量；滑模速度控制器，用于依据系统扰动观测量及被动电机补偿量通过预设的混合非奇异终端滑模速度控制策略对永磁同步电机控制系统中的多个被控电机进行速度同步控制。3.根据权利要求2所述的基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统，其特征在于，所述同步误差补偿器包含：N
‑
1个PI控制器，所述PI控制器用于将当前被动电机实际转速与其他被动电机实际转速做差并整定相加，以利用整定相加结果来获取当前被动电机的补偿量，其中，N为被控电机个数。4.一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的系统实现，该实现过程包含如下内容：根据永磁同步电机数学模型中电机运动方程构建用于系统速度控制的滑模速度控制器模型及用于系统扰动观测的滑模扰动观测器模型，其中，滑模扰动观测器模型将由系统扰动构成的扩展变量引入永磁同步电机运动方程；同步误差补偿器依据观测的系统扰动及各被控电机实际转速的反馈来耦合输出作用于各被控电机电流环的对应补偿信号，利用对应补偿信号来控制各被控电机之间的运动同步。5.根据权利要求4所述的基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，其特征在于，滑模速度控制器模型中，利用混合非奇异终端滑模...

【专利技术属性】
技术研发人员：李楠，王国政，韩兴超，李刚，徐红璐，胡瑞，王豪，李恒，
申请(专利权)人：中铁工程装备集团盾构制造有限公司，
类型：发明
国别省市：