本發(fā)明涉及工業(yè)過程控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種主從式多電機(jī)同步的h2最優(yōu)控制方法，針對工業(yè)過程中多電機(jī)同步協(xié)調(diào)系統(tǒng)，以最優(yōu)控制理論和魯棒控制理論為基礎(chǔ)，可以提高多電機(jī)同步跟蹤參考信號和抑制外界干擾的性能，使用非常簡單方便。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，越來越多的工業(yè)過程中需要多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制。主要是生產(chǎn)工藝或功率的需要，例如鋼廠的連鑄機(jī)、軋鋼機(jī)，造紙機(jī)中的烘缸和紡織、印染等。在實(shí)際工業(yè)控制領(lǐng)域中，能否實(shí)現(xiàn)多電機(jī)系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制，直接關(guān)系到生產(chǎn)可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，如何改善多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的綜合性能，提高同步控制的跟蹤精度，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

多電機(jī)同步系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)有主從結(jié)構(gòu)法(master-slave)、交叉耦合方法、雙軸交叉耦合控制法、電虛擬總軸法和相對耦合法，各方法的優(yōu)劣可參考francisco等人的文章comparisonofmulti-motorsynchronizationtechniques(the30thannualconferenceoftheieeeindustrialelectronicssociety,2004)。本發(fā)明中的主從結(jié)構(gòu)法是指至少一個主電機(jī)可以獲得參考信號，其余從電機(jī)可以獲取能與之通信的鄰居電機(jī)的輸出狀態(tài)。

在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中，由于外界的干擾、噪聲和系統(tǒng)本身的一些不可預(yù)計的動態(tài)特性，例如系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)的偏移、部件的老化、原料成分的變化等，使得實(shí)際控制對象總是存在不確定性，也就是說，通過辨識得到的對象模型實(shí)際上是不確定的，參數(shù)總在發(fā)生攝動，因此不可能得到精確的數(shù)學(xué)模型。在多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中，不可預(yù)知的輸入負(fù)載擾動和電機(jī)模型不確定性都將會打破已鎮(zhèn)定系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，是工業(yè)過程中不可忽視的重要問題。評價一個系統(tǒng)跟蹤性能和魯棒性能的常用綜合性能指標(biāo)是基于ise指標(biāo)的h2性能指標(biāo)，h2控制器的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計出使整體系統(tǒng)ise指標(biāo)最小化的控制器。工業(yè)控制中希望控制器能對控制對象的不確定性不敏感，在數(shù)學(xué)模型與實(shí)際過程失配時系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定，也就是具有好的魯棒性。除此之外，幾乎所有的工業(yè)過程都存在時滯，體現(xiàn)在個體對控制器輸出的反應(yīng)時間和多個體之間的通信時間，時滯的存在會影響同步的收斂速度，降低系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。頻域方法是處理時滯的有效方法之一，因?yàn)闀r滯項(xiàng)可表示成，它幅值為1的特性可以在優(yōu)化整體系統(tǒng)的性能指標(biāo)中起到關(guān)鍵作用。li,s.b.等人的文章anewframeworkofconsensusprotocoldesignforcomplexmulti-agentsystems(system&controlletters,60(1),19-26)提出了多個體在頻域下的系統(tǒng)框圖，有效解決了同質(zhì)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描述。yang,s.p.等人的文章improvementson“anewframeworkofconsensusprotocoldesignforcomplexmulti-agentsystems”(system&controlletters,61(9),945-949)在li,s.b.提出的多個體系統(tǒng)頻域框圖的基礎(chǔ)上，完善了使整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步跟蹤的穩(wěn)定性條件。然而大多理論研究結(jié)果都沒有考慮到系統(tǒng)輸入延時的存在和影響。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的是常規(guī)pid控制器，其具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。但由于pid參數(shù)在控制過程中一經(jīng)確定無法改變，當(dāng)面對多電機(jī)同步控制系統(tǒng)模型不確定，大時滯，存在未知輸入負(fù)載擾動等問題時，控制效果并不理想。綜上所述，如何解析設(shè)計時滯多電機(jī)系統(tǒng)的同步控制，并有效抑制外界干擾，提高系統(tǒng)整體性能，具有理論和實(shí)際應(yīng)用的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種主從式多電機(jī)同步的h2最優(yōu)控制方法，能在不改變控制器結(jié)構(gòu)的情況下，適當(dāng)調(diào)節(jié)有限個控制器參數(shù)處理被控對象的模型不確定性和外界干擾，在標(biāo)稱性能和魯棒性能之間進(jìn)行最佳折中，達(dá)到更好的同步控制效果。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種主從式多電機(jī)同步的h2最優(yōu)控制方法，該方法用于多電機(jī)同步控制系統(tǒng)，該多電機(jī)同步控制系統(tǒng)包括作為被控對象的n個同質(zhì)伺服電機(jī)系統(tǒng)，以及單個伺服電機(jī)對應(yīng)的控制器、驅(qū)動器和速度傳感器，所述的h2最優(yōu)控制方法具體包括以下步驟：

1)首先對單個被控驅(qū)動器和電機(jī)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)辨識模型；

2)對相互連接的多個電機(jī)系統(tǒng)辨識出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，表示成拉普拉斯矩陣l，計算出拓?fù)渚仃嚨奶卣髦郸薸,i＝1,2,…,n；

3)輸入實(shí)際工業(yè)所需的綜合性能指標(biāo)j(s)和參考轉(zhuǎn)速信號ω^*；

4)事先編制好離線控制程序，根據(jù)所輸入的綜合性能指標(biāo)和被控電機(jī)傳遞矩陣，計算出不同性能指標(biāo)對應(yīng)的最優(yōu)內(nèi)?？刂破鱭opt(s)，所得結(jié)果傳輸給在線控制程序；

5)事先編制好在線控制程序，即在已有最優(yōu)內(nèi)?？刂破骱蟠?lián)濾波器，qi(s)＝qopt(s)fi(s)，其中fi(s)是第i個電機(jī)的濾波器，qi(s)是第i個電機(jī)的次優(yōu)內(nèi)?？刂破?；

6)組態(tài)界面上設(shè)置參數(shù)k輸入框；

7)在線控制程序輸出n個通道的ui(s)，對其進(jìn)行限幅，防止積分飽和，由d/a轉(zhuǎn)換后輸出至電機(jī)驅(qū)動器，分別作用到n個被控電機(jī)，使被控電機(jī)運(yùn)行在給定的范圍內(nèi)；同時速度傳感器實(shí)時測量各個電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωi(s)，由a/d轉(zhuǎn)換后，將所得狀態(tài)參數(shù)與被控電機(jī)的相鄰電機(jī)轉(zhuǎn)速都傳輸至處理模塊，處理模塊將所收到狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行加減法，求得系統(tǒng)誤差信號傳輸至在線控制程序，如此周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)控制；

8)離線仿真；

9)將在線控制程序和所有參數(shù)投入實(shí)際工業(yè)使用，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)轉(zhuǎn)速的同步跟蹤。

所述的步驟1)中的傳遞函數(shù)辨識模型表達(dá)式如下：

其中k為被控對象傳遞函數(shù)的比例系數(shù)，θ為時滯參數(shù)，n+(s)和m+(s)指根在右半平面的多項(xiàng)式，n-(s)和m-(s)指根在左半平面的多項(xiàng)式，n+(0)＝n-(0)＝m+(0)＝m-(0)＝1，即pj是被控對象的不穩(wěn)定極點(diǎn)，lj是極點(diǎn)pj所在項(xiàng)的次數(shù)，r^p是不穩(wěn)定極點(diǎn)的個數(shù)。將所得被控對象傳遞函數(shù)的比例系數(shù)k，時滯θ，時間常數(shù)等所有參數(shù)由工控機(jī)送到存儲單元ram中。

所述的步驟3)中的綜合性能指標(biāo)j(s)包括兩項(xiàng)，分別是“j1(s)—最優(yōu)參考信號跟蹤”和“j2(s)—最優(yōu)輸入擾動抑制”。其中j1(s)指整體系統(tǒng)參考信號至系統(tǒng)誤差的傳遞矩陣2范數(shù)最小，j2(s)指整體系統(tǒng)輸入負(fù)載擾動至系統(tǒng)輸出的傳遞矩陣2范數(shù)最小；

所述的步驟4)中的最優(yōu)內(nèi)模控制器包括：

最優(yōu)參考信號跟蹤控制器：

最優(yōu)輸入擾動抑制控制器：

其中k是可調(diào)參數(shù)，k的取值必須使得多電機(jī)系統(tǒng)滿足內(nèi)穩(wěn)定：即對所有的λi,i＝1,2,…,n，1-λigi(s)qi(s)＝0的解都在復(fù)平面的左半平面，k的調(diào)節(jié)范圍為[0,kmax)，其初始值為0。

a(s)是一個需要由離線控制程序計算得出的有理多項(xiàng)式，滿足

所述的步驟5)中的濾波器的形式為

其中σi是第i個電機(jī)的性能度，ni是次數(shù)，β0至βm是系數(shù)，各參數(shù)的取值必須保證qi(s)物理可實(shí)現(xiàn)。

組態(tài)界面上設(shè)置n個參數(shù)輸入框，分別為每個電機(jī)對應(yīng)濾波器fi(s)的可調(diào)參數(shù)σi,i＝1,2,…,n，σi的調(diào)節(jié)范圍為[0,+∞)，其初始值為0。

所述的步驟7)中的處理模塊將所收到狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行加減法表達(dá)式如下式所示：

其中ei(s)為系統(tǒng)誤差，傳輸至第i個電機(jī)的在線控制程序，ni指能與第i個電機(jī)傳輸轉(zhuǎn)速測量值的相鄰電機(jī)的集合，ωi和ωj分別是第i個和第j個電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量值。

所述的離線仿真具體為：

根據(jù)所需魯棒性能在線微調(diào)參數(shù)σi和k，此時組態(tài)界面上顯示的是模擬在線情況下多電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間變化的系統(tǒng)閉環(huán)相應(yīng)曲線，在多電機(jī)以實(shí)際所需的標(biāo)稱性能和魯棒性能實(shí)現(xiàn)同步跟蹤參考值后，確定參數(shù)σi和k的取值。

所述的控制器的輸入端連接至對應(yīng)的處理模塊，控制器輸出的電信號連接至驅(qū)動器和伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出，所述速度傳感器用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出端連接至對應(yīng)的處理模塊，并連接至與之相鄰電機(jī)對應(yīng)的處理模塊，各電機(jī)的處理模塊將各自電機(jī)與所有相鄰電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量值進(jìn)行加減法運(yùn)算后輸出系統(tǒng)誤差，傳輸至控制器，有m個被控電機(jī)獲得組態(tài)界面輸入的參考轉(zhuǎn)速信號，n-m個被控電機(jī)獲得相鄰電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量值，從而形成一套主從式多電機(jī)控制系統(tǒng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、各電機(jī)對應(yīng)控制器的設(shè)計，是根據(jù)被控各電機(jī)的傳遞矩陣模型解析計算得出的，相同動態(tài)結(jié)構(gòu)的被控電機(jī)理論推導(dǎo)出的多控制器結(jié)構(gòu)相同，參數(shù)可調(diào)?？刂破鲄?shù)不依賴于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等全局信息，因此得到的解析控制算法是分布式的，操作簡便直觀。

2、分別根據(jù)最優(yōu)參考信號跟蹤和最優(yōu)輸入擾動抑制兩種h2性能指標(biāo)，解析得到控制算法。因此對整體多電機(jī)的控制平穩(wěn)快速精度高，尤其對大純滯后電機(jī)對象能同樣實(shí)施有效控制。

3、在不重新設(shè)計控制器的情況下，有限個濾波器的可調(diào)參數(shù)可以定量權(quán)衡多電機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)稱性能和魯棒性能。隨著濾波器可調(diào)參數(shù)的增加，總體系統(tǒng)的魯棒性能隨之漸進(jìn)改善，因此對參數(shù)不確定系統(tǒng)的魯棒控制有實(shí)際應(yīng)用意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)際運(yùn)行過程的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是造紙生產(chǎn)過程中烘缸部分的多電機(jī)主從式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的不確定系統(tǒng)最優(yōu)參考跟蹤控制效果圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的標(biāo)稱系統(tǒng)最優(yōu)輸入擾動抑制效果圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明在現(xiàn)有的多電機(jī)主從控制結(jié)構(gòu)上，提出一種智能h2最優(yōu)同步控制方法，實(shí)際運(yùn)行過程的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在工控系統(tǒng)辨識出被控對象傳遞函數(shù)模型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，工控機(jī)自行執(zhí)行事先編制好的離線同步控制程序，計算出最佳控制器參數(shù)，然后在線控制程序計算出最終控制器參數(shù)，得到控制信號，在線調(diào)節(jié)各個電機(jī)串聯(lián)濾波器的可調(diào)參數(shù)，定量提高整體多電機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)稱性能和魯棒性能。

本發(fā)明通過編制成相應(yīng)的最優(yōu)同步控制監(jiān)控模塊，在現(xiàn)有的工控系統(tǒng)中直接實(shí)施。明確給出兩種性能指標(biāo)分別對應(yīng)的最佳控制器的解析公式，將離線和在線兩種解析公式一同裝入監(jiān)控模塊中。

將本發(fā)明提出的h2同步控制方法用于造紙生產(chǎn)過程中烘缸設(shè)備的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)，其目的是使多個烘缸以相同速度轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)的被控對象是烘缸的轉(zhuǎn)動電機(jī)。在造紙生產(chǎn)過程中，從打漿工段送來的中濃紙漿與網(wǎng)下回收的白水混合成為適合上網(wǎng)的低濃紙漿，輸送到流漿箱中，再從流漿箱的堰板噴出口噴射到網(wǎng)上，紙漿在網(wǎng)上經(jīng)濾水脫去絕大部分水分形成濕紙頁后進(jìn)入壓榨部，濕紙頁在壓榨部經(jīng)過壓錕多次壓榨又脫去剩余的大部分水分，然后進(jìn)入干燥部，通過一系列的充滿高溫蒸汽的烘缸中被加熱，于是濕紙中的水分逐漸蒸發(fā)掉，最終得到成品紙?？梢娪描T鐵烘缸的作用是用來烘干紙頁中的水分，整飾紙面。如果多個烘缸因外部擾動，控制器輸入延時等問題導(dǎo)致無法同步轉(zhuǎn)動，就會出現(xiàn)卡紙，紙張質(zhì)量不均衡等問題，嚴(yán)重的話會導(dǎo)致整個造紙生產(chǎn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

該烘缸系統(tǒng)有六個相同型號的電機(jī)和驅(qū)動裝置，只有一號電機(jī)可以獲得參考轉(zhuǎn)速ω^*＝0.5米/秒，其余電機(jī)以如圖2所示相互連接，則拓?fù)渚仃嚨奶卣髦禐棣薸＝1,i＝1,2,…,6。在系統(tǒng)進(jìn)入整定前，先利用該造紙生產(chǎn)工控系統(tǒng)對被控對象——烘缸轉(zhuǎn)動電機(jī)進(jìn)行開環(huán)辨識，其辨識原理是開環(huán)階躍響應(yīng)面積法，結(jié)果得到六個電機(jī)相同的動態(tài)模型為：

即一階慣性加純滯后模型，參數(shù)為k＝1，t＝1，θ＝0.2。工控系統(tǒng)將辨識出的模型參數(shù)送到主機(jī)的存儲單元ram中。在此被控對象動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)入h2最優(yōu)同步控制過程，具體實(shí)施步驟有以下幾步：

應(yīng)用本發(fā)明給出的控制器設(shè)計方法，

第一步：選擇綜合性能指標(biāo)。若選擇j1得到控制器為

若選擇j2得到控制器為

同質(zhì)動態(tài)結(jié)構(gòu)得到相同結(jié)構(gòu)的控制器，下面確定各個控制器的可調(diào)參數(shù)。

第二步：因?yàn)棣薸＝1，所以取k＝1/λi＝1，在組態(tài)界面中輸入k＝1。

第三步：離線仿真，觀察組態(tài)界面中顯示的模擬閉環(huán)曲線調(diào)節(jié)σi，根據(jù)實(shí)際工業(yè)所需綜合性能去權(quán)衡標(biāo)稱性能和魯棒性能。

第四步：若選擇j1，取σi＝0.1。假設(shè)系統(tǒng)模型存在不確定性，存在±20％的參數(shù)攝動，即k＝[0.8,1.2],θ＝[0.16,0.24],t＝[0.8,1.2]，不確定系統(tǒng)的最差情況是模型參數(shù)中增益和時滯取上界，即k＝1.2，θ＝0.24，時間常數(shù)取下界，即，t＝0.8。此時閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖3所示，多電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步跟蹤參考信號，并且實(shí)驗(yàn)可得，當(dāng)σi從0調(diào)節(jié)增大的過程中，系統(tǒng)的魯棒性能增強(qiáng)，標(biāo)稱性能減弱。

若選擇j2，取σi＝0.1。當(dāng)模型精確時，在第十秒時紙張達(dá)到烘干環(huán)節(jié)，即各電機(jī)受到輸入負(fù)載擾動，擾動為階躍信號din(s)＝0.2/s，閉環(huán)系統(tǒng)的標(biāo)稱響應(yīng)曲線如圖4所示，由圖可見，多電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步跟蹤參考信號，且有效抑制輸入負(fù)載干擾，理論可知，該系統(tǒng)對輸入擾動的抑制能力最優(yōu)。

因此本發(fā)明設(shè)計的解析控制器可以實(shí)現(xiàn)多電機(jī)系統(tǒng)同步跟蹤參考信號和輸入負(fù)載擾動抑制，提高系統(tǒng)的快速收斂性能和同步精度，增強(qiáng)多電機(jī)系統(tǒng)的魯棒性。在不重新設(shè)計控制器的情況下，只需要調(diào)節(jié)有限個參數(shù)就可以有效地定量調(diào)節(jié)系統(tǒng)標(biāo)稱性能和魯棒性能，操作簡便直觀，控制平穩(wěn)快速精度高，尤其對大純滯后電機(jī)對象能同樣實(shí)施有效控制。

以上闡述的是本發(fā)明給出的一個實(shí)施例表現(xiàn)出的最優(yōu)參考信號跟蹤和輸入干擾抑制能力。需要指出，本發(fā)明不只限于上述實(shí)施例，被控電機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)和多電機(jī)相互連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不只限于取上述參數(shù)。本發(fā)明針對主從式不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，含有輸入時滯的同質(zhì)多電機(jī)系統(tǒng)給出h2最優(yōu)同步控制器的設(shè)計方法，所以適用于各種工業(yè)過程的多電機(jī)系統(tǒng)。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。