基于速度和张力解耦的永磁同步多电机系统协同控制

Centering on key techniques of multi-machine synchronous control system, the research have important theoretical sense as the key achievements have important utility value and extensive application prospect on modern transmission system design and core equipment development. In this project, permanent magnet synchronous motors are used as independent drive units. By analyzing various effects of each independent drive unit on operation performance of synchronous control system, such as mismatched actuating properties, unpredictable workloads and tracking curve, the non-linear coupling mechanism between multi-machine system speed and tension is revealed and the non-linear mapping relationship between speed, tension and every input value is established. With state derivative of the system and instruction tracking error used as augmented state variables, state feedback matrix and output error feedback matrix are constructed with state and output variables data of the system. Also synchronous control rule is constructed based on decoupling of speed and tension. In this foundation, research on common DC bus strategy and power-down synchronous brake technique of multi-motor system enhances the function of multi-motor system, improves quality of system performance as well as the reliability and control precision.

围绕多电机系统协同控制关键技术开展深入研究具有重要理论意义，其关键研究成果在现代传动系统设计、核心装备研发方面具有重要实用价值和广泛应用前景。本项目将永磁同步电机作为多电机系统的独立驱动单元，通过分析各独立驱动单元负载不确定性、跟踪曲线不确定性、驱动性能不匹配等诸多因素对系统协同运行性能的影响，揭示多电机系统速度与张力的非线性耦合机理，建立速度、张力与各输入量之间的非线性映射关系；将系统状态导数及指令跟踪误差作为增广状态变量，根据系统状态变量信息和输出量信息构建状态反馈矩阵与输出误差反馈矩阵，构建基于速度与张力解耦的协同控制率；在此基础上，研究多电机系统共直流母线策略及掉电同步制动方法，在提高多电机系统功能水平、增强运行可靠性、改善控制精度的同时，推动传动系统性能品质提升。

随着纺织、冶金、线材加工、造纸等领域对生产装备性能和加工效率要求的不断提升，多电机系统及其控制技术成为上述领域技术装备的发展趋势。本项目针对永磁同步多电机系统协同控制关键技术，开展了深入的研究工作。. 首先，分析了永磁同步多电机系统中各卷绕构件的数学模型和张力产生的机理，建立了摩擦力和收、放卷辊半径的变化对控制性能的影响机制，提出一种具有参数自适应的无张力传感器柔性连接多电机系统张力间接闭环控制策略；其次，针对多电机系统中速度同步高精度控制问题，在转速反馈环节和转速同步补偿环节考虑了各台电机转速的重要程度，建立了基于多电机系统同步误差和跟踪误差的评价体系，并提出了改进型偏差耦合控制结构，有效地提升了多电机同步控制系统的转速同步性能和跟踪性能；再次，针对多电机系统轨迹跟踪精度与速度协同问题，提出了多轴联动系统广义预测交叉耦合轨迹控制策略，综合考虑了单轴跟踪性能与多轴协调性能，建立统一价值函数，基于反馈轨迹跟踪误差，对位置轨迹进行自我修正，提升了多电机系统对复杂轨迹跟踪的精度与速度；而后，针对多电机系统在不确定环境下稳定性与同步精度难以兼顾的问题，利用非耦合控制系统模型，构建了同步误差与跟踪误差的映射关系，揭示了双轴系统同步精度与稳定性相互影响机制，进而提出一种鲁棒自适应交叉耦合控制策略，构建了多电机系统中各电机鲁棒自适应转速控制系统，并采用Lyapunov方法建立参数自适应律，通过分析双轴鲁棒自适应交叉耦合控制系统的有界输入有界输出稳定性，在控制系统中增设了一种具有强鲁棒性的参数自适应补偿机制。最后，搭建了永磁同步多电机协同控制系统实验平台，对所提出的理论方法和控制策略进行实验验证。相关结果表明所提出方法有效解决了永磁同步多电机系统张力平衡、转速高精度同步、轨迹跟踪预测、不确定扰动下的强鲁棒自适应控制等关键技术问题。