周丽--多电机总线网络技术与同步解耦控制策略研究

无忧PPT整理发布无忧PPT整理发布老师：刘星桥教授多电机总线网络技术与同步解耦控制策略研究无忧PPT整理发布•多电机同步系统•多变频器驱动多台感应电机就构成了多电机控制系统。一、研究对象无忧PPT整理发布•多电机同步系统定义：由两台及以上的电机同时驱动同一共同负载，并且系统中各电机要保持协调同步运行。•“共同负载”可以是多种多样的，本平台用一根聚酯织物皮带形成共同负载。•根据共同负载的不同，多电机同步系统可以应用于各种不同的领域。一、研究对象无忧PPT整理发布多电机系统的典型应用场合：无忧PPT整理发布•实际意义：多电机同步控制在工业生产、舞台控制、军事及航空等领域中得到了广泛的应用。在实际生产过程中，由于各传动轴的驱动特性不匹配、负载的扰动等因素的影响，使得多电机的同步性能恶化。因此，多电机同步控制成为研究的热点。•理论意义：从高性能控制的角度来看，多电机同步系统是一个高阶、强耦合、非线性时变的复杂系统，实际上很难获得其精确的数学模型。因此，基于不依赖多电机的数学模型，对多电机的解耦控制成为了多电机同步控制中的难点。所谓现场总线，是指将现场设备如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等与工业过程控制单元、现场操作站等互联而成的计算机网络。二、多电机总线网络技术对于现场总线，一方面把传统的模拟仪表变成数字仪表，变单一功能为多项功能，实现现场仪表的互操作和互换信息；另一方面是把DCS(分散型控制系统)变成FCS(现场控制系统)，在现场建立开放式的现场通信网络，实现全系统的数字通信网络化。二、多电机总线网络技术现场总线有以下优点:1、一对N的结构，一对传输线，可以对应多台现场数字仪表，也可采用多种网络拓扑结构，简化了工程设计，降低了工程费用；2、现场总线采用数字信号传输；实现远程监控；综合多种功能，以微处理器为基础的数字仪表具有多种功能；3、数字调节阀直接从现场总线接收数字调节信号，在现场总线上就可以构成回路，把原来的DCS站的功能下放到现场仪表，实现彻底地分散，提高系统的可靠性。二、多电机总线网络技术二、多电机总线网络技术多点接口MPI（MultipointInterface）是一种简单经济的通信方式，适用于通信速率要求不高、通信数据量不大的场合。多用于对其编程，连接上位机和少量PLC之间近距离通讯。二、多电机总线网络技术CPU315-2DP变频器1CB15MPIPROFIBUS-DP变频器2CB15STEP7/WinCCOPCOPCClientExcel上位工控机（WinCCOPCServer）S7300PLCFM350-1SM335变频器3CB15Motor3~Motor2~Motor1~光电编码器张力传感器MPI、PROFIBUS通讯结构图PROFIBUS是ProcessFieldbus的简称，它是1987年由原西德联邦科技部集中了13家公司及5家研究所力量ISO/OSI参考模型制定现场总线德国国家标(PROFIBUS)。2年多努力，完成了制定工作，与1991年4月DIN19245中发表，正式成为德国现场总线国家标准。从1991年到1995年先后批准实施Part1~Part4，1996年3月被批准为欧洲标准EN50170V2，并于2000年成为IEC61158国际现场总线标准之一。二、多电机总线网络技术二、多电机总线网络技术PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可以通过同样的接口交换信息。PROFIBUS用于分布式I/O设备、传动装置、PLC和基于PC的自动化系统.90年代初，PROFIBUS由西门子引入中国，开始被国内所接受。到中德两国政府有关部门支持及西门子大力推广，PROFIBUS中国发展势头良好，目前，PROFIBUS我国已拥有众多用户，如上海扬树蒲电厂、西安扬森制药厂、云南玉溪卷烟厂、青岛啤酒厂、海尔冰箱生产线。二、多电机总线网络技术PROFIBUS现场总线通讯协议包括三个主要部分：•PROFIBUS-DP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。•PROFIBUS-PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。•PROFIBUS-FMS：定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。二、多电机总线网络技术无忧PPT整理发布CP5611上位机WinCC监控PLCS7-300M1M3M2光电编码器张力张力12F23FCB15西门子变频器1CB15西门子变频器2CB15西门子变频器3Profibus-DP交流电机触摸屏Profibus-DP基于PROFIBUS的控制系统结构示意图无忧PPT整理发布我们将应用西门子可编程控制器SIMATICS7-300作为控制器，通过PROFIBUS-DP现场总线实现S7-300与三台西门子的MMV变频器主从站通讯，分别控制三台交流电机，速度的反馈值由光电编码器检测，两个张力的反馈值分别由两个张力传感器检测，并使用西门子的WinCC组态软件监控整个系统的控制过程，由此构成一个多电机网络控制系统。无忧PPT整理发布代表全世界1200多家会员公司的PROFIBUS国际组织推出了基于实时工业以太网的PROFINET自动化解决方案。该技术为当前的用户提供了一套完整高性能可伸缩的升级至工业以太网平台的解决方案PROFINET是一项重大的并具有战略性的技术创新，它不仅能为PROFIBUS，而且能为其它现场总线网络系统提供以太网移植服务。无忧PPT整理发布采用基于工业以太网的开放式、跨供应商标准的PROFINET，即可从公司管理层直到现场层实现直接、透明的访问。PROFINET基于现有成熟IT标准，并提供对TCP/IP的全面支持。用户能够毫不费力地与现有系统进行扩展及便捷集成。无忧PPT整理发布PROFInet方案覆盖了分散自动化系统的所有运行阶段。它包含下列主要方面：高度分散自动化系统的开放对象模型（结构模型）基于Ethernet的开放的、面向对象的运行期通信方案（功能单元间的通信关系）独立于制造商的工程设计方案（应用开发）无忧PPT整理发布具有PROFInet的工业通信无忧PPT整理发布PROFIBUS、PROFInet网络紫色为PROFIBUS总线绿色为PROFINET总线无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究•在许多实际多电机同步系统中，要求各台电机之间必须协调运行，使系统在运行过程中的张力保持在某个给定值恒定不变，并且张力不受电机速度变化的影响。为了提高张力控制的性能，就必须实现速度和张力的解耦控制。无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究两电机张力控制系统模型电机1电机2张力控制器速度控制器浮辊12*f*vf无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究三电机张力控制系统模型#1电机#2电机滚筒2浮动辊11wk22wk12F23F2r1r滚筒1电机#333wk滚筒33r浮动辊无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究根据虎克定律：1122222111111121122221111112)11()11(TFkrnkrnTKFLAVkrnkrnLAEFrprprprp2233333222222232233332222223)11()11(TFkrnkrnTKFLAVkrnkrnLAEFrprprprp无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究AE为传递系数；为第2台皮带轮（轧辊2）的半径、速比；为皮带的截面积；为皮带的杨氏弹性模量；为期望的速度。111/TLAV11/KEV22/KEV、、222/TLAV为张力变化常数；为第3台皮带轮（轧辊2）的半径、速比；33rk、22rk、11rk、123rrr、、分别#1电机、#2电机和#3电机的电气角速度；123pppnnn、、分别#1电机、#2电机和#3电机的极对数；12LL、分别为#1电机与#2电机、#2电机与#3电机机架间的距离；12VV、为第1台皮带轮（轧辊2）的半径、速比；无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究传统的两电机PID控制PID1PID21w+_两变频调速电机系统1rw2rwF21/rr++__F1rw无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究•经典PID控制器的优缺点剖析经典PID控制器的原理是基于“用误差反馈来消除误差”；优点：结构简单，易于实现，不需要被控对象的模型；缺点：误差的取法、由误差e提取微分的办法、“加权和”策略、积分反馈。但控制器参数整定困难,参数鲁棒性较差,无法同时满足响应速度快、稳态精度高的要求。线性组合对象eeeuvyKD_/dedt无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究•近年来国内在该方面的研究刚刚起步，国外在该领域的研究得到迅速发展，多电机的协调控制的主要方法有：•(1)基于传统PID的改进算法•2006年，天津大学的CheYanbo等人使用变增益智能控制方法实现了纤维热成型机械多电机同步系统的恒张力控制。2007年，上海交通大学的周烨斐等人采用递归平均PID增量算法实现了四电机系统粗纱张力控制。无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究•(2)基于模糊控制的算法•2005年，韩国的Byeong－MookChung等人通过FuzzyPID算法实现了多台高速开口机系统的张力的动态控制。Chung-ChunKung等人通过设计自适应模糊控制器实现收卷机系统的恒张力控制。无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究•(3)神经网络算法•1998年，Luo应用多层神经网络使速度环和张力环“隔离”，实现速度和张力的半独立控制。2005年，中国东南大学戴先中教授利用神经网络阶逆系统控制方法实现多电机同步系统中速度和张力的解耦控制。2006年，北京理工大学的Bo-qunLi等人通过对角回归神经网络实现了活套系统高度和张力的解耦控制；ZhangPin等人提出了模糊神经网络算法实现了两输入两输出系统的解耦控制。无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究•(4)其他的一些先进控制方法•2006年，智利的RodrigoCarrasco等人通过设计张力估计器实现了两滚筒卷绕机的张力鲁棒控制；浙江工业大学的南余荣等人应用递推最小二乘法(RLS)在线辨识电机转速，实现了金属拉丝设备收卷机的恒张力控制；燕山大学的杨景明等人通过基于对角线矩阵解耦的时域解耦控制方法实现了带钢冷连轧机厚度和张力的解耦控制。无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究•（1）模糊控制策略•基于Profibus-DP现场总线的多电机模糊控制系统•在分析张力控制模型的基础上，结合模糊控制原理和一般的模糊控制器设计方法，在张力控制回路和速度控制回路分别设计了混合模糊PID控制器。为了最大限度的减小速度回路变化对系统张力的影响，在速度控制回路和张力控制回路之间设计了一个模糊逻辑补偿解耦器。本课题组多电机同步控制策略无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究本课题组多电机同步控制策略模糊+++----+++模糊+-模糊逻辑解耦补偿+电机与机械部分硬件*f**f12GG125GGG234GGG42345GGGGG12JJPIPI1u2u模糊张力控制系统的系统控制原理图无忧PPT整理发布三、多电机同步解耦策略研究•（2）神经网络解耦控制策略•A、基于S7-300多电机神经网络控制系统的研究本课题组多电机同步控制策略依据同步系统的结构特点和控制要求，结合人工神经网络的非线性映射、自适应、自学习等能力，提出了一种新的基于神经网络的两电机同步系统控制方案，其中神经网络控制器由基于RBF网络整定的自适应PID控制器和神经元解耦补偿器两部分组成。两个自适应PID控制器分别对速度控制回路和张力控制回路进行自适应控制，使系统具有更强的适应能力、更好的实时性和鲁棒性；神经元解耦补偿器综合两控制回路的耦合作用，通过训练网络权值，补偿各回路之间的耦合影响，实现速度