Research and Design of Coordinated Control Strategy for Smart Electromechanical Actuator System

In order to improve the frequency response and anti-interference characteristics of the smart electromechanical actuator(EMA)system,and aiming at the force fighting problem when multiple actuators work synchronously,a multi input multi output(MIMO)position difference cross coupling control coordinated strategy based on double‑closed-loop load feedforward control is proposed and designed.In this strategy,the singular value method of return difference matrix is used to design the parameter range that meets the requirements of system stability margin,and the sensitivity function and the H_(∞)norm theory are used to design and determine the optimal solution in the obtained parameter stability region,so that the multi actuator system has excellent synchronization,stability and anti-interference.At the same time,the mathematical model of the integrated smart EMA system is established.According to the requirements of point-to-point control,the controller of double-loop control and load feedforward compensation is determined and designed to improve the frequency response and anti-interference ability of single actuator.Finally,the 270 V high-voltage smart EMA system experimental platform is built,and the frequency response,load feedforward compensation and coordinated control experiments are carried out to verify the correctness of the position difference cross coupling control strategy and the rationality of the parameter design,so that the system can reach the servo control indexes of bandwidth 6 Hz,the maximum output force 20000 N and the synchronization error≤0.1 mm,which effectively solves the problem of force fighting.

城轨列车虚拟联挂高效协同控制策略研究

城市轨道交通(简称“城轨”)列车虚拟联挂是轨道交通领域的研究前沿,其目标是提升既有线上列车的运行效率,而其运行效率的提升主要体现在起车和停车阶段。为提升城轨列车虚拟联挂编组列车在起车和停车阶段的编组运行效率,文章提出一种虚拟联挂高效协同控制策略。其首先构建城轨列车编组内列车之间的相对制动模型,得到编组内列车之间的相对制动距离;接着,在协同控制层构建高效起车、停车目标函数,设计优化控制器,在约束下对目标函数进行求解,得到起车和停车阶段领航车和跟随车的关键决策信息;然后,研究操纵序列规划技术,分别得到领航车和跟随车的可执行操纵序列;最后,设计线性二次调节器(LQR)算法,对操纵序列进行精准跟随控制,得到执行指令。仿真结果表明,采用该虚拟联挂控制系统,城轨列车编组可在0~60 km/h车速范围内实现领航车和跟随车的停车时间间隔最小为1.6 s,有效提升了城轨列车编组在起车和停车阶段的运行效率。

直角坐标机器人轮廓误差补偿算法设计

为提高直角坐标机器人控制精度,结合迭代学习控制和交叉耦合控制设计了一种轮廓误差补偿算法。在单轴数学模型的基础上,搭建了直角坐标机器人轮廓误差模型。根据不同控制方法的特点,结合反馈控制、单轴迭代学习控制、双轴交叉耦合控制和轮廓误差迭代学习控制设计了一种控制器。直角坐标机器人的控制系统以ARM和FPGA为核心,其中,ARM主要用于传感器信号采集、上位机通信、故障检测和机器人运动轨迹规划等;FPGA则可实现伺服电机的控制。实验结果表明:轮廓误差平均值、最大值和标准偏差均大幅降低;迭代学习交叉耦合控制能够大幅降低轮廓误差,有效提高直角坐标机器人运动精度。

考虑断面耦合控制的特高压复杂大电网最大供电能力优化方法

最大供电能力计算是特高压复杂大电网优化运行的重要问题,随着高比例可再生能源大量接入电网,电力电量平衡问题愈发突出。计及考虑稳定旋备约束、耦合断面约束、机组调节能力约束后,最大供电能力计算问题呈现高维特征,难以对其建模及求解。对此,首先根据传输断面限制和特高压复杂大电网分区运行的特点,搭建了考虑断面耦合控制的特高压复杂大电网最大供电能力优化调度模型,然后分别应用单纯形法(SM)、内点法(IP)、模拟退化算法(SA)、白鲸优化算法(BWO)和蜂群算法(ABC)求解模型,计算大电网在日内未来15 min最大供电能力,并提出各类型电源和备用的协调优化方案。最后以某省网为例进行模型及求解方法验证。仿真结果显示,因为电力系统规模庞大和断面间耦合关系复杂,启发式智能优化算法存在运行时间较长、收敛速度较慢、搜索精度不高的问题,而内点法收敛迅速、鲁棒性强、对初值的选择不敏感,具有更好的稳定性和计算效率,可为复杂特高压电网电力保供和电力平衡提供有效实用支撑。

基于交叉耦合控制的双电机同步控制系统研究

为了提高控制精度,对双电机位置同步性能进行了研究。建立了基于虚拟主轴的双电机位置同步控制系统模型。推导了双电机位置误差传递函数数学模型,并分析了典型输入情况下的位置同步误差。设计了交叉耦合控制器,实现双电机同步位置误差的检测与补偿修正。利用MATLAB对双电机位置同步的典型输入进行仿真,并构建了同步控制实验系统。仿真和实验结果表明,基于交叉耦合控制方式的双电机位置同步控制系统具有良好的抗扰动性能,在阶跃、斜波等典型输入情况下,位置同步控制精度至少可提高10倍。

多电机协调控制的发展

多电机的协调控制在国外已有长足的发展。本文概述近几十年来国内外针对多电机协调控制的各种策略，并分析了这些策略的优缺点，作者在文章最后还就今后的研究方向提出了一点设想。

多轴协调运动中的交叉耦合控制

直接把轮廓误差作为控制的目标,在多轴运动的各轴之间引入耦合因素,通过各轴间的协调来提高轮廓精度,而不仅仅通过单轴解藕控制改善各轴的位置跟踪精度。就多轴协调运动中的各种交叉耦合控制器的设计,从控制的角度进行了全面的分析与综合,提出了有待解决的若干问题,对未来的发展方向进行了展望。

多轴联动的风洞变角度机构同步协调控制

为解决风洞尾撑变角度机构运动过程中多轴之间的同步协调控制问题,本文提出了一种结合并行控制和交叉耦合控制的同步控制方法.首先,将并行控制应用于多轴联动控制中,根据前后侧滑轴定位时间一致以及速度变化时间一致的原则,开展了提高多轴同步性能的研究.然后,采用了基于同步误差传递函数的交叉耦合控制方法,对并行控制给定的运动参数进行修正补偿.最后,通过机构运动进行了实验验证,实验结果表明该控制方法可有效减小横向同步误差,提高同步性能,满足风洞试验控制要求.该方法也为类似机构的同步控制提供了参考.

雷达伺服变增益交叉耦合协调控制研究

针对常见的双轴跟踪雷达伺服跟踪精度以及协调控制问题,为提高系统控制精度和协调性能,提出一种变增益交叉耦合协调控制模式。通过对双轴雷达伺服系统建立数学模型,在分析俯仰和水平伺服电机跟踪误差对整个雷达伺服系统精度的影响的基础上,将系统跟踪误差推广到任意运动轮廓曲线的情况,采用变增益交叉耦合控制算法对雷达伺服系统进行协调控制。经仿真验证,该方法能提高系统跟踪精度,减小系统误差。

新的基于运动控制总线的双轴协调控制方法

减小轮廓误差是轮廓线跟踪应用中的一个重要问题.在高速加工中,除了使用高响应的单轴闭环控制方法以保证跟随误差外,还要使用协调控制方法使多轴合成的轮廓误差达到指定的要求.常见的协调控制方法如交叉耦合控制,由于自身的特点,位置环在上位置装置如CNC中实现,伺服中只实现简单的速度控制.这种控制方法加重了上位装置的计算负荷,限制伺服性能的发挥,同时没有充分利用当前主流的运动控制总线的优点.为此本文提出一种新的基于运动控制总线的双轴协调控制方法,利用运动控制总线,将单轴位置环控制下放到伺服中实现.这种结构能够减轻上位装置的计算负荷,充分发挥伺服的控制优势,不改变位置控制的稳定性.通过理论分析及实验结果,验证了这种方法的优点及可行性.本文提出的方法符合运动控制总线和伺服的技术发展趋势,为协调控制探索出一条新的途径.

液压挖掘机器人多关节协调控制研究

针对挖掘机器人位置伺服控制中,各关节伺服控制子系统相互独立,关节间速度无法匹配引起的轨迹轮廓误差问题,提出了一种基于交叉耦合路径预补偿算法的挖掘机器人多关节协调控制方法.以一台小型液压挖掘机为实验对象,实验结果表明该方法可以有效地提高斗齿尖轨迹的跟踪精度.

滚切剪电液伺服协同控制系统的设计

以中厚板液压滚切剪为研究对象,重点解决对两路电液伺服系统的相对位移协同的控制。阐述了液压滚切剪及其机械运动过程;介绍了控制系统HMI和S7-400(PLC)的选型,给出了图形化的液压滚切剪电液伺服协同控制系统;根据交叉耦合控制理论,采用基于模糊PID的双闭环控制结构实现两路电液伺服协同控制,将MATLAB环境下仿真得到的3个PID参数的查询表导入数据块;投产后上位HMI,执行AGC系统位移数据的采集、存储和计算等功能,并监控整个生产过程,该系统可提高生产效率和产品质量。

基于虚拟仿真开发平台的PHEV动态协调控制研究

针对一种双轴耦合四轮驱动插电式混合动力汽车,笔者利用虚拟仿真开发平台对其控制策略与整车性能进行研究。介绍了虚拟仿真开发平台的组成和功能,通过仿真数据与实车试验的对比分析与验证,保证了平台建模分析的有效性与准确性。利用能量流与杠杆分析法,进行目标系统的动力学特性分析,获得各驾驶模式下的扭矩、速度传递公式;依据目标系统构型,利用平台完成整车动力学系统的建模。开发各驱动模式下核心部件驱动策略及模式切换控制策略,提出一种基于效率最优的动态协调控制算法。研究结果表明:整车驱动策略具有有效性,通过分析双电机动态协调控制前后特性曲线发现,此算法实现了电机的优化控制,实现了4.26%的效率提升。

双永磁同步电动机的交叉耦合同步协调控制

该文分析了永磁同步电动机的数学模型,并在给出交叉耦合控制算法的基础上,设计了一个基于交叉耦合的双永磁同步电动机控制系统,将交叉耦合算法引入双电机同步控制,最后对系统进行了仿真。仿真结果表明,交叉耦合控制能有效地减小双永磁同步电动机同步协调控制的系统误差,验证了控制方案的正确性和可行性。

轮廓误差补偿算法研究

针对轨迹跟踪的轮廓误差补偿算法的缺陷,研究了交叉耦合控制算法、局部任务坐标系、全局任务坐标系等控制算法,进行了详细的理论计算与推导.以两轴联动装置作为研究载体,对这两种补偿算法在交叉耦合控制领域的应用进行了深入对比分析与探讨.基于Matlab/Simulink进行了计算机仿真,结果显示,在低速圆形轮廓跟踪下局部任务坐标系算法效果良好,而在高速和大曲率的椭圆轮廓轨迹跟踪下,全局任务坐标系算法比局部任务坐标系算法具有明显优势.

协调增益调度的重复使用助推器姿态控制设计

针对可重复使用助推飞行器在大攻角飞行过程中的耦合及干扰问题,提出了基于协调增益调度策略的姿态控制器设计方法。首先,忽略大攻角飞行时俯仰、偏航、滚转通道间潜在的耦合,建立了有别于小扰动线性化的各通道线性化模型,独立设计了各通道的增益调度控制器。然后,在单通道控制的基础上,说明了协调增益调度控制策略的思想。最后,设计了协调调度控制器用于消除通道间的交叉耦合。非线性实时仿真表明,该策略使攻角最大误差降低了1~2°,侧滑角跟踪精度提高了将近0.4°,满足可重复使用助推飞行器大攻角飞行时对系统性能指标的要求,同时控制策略的设计方法物理概念清晰,易于工程实现。

基于负载惯量匹配的双电机同步控制方法

在交流伺服系统运动控制领域,针对双电机同步精确控制时由于两轴负载惯量相差较大、额定运行速度快、到位精度要求高等控制难点,提出了简单且有效的同步控制方法,并在试验中进行了验证。该方法包括对同步控制方式的设计和误差补偿算法2个部分。首先,设计使用基于虚拟主轴的主从控制方式,可实现惯量匹配的同步指令输出;在此基础上,从负载特性入手,提出了基于加权耦合的误差补偿方法,能实现快速稳定的同步误差补偿。仿真与试验结果表明,该方法能够满足伺服运动系统的定位精度和同步控制精度要求,同时在一定程度上提升了系统的平稳性和补偿响应速度,工程实现效果较好。

多电机协同控制策略比较研究

多电机协同控制系统在印刷机、造纸机以及高速列车牵引等工业领域中都有着广泛的应用.首先,介绍了多电机协同控制的发展现状以及研究意义.其次,分别介绍了并行控制、主从控制、交叉耦合控制、虚拟主轴控制等多电机协同控制策略的结构,并在MATLAB/SIMULINK环境下对其进行仿真比较研究.根据不同控制策略的响应特点,总结最适合生产系统的控制方法.

多轴液压系统同步控制关键技术研究

针对半挠性璧喷管型面系统控制结构复杂,且其控制参数具有非线性和强耦合性,难以保证同步控制精度的问题。以阀控缸的压力流量方程为理论指导,推导了半挠性璧喷管型面伺服油缸的输出位移xp与滑阀阀芯开度xv传递函数,并以此提出改进型环形耦合同步控制算法。而后,以伺服油缸输出位移xp与滑阀阀芯开度xv传递函数为基础,将各伺服缸的输出位移及位移跟踪误差作为研究对象,在Matlab/Simulink中对改进型环形耦合控制算法与虚拟主轴控制算法进行对比仿真分析。分析结果表明相比于虚拟主轴控制算法,采用了改进型环形耦合控制算法的控制系统,各伺服缸活塞杆的输出位移曲线分布间距更加紧密,线型更加平滑且其输出位移更接近理想值,反应了改进型环形耦合控制算法能够有效的提高位移同步控制性能,对后续的型面同步控制器设计工作提供了充足的设计依据。

基于虚拟主轴的分数阶趋近律同步控制策略

针对机械臂各关节高精度同步控制问题,选取与传统趋近律不同的分数阶趋近律,采用交叉耦合控制结构,提出了一种基于方差虚拟主轴的分数阶趋近律同步控制策略,并对所提的控制策略进行了稳定性证明。以两关节机械臂为研究对象进行了仿真验证。仿真结果表明:所提的控制策略可以使机械臂系统的跟踪误差和同步误差均快速收敛,且具有更快的响应速度和较强的鲁棒性。