1、6基于模糊 PID 控制的多电机控制系统研究与 BP 神经网络摘要本文总结了多电机同步控制技术发展的控制系统。 提出了基于 monomaster OFIBUS-DP 网络的多电机同步控制系统的模型结构，其中从站是智能的，包括 PLC，转换器和发动机。 采用 MS 的通信模式。 主站及其从站的控制任务是描述。 最后，对于转换器采用输出频率的短步控制方法电机启动和停止的过程，以减少一些设备因素的不良影响。 这是趋势开发为多台电机的同步控制，结合现场总线技术电机驱动控制技术。 本文的分析结果可以为其提供有效控制同类设备的参考。它对实际应用是非常有价值的。关键词：多电机控制，Bp 神经网络，模糊 PI
2、D1. 引言随着电驱动系统的发展，多电机系统的同步运行控制已经在许多工业领域中广泛使用。为了提高性能动态和静态，满足同步运行到多电机的精确控制要求，系统对多台电机同步控制越来越重要。对多个电机系统的成功同步控制技术必须包括两者速度的控制和扭矩的控制。研究结果可用于军事，航空，和通常的工业技术。它可以为这些提供协调控制技术同轴控制系统，这也需要同步驱动多个电机。实时数据通信对于多个的同步控制是必要的电机。为了满足该要求，通常使用复杂信号线测量每个电机的速度和电流，或者传送各种控制命令到设备。基于集中控制的传统通信技术存在许多问题这使得可靠性下降和经济成本增加。这是因为大量的布线，电路复杂性，噪声
3、和维护问题等。为了解决这些问题，简单的同步控制系统借助 PROFIBUS-DP 现场总线通讯模式在本文中提出。 PROFIBUS 现场总线在许多自动化系统中广泛使用，例如制造业和过程工厂。它是实现网络的一种成熟技术从现场到车间的分布式控制系统的控制，或进一步实现设备的长距离控制。在这种情况下，一些昂贵的特殊布线不是必要的。此外，可以经由网络节点修改系统而不改变接线。多电机系统的关键技术是精确的同步控制速度和扭矩。为了实现这个目标，应该采用一些智能控制算法。根据多电机同步控制的特点，对 BP 神经网络进行算术运算被选择来处理智能分配到电机的速度。2. 多电机系统同步控制的发展在多个电动机的同步驱
4、动系统中，通常采用非交叉双轴的控制算法。但是通过这种方式在动态条件中存在一些缺点。这是因为每个电机的动态性能不同。和动态性能电机连续变化。这是由于来自负载和噪声的一些干扰因素的影响。非交叉双轴的控制算法没有对其他电机的预测。这个特性决定了非交联双轴的控制策略不能满足需求高精度多电机驱动系统。针对这个问题，BP 神经网络控制算法被确认采用。电驱动系统通过应用现场总线控制技术变得外在多电机系统。控制技术可以方便地移植到另一个驱动中系统。这种网络模式可以使成本降低和系统性能更好可靠。它已成为多个电机同步控制的发展趋势将现场总线网络技术与电机驱动控制技术相结合。3. 基于 Profibus网络的多电机
5、控制系统的结构PROFIBUS 是一种由 SIEMENS 开发的开放式现场总线协议。它符合 IEC61158 国际标准和 EN50170 欧洲标准1。它包括三个兼容的部分：PROFIBUS-DP，ROFIBUS-PA 和PROFIBUS-FMS。 PROFIBUS-DP（分布式外设）一种高速数据通信，适用于控制设备之间的通信在自动化控制中具有分布式 I / O 的单元。其数据传输速率可达 12Mbit / s。PROFIBUS7网络的典型结构包括单主站 DP 系统和多主站 DP 系统。通常，主机之间的数据传输采用令牌传递模式。女士（主从）轮询模式用于主站及其从站之间的数据交换。当基于PROFI
6、BUS-DP 网络建立多电机同步控制系统时，系统的最简单的结构是单主机 DP 系统。一般来说，MS 通信模式。根据 MS 通信原理，主站轮询其从站进行交换数据。虽然控制系统由于它们对任务的不同请求而变化，两种通常采用网络结构。它们描述如下。网络系统的第一种结构如图 1 所示。它是一个单主控 DP 系统。的主站由 PLC 和 PC 组成。从站由总线接口模块，转换器和电机。其他 I / O 设备，例如传感器和开关，连接到主 PLC 的 PLC。 PC用于编辑和调试程序。否则，PC 用于监视和记录从设备反馈的实时数据。主人的任务是监测和控制远程的每个从机。此外，同步控制运算在主。基于 BP 神经网络
7、的同步算法将在第4 节中讨论。它用于智能分配每个电机的速度根据要求同步运行。通过总线接口模块，转换器连接到 Profibus 网络。作为 DP 从站的转换器从 DP 接收同步运行命令主机，并通过改变电机的输出频率来控制电机的速度。随着发展现场总线技术，多种转换器设计嵌入式现场总线接口 DP 电路或模块。结构如图 1 所示。 1 是可行和方便的，特别是对那些种类转换器具有嵌入式 DP 接口电路。在这种情况下，转换器从 DP 网络接收数据通过其通信控制模式。图 1 基于 PROFIBUS-DP 的多电机控制系统的结构（带总线接口模块）结构如图 1 所示。 这种结构是方便的，但这种从属不能实现调整本
8、身到它的电机，因为它是不可编程的。 为了进一步提高控制性能对每个从机中的单个电机的速度，建议网络系统的结构如图 1 所示。 8图 2 基于 PROFIBUS-DP 的多电机控制系统的结构（带 PLC 智能从站）系统结构的区别如图 1 所示。 2。 1 是从机图。 2 由于 PLC 而智能化。换句话说，图 1 所示的从站， 2 是可编程，而从机如图 1 所示。 1 不是。网络的结构仍然是monomaster DP 系统。主机的主要任务与上面讨论的系统相同图。它可以远程监控每个智能从站，实现同步控制算术，并根据要求智能分配每个电机的速度同步运行。从站的 PLC与采用矢量控制的转换器连接模式，转换器
9、与电机连接。这种系统的主要优势结构如图 1所示。 2 是采用智能从站。因此，一些更好的控制算法，例如，将在下文中讨论的自适应双模式模糊 PID 算法第 4 节，可以通过从机中的 PLC 程序实现高精度调节控制单电机。PROFIBUS-DP 系统的控制任务包括以下几个部分：1）电机控制。它包括同步控制启动，停止，运行电机从 PLC 命令。电机的给定速度由 PLC 根据其结果分配 DP 主站中的同步算术。分别实现同步控制由转换器在从站根据实际技术参数的要求。2）系统的逻辑控制。系统的逻辑控制由 PLC 根据状态完成开关信息和设备的换能器的测量信息。信息 PROFIBUS-OP 基于模糊 PID 控
10、制和 BP 神经网络的多电机控制系统的研究将用于 PLC 程序的开关条件，以控制电机的运行，处理故障或改变系统的状态。3）技术参数的分配。主站的 PLC 属于 DPM1。 PC 或者触摸屏可用于 DPM2实现程序，诊断和设备管理。HMI（人机界面）在 DPM2 中设计。所有参数可以分配和通过它们显示。4.同步的控制策略基于 PROFIBUS-DP 的多电机控制系统的同步控制策略网络将从以下四个部分讨论。4.1 DP 主站中的 BP 神经网络控制多电机同步控制有两种帧模式。 一个是平等状态模式，另一种是主动/被动模式。 在等态模式下，每个电机在多个电机系统被认为是平等的。 但是动态性能有很多不同
11、这些电机。 它不兼容地使用等态模式。 在这种情况下，主动/被动控制模式。 主动/ 被动智能控制算法的配置控制模式如图 3 所示。9图 3 多电机控制系统的有源/无源控制模式的配置1 号电机被分配为有效电机，2 号电机被分配为无源电机。在里面驱动系统，首先确认主动电机的输入，并通过其建立其输出控制器和控制回路。否则，无源电机的输入取决于输出主动电机。换句话说，无源电机由有源电机控制。和被动电机应该跟随有源电机实现一种同步协作。这种主动/ 被动控制模式用于多电机系统，如图 1 所示。 2.使用其中之一适用于主动电机。其他电机用于无源电机。为了向每个电机智能地分配速度以保持它们的同步运行，BP 神经
12、网络控制器设置在主站7。瞄准一组电机，主动电机和其中一个被动电机，一些内在的功能关系可以从实际数据中找到测量和设备的技术参数。这些数据包括有效电机的速度，电流（转矩） ，每个电机的旋转半径，张力等。速度和电流（转矩）有源电动机可以用于控制器的输入，并且无源电动机的给定速度可以通过 BP 神经运算引出。以同样的方式，给定速度的其他被动电动机是理智分配的。在设置 BP 神经网络控制器之前，层的数量和神经细胞的数量每层必须首先确认。目标主动/被动电机控制模式，拟合功能的双输入和单输出。因此输出层中神经细胞的数量可以确认一个。只选择一个 BP 神经网络控制器的隐藏层数因为两个原因。第一，在主动/被动模
13、式下，每个电机的速度必须保持高精度同步。所以对实时性的要求很高。接下来，当 BP 神经网络控制器分配每个电机的速度值时，它需要快速跟随来自换能器的测量数据的变化趋势。通过比较，确定是否有五个神经细胞在隐藏层，实际收集的数据可以很快跟踪。的 BP 神经网络控制器的结构如图 4 所示。图 4 BP 神经网络控制器的结构10当有效电机的速度或扭矩的输入值改变时，速度的输出值的每个无源电机将自动跟随。顺便说一下，给定速度的每个值电机在一定范围内智能分配。 换句话说，所有的被动电机都保持它们跟随有源电机的速度的高速同步变化。4.2 智能从站中的模糊 PID 控制根据图 1 所示的系统结构。 2，可以设置
14、自调整控制运算智能从站获得更好的同步控制性能。一个好的多电机系统的同步控制性能包括两部分。第一，动态轨迹性能高。接下来，有较小的静态错误。前者是放心的在 DP 主站中设置 BP 神经网络控制器。后者可以在智能从站。单电机的有效和精确控制是实现的前提条件高精度同步控制整个多电机系统。有很多干扰因素在行业现场影响电机的可靠运行。为了完美的效果控制，自适应双模糊模糊 PID 运算用于单电机。原则结构的自适应双模糊模糊 PID 控制器到被动电机的智能从站如图 5 所示。 图 5 模糊 PID 控制器的结构智能从站由 PLC，转换器和电机组成。它将实际速度反馈到 DP 主站，并嵌入自适应双模糊模糊 PI
15、D 算法来调整精确旋转单电机转速。自适应模糊 PID 控制器有两个输入。一个是 e，偏差给定速度与反馈速度。另一种是 de / dt，品种比的偏差速度。根据 e 和 de / dt，通过模糊推理，控制器的输出被调整。输出的模糊 PID 控制器是矢量转换器的输入。实际速度的测量信息的电机来自光电编码器的传感器。因为模糊控制算法需要处理矩阵的操作，所以很难直接完成通过 PLC 程序进行运算。可以采用离线计算模式来获得表的模糊控制。然后将模糊控制表存储在 PLC 的存储器中。通过搜索表，实现模糊控制的算法。4.3 通过 PROFIBUS 网络的同步传输在一般情况下，DP 主站轮流轮询它们的从站，并将
16、数据写入到的输出模块 DP 从站定期地从站或从从站读取数据。 DP 主站与其之间的数据交换从站可以通过 STEP 7 软件的系统功能完成。交换的数据包括控制命令，状态参数和来自换能器的测量数据。系统功能SFC15“DPWR-DAT”用于写入标准总线的序列数据。系统函数 SFC14“DPRD-DAT”用于读取标准总线的序列数据。为了实现基于 PROFIBUS-DP 网络的同步传输控制，系统功能SFC11“DPSYC-FR”可用于 PLC 的同步执行控制电机在 DP 从站。通过这种方式，DP 主站的11给定命令由有效电机响应和被动电机。这些控制命令包括启动，停止，同步调谐的电机。每个电机的速度或扭
17、矩（电流） ，由 BP 神经智能分配网络控制器，可以通过这种同步传输控制方式进行响应时间。系统功能 SFC11“DPSYC-FR”用于执行 SYNC 的控制命令（同步输出） ，UNSYNC（取消同步输出） ，FREEZE（冻结输入）和 UNFREEZE（解冻输入） 。 SYNC / FREEZE 命令由基本功能维持 PROFIBUS-DP 的 DP-V0。当 DP 主站向一组发送 SYNC 或 FREEZE命令时从站在同一时间，它可以使从组实现同步输出或同步冻结它们的输入。在使用系统功能 SFC11 之前，DP 从站必须通过 STEP7 硬件配置组态为一组 SYNC / FREEZE。一些信息
18、必须确保 DP 从站将被配置。它包括分区的从机的相关组，组的编号，组的响应 SYNC / FREEZE 命令。当系统功能 SFC11 用于发送 SYNC 系统控制命令时，一组 DP 所选择的从站可以切换到同步模式。在这种情况下，DP 主站发送电流输出控制数据给从机组，并使它们冻结其输出。组选择从器件将这些输出数据保存在其内部缓冲器中，并保持输出状态不变。的一组从站只有在发送更新的输出数据到 PLC 的输出模块时才允许执行 SYNC 命令。通过这种方式，SYNC / FREEZE 组的输出数据可以在同一时间激活。当系统功能 SFC11 用于发送FREEZE 系统控制时命令，所选的 DP 从站组将
19、取消 SYNC 模式，并返回轮询状态定期传输数据。在轮询传送状态时，来自 DP 主站的数据可立即发送到从站的输出模块。4.4 转换器的短步控制模式在多电机系统中，各种转换器的性能不同。和负载每个电机也不同。虽然同步执行控制的给定值可以由 SYNC / FREEZE 系统功能控制模式所做的上述，还有一些问题依然存在在电机启动和停止的过程中。在电机启动和停止的过程中，同步控制不能完全依赖于相同的时间分配给每个转换器。时间的参数包括速度的上升时间电机将要启动，以及电机停止时的速度下降时间。针对这个问题，在电机启动和停止期间可采用短步法。频率的值在短时间内增加或减少以满足同步的需求。当电机锣时启动时，
20、电机的转换器在短时间内增加输出电压的频率对应到其速度比。同时，通过增加速度实现同步启动的过程的每个从站的电机具有相同的步数，并使用短步进模式。当电机是停止，可以采用相同的控制方法。5.结论基于 PROFIBUS 的多电机系统的同步控制控制策略现场总线从上面四个部分详细讨论。1）多电机系统中的电机分为两种类型：主动电机和被动电机。 BP 神经网络控制器在 DP 主站中设置。通过这个算术，从动中的无源电动机的速度根据有效电动机的速度智能地分配。的控制器是根据实际要求设计的电机的机械技术，以及措施来自传感器的信息，包括转速，扭矩（电流）等。2）为了实现对单电机速度的高精度控制，采用自适应双模式 PL
21、C 智能从站采用模糊PID 算法。根据 e（速度的偏差）和 de / dt（偏差的品种比） ，通过模糊推理，调节控制器的输出。通过这种方式，减少了系统的静态误差。3）为了通过 DP 网络实现同步传输，硬件配置应该可通过 STEP7 软件设置 SYNC / FREEZE 从站组。系统功能 PLC，SFC 11“DPSYC-FR”，用于控制与电机的同步输出 SYNC / FREEZE 组的从站。4）通过短步控制模式提高或降低转换器的输出频率启动或停止，对同步运行的一些不良影响将减少。原因产生这些影响是因为每个转换器的性能不同，以及负载耐受每个电机也不同。上述控制策略可以从多个部分提高多电机控制系统
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