浅析多机驱动振动系统控制同步与复合同步

刘云山

（辽宁轨道交通职业学院，辽宁 沈阳 110023）

振动电机因其功率有限，在振动机械中往往要安装两台或多台振动电机作为激振器，振动电机间需要同步运转使得振动机械的工作效能达到理想状态。国内外科技工作者依靠振动系统中电机间的耦合，设计出振动同步机械，创造出一定的经济效益和社会效益。近几十年来，将控制方法引入到振动机械系统中，发展出振动系统控制同步与复合同步理论，解决了振动同步理论不能解决的工程实际问题[1]。

1 国内外研究现概况

1.1 控制同步研究

控制机械系统同步是新兴的一门跨学科综合性科学技术，这门技术有机结合了机械技术、电力电子技术和信息技术。其发展与别的相关技术发展也有密切的联系，控制同步的主要对象是电动机（在液压系统中是油缸和活塞），主要控制参数是位移、速度和相位。目前控制参数除转速、相位等参数外，还包括作用力和变形等其他参数。

控制同步理论主要包括两部分内容：对振动系统的控制策略和对电机的控制方法。

现在应用较多的为主从式控制策略和虚拟主轴控制策略。主从式控制策略开始进入科研工作者的视角。主从式控制策略将一台电机设定为主电机，把其他电机都设定为从电机，这样从电机的转速受控于主电机，进而实现从电机与主电机的转速同步。主从式控制策略的一个缺点是，当从电机受到扰动时主电机不会有减小误差的响应，这样整个系统就不会达到同步运动。主从式控制策略的另一个缺点是，只适用于精度不高的应用。主从式控制策略非常显著的优点是，适合电机的多种控制情况，不会因电机数量的增加而使得系统的控制精度降低，并且结构简单容易实现。软件方式和硬件方式是主从式控制策略的两种实现方式。在软件方式上，用上述方法来实现主从式控制策略。在硬件方式上，不同的是每一级都是追踪上一级电机。这种改进后的主从式非常适合电机的控制策略[2]。虚拟主轴控制策略可以避免从电机的扰动无法反馈给主电机的缺点，这种控制策略最早由Lorenz 提出。该控制策略是建立在主从式控制策略的基础上，将从电机轴的反馈信号输入到主电机轴的输入里，这样就实现了主从电机轴间的耦合。虚拟主轴控制策略是一种没有实际主轴存在的控制策略，这种控制策略只是向其他从电机轴发送转速信号的输入，这样其他从动轴可以按照虚拟的主轴的转速进行同步运动，这样可以消除主从轴间的同步误差，但从电机轴受到扰动后，这些从电机的轴之间不能相互耦合来减小误差[3]。

对电机的控制方法和对振动系统的控制策略一样，会很大程度上影响系统的工作性能。模糊智能算法目前虽然在电机控制中应用得很好，但是因为人们对其研究不够深入，目前只是有一定程度的应用。模糊PID 作为一种经典控制算法可以依靠其不需要准确的数学模型，非常适用于复杂的欠驱动系统。该控制器的模糊推理规则基于预先设定的规则表，不需要复杂的算法，因此控制器的运算速度比较快，能够适应系统的要求，采用转速误差e 和转速误差变化率ec 的双重反馈补偿，来尽快减小同步误差。但对其研究不够深入，依然不能很好地应用于大型复杂系统工程实际中。神经网络控制算法属于智能控制的一种，其原理是使神经元按照拓扑结构来进行自我学习和调整的。此方法虽然不能表达出准确的显性表达式，但对于非线性函数却具有较强的逼近能力，适用于对任意复杂对象，尤其是单输入多输出以及多输入多输出的控制系统[4]。

Tomizuka 等[5]将自适应前馈控制理论应用到同步运动中。Miklos 等[6]使用了自适应滑膜控制算法研究了多台感应电机的速度跟踪与同步。Kong 等[7]研究了两个不同感应电动机的同步控制：采用了主从电机控制策略并用PI 法和自适应滑膜来控制速度，并将相位跟踪方法引入到相位同步中。

1.2 复合同步研究

对多机的控制同步，由于同步控制器较多，会降低振动系统的可靠性，并且增大了设备的投入成本。这就要求以振动同步为主、控制同步为辅的方式来达到工程中实际应用的目的。这就是闻邦椿院士提出的复合同步理论。利用振动同步运动的动力学特性，通过对最少数目的电机进行控制来实现最好的控制效果，进而实现多机驱动振动系统的复合同步运动[1]。该种复合同步，在达到控制同步后的电机组与其他电机通过振动系统的耦合达到振动同步时，电机间的相位差要小于90°，才能使得该种复合振动同步有工程意义。ZHANG 等[8]将振动同步与强制同步相结合实现同步运动，从而开辟出另一种复合同步形式。后一种复合同步形式可以将两对激振器的激振力正叠加，实现了系统在垂直方向上的线性运动，这正是工程上期望得到的。

陈晓哲[9]设计了以滑膜算法为控制策略的主电机速度控制器和从电机相位控制器实现电机间的灵活控制同步，再与另外电机实现振动同步，从而实现多台直流电机驱动振动系统的复合同步。孔祥希[10]研究了远共振三机驱动振动系统的复合同步问题。将振动同步理论与控制同步理论相结合，基于小参数平均法，提出了一种研究三机驱动振动系统复合同步运动的方法，进行了仿真分析与实验验证，并对电机和振动系统相关参数对复合同步的影响进行了分析。刘树英等[11]在分析物料破碎过程和物料层的滞回特性的基础上，给出了有间隙物料层滞回力模型，建立了复合同步振动圆锥破碎机振动系统的力学模型和考虑物料作用的非线性运动方程。

2 存在的问题与展望

现存多机驱动振动系统控制同步与复合同步研究存在的问题是：由于在当下国内乃至世界范围内对多机驱动振动系统的控制同步与复合同步理论的研究还不够成熟，真正将该理论应用到生产实践中还差“最后一公里”。

今后多机驱动振动系统控制同步与复合同步研究的发展方向应该是：寻找新的控制理论应用到多机驱动振动系统控制同步与复合同步研究中，如深度学习、机器学习等。再在复合同步研究中对其中的振动同步理论进行深入研究，做到控制同步电机与振动同步电机运转相位差尽可能接近零的理想工作状态。

对不能实现任意速度比的振动同步机械系统，进一步研究能实现任意速度比的控制同步进行深入研究。在振动同步的基础上，对于双质体的多机驱动倍频和同频控制同步理论还需要进一步研究。在对强制同步与振动同步的复合同步和控制同步与振动同步的复合同步各自进行研究的基础上，对于强制同步、控制同步和振动同步三种同步形式的复合同步运动可以进一步开展研究。

3 结 语

本文分析了国内外多机驱动振动系统控制同步理论中的振动系统的控制策略，分析探讨了电机控制方法的发展历程和成果。对复合同步两种研究形式进行了较为详细的介绍。并对多机驱动振动系统控制同步和复合同步存在的问题进行了分析，指出要应用到工程实际中，还需寻找适合的控制理论，并对振动同步理论进行深入研究。