舞台机械台面子系统的安全性关键技术研究

摘要

随着科学技术的进步，现代舞台机械系统功能日益强大，其控制系统也变得越来越复杂，这些都对安全性提出了更高的要求。舞台机械的运动直接关系到人员和设备的安全，因此，安全性问题永远是舞台技术的核心问题。实际舞台系统中，除了常规的限位、连锁与急停保护等安全措施外，同步控制的精准性与鲁棒性也是影响舞台系统安全性的关键因素之一。此外，如何将故障诊断与容错控制技术应用于舞台控制系统，无疑对保证系统的开机率和安全性有突破性的意义。
　　基于以上考虑，本文结合我国“PLC+矢量变频器+交流电机”控制模式，重点以舞台机械台面子系统为研究内容，开发了上位监控软件和PLC控制程序，并实现了上位机与PLC的OPC通信;对升降舞台提出了一种基于干扰观测器的多电机同步控制方法;采用数据驱动技术对编码器故障进行诊断并实现了软闭环容错控制，主要工作包括:
　　1)舞台机械控制系统软件设计
　　针对控制需求，采用Visual Basic6.0开发了上位监控软件的部分模块，并实现上位机与PLC的OPC通信，采用西门子Step7 V5.4软件以梯形图编程方式编写PLC控制程序，在上位软件和下位控制程序中设置完善的连锁保护、限位保护、报警提示等安全措施。
　　2)升降舞台系统基于干扰观测器的多电机同步控制方法的研究
　　针对舞台系统存在的内部参数变化与外部扰动的不确定性，将干扰观测器与位置输出耦合控制结合，提出了一种新的多电机同步控制方法。实际运行时，由于干扰观测器对系统内外不确定性的及时准确估计和补偿，实现速度高精度同步控制，同时位置输出均值耦合算法进一步减小了位置同步误差。仿真结果表明此方法不仅具有较高的同步精度，而且具有良好的鲁棒性。
　　3)基于数据驱动的编码器故障诊断与软闭环容错控制
　　针对舞台机械控制系统中编码器故障，将最小二乘支持向量机(LS-SVM)与序贯概率比检验(SPRT)结合，提出了一种数据驱动的编码器故障检测方法。该方法基于历史数据建立系统的LS-SVM预测模型，并以模型预测值与实际编码器输出产生残差，采用SPRT算法进行故障检测。当编码器发生故障时，通过设计的容错切换机制，用模型预测输出替换故障编码器的输出信号反馈至控制器，从而以软闭环的方式实现对编码器故障的容错控制。仿真结果表明此方法能够可靠的诊断出编码器故障，并及时切换到软闭环实现容错控制，提高了系统的安全性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文背景课题描述

1．1．1 课题来源

1．1．2 论文研究工作的意义

1．2 舞台机械控制系统安全性相关技术国内外研究现状

1．2．1 舞台机械控制技术国内外研究现状

1．2．2 舞台机械控制系统中多电机同步控制

1．2．3 舞台机械控制系统中编码器的故障诊断与容错控制

1．2．4 舞台机械控制系统安全性相关技术的发展趋势

1．3 论文主要研究内容及结构安排

1．4 本章小结

第2章 舞台机械控制系统体系结构及安全需求分析

2．1 现代舞台机械控制系统的构成及特点

2．2 课题所设计的舞台机械控制系统简介

2．2．1 舞台机械设备简介

2．2．2 舞台机械控制系统体系结构

2．3 舞台机械控制系统软件设计

2．3．1 上位监控软件设计

2．3．2 下位PLC控制程序设计

2．4 舞台机械控制系统安全需求分析

2．5 本章小结

第3章 升降舞台系统中多电机同步控制方法研究

3．1 升降舞台不同步成因分析

3．2 升降舞台系统中常用的多电机同步控制方法概述

3．2．1 主从式同步控制

3．2．2 输出耦合式同步控制

3．3 基于干扰观测器的升降舞台同步控制研究

3．3．1 干扰观测器原理简介

3．3．2 基于干扰观测器的同步方案构建

3．3．3 工作原理及评价函数

3．4 仿真研究

3．4．1 仿真实验设计

3．4．2 仿真结果分析

3．5 工程应用的初步构思

3．5．1 实际系统背景介绍

3．5．2 工程应用的初步构想

3．6 本章小结

第4章 编码器的故障诊断与软闭环容错控制

4．1 基于数据驱动的故障诊断技术简介

4．2 容错控制方法概述

4．3 基于数据驱动的LS-SVM编码器故障诊断与软闭环容错控制

4．3．1 基于LS-SVM的编码器故障诊断与软闭环容错控制方案

4．3．2 工作原理

4．3．3 基于LS-SVM的建模

4．3．4 基于SPRT的故障检测

4．3．5 编码器故障的软闭环容错控制

4．4 仿真研究

4．4．1 基于历史数据的LS-SVM建模

4．4．2 仿真结果与分析

4．5 编码器故障诊断与软闭环容错控制工程实现的初步构想

4．6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文和科研成果