三电机同步协调控制自抗扰控制器设计和远程监控

摘要

随着全球经济的不断发展、工业自动化水平的不断提高，我国作为制造生产业大国，在多电机同步协调运动控制的问题上对控制器性能有了新的要求。比如控制器的鲁棒性、解耦性等。本文的研究对象是三电机同步协调运动系统，该系统是一个多变量、非线性、时变、耦合系统。在本文中，将自抗扰技术应用到其中，分别设计了速度一阶自抗扰控制器和张力二阶自抗扰控制器，用来控制三电机同步协调运动系统中的电机转速以及两两电机之间的张力，并设计了远程监控。
　　 在本文中，首先分析了三电机同步协调运动系统，给出了三电机同步协调运动系统的数学模型，从而得出了电机转速与电机间张力的关系，为确定采用主从控制策略提供了基础。接着，在分析经典PID控制技术的优缺点后，介绍了韩京清研究员所提出的自抗扰控制技术，并将该技术运用到三电机同步协调运动控制中去，设计出了速度一阶自抗扰控制器和张力二阶自抗扰控制器。自抗扰控制器主要由跟踪微分器、扩张状态观测器以及非线性状态误差反馈组成。自抗扰控制器的主要思想就是无需系统精确的数学模型，能将内扰外扰统一视为总扰动加以观察和补偿，而该工作主要是由扩张状态观测器来完成，所以说扩张状态观测器是自抗扰控制器的技术核心。自抗扰控制器同时也采用了经典PID的主要思想:“以误差来消除误差”。由于在现代工业中，绝大多数控制使用的是PID控制器，所以使用自抗扰控制器改造如今的工业现场无需改变外部硬件或采样参数，可以直接替代PID控制器。同时，自抗扰控制器也克服了现代控制理论依赖于数学模型的缺点。
　　 本文以西门子S7-300PLC为控制中心，在STEP7中完成了自抗扰算法，并使用PROFIBUS、MPI、Internet等通讯方式实现下位机通信、上位机监控以及多端口远程监控。PLC程序采用了结构化编程的思想，上位机监控使用WinCC软件来完成，远程监控使用WebNavigator组件完成。
　　 本文分别针对速度一阶自抗扰控制器以及张力二阶自抗扰控制器设计了跟踪实验、解耦实验、以及负载实验。将实验结果与传统PID控制器的实验结果做对比，结果表明自抗扰控制器较传统的PID控制器具有更好的稳定性、快速性、准确性，具有更强的解耦能力、抗负载扰动能力。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究目的和意义

1．2 多电机同步协调控制技术概述

1．3 自抗扰控制技术概述

1．3．1 自抗扰控制技术的提出

1．3．2 自抗扰控制技术的应用

1．4 PLC及其通讯现场总线概述

1．4．1 PLC的发展

1．4．2 现场总线概述

1．5 本文内容安排

第二章 自抗扰控制技术的理论基础

2．1 自抗扰控制技术的诞生

2．1．1 对经典PID调节器的剖析

2．1．2 过渡过程

2．2 自抗扰控制器的组成

2．2．1 跟踪微分器

2．2．2 扩张状态观测器

2．2．3 非线性状态误差反馈

2．2 自抗扰控制器

2．3．1 一阶自抗扰控制器

2．3．2 二阶自抗扰控制器

2．4 本章小结

第三章 三电机同步协调控制系统的设计

3．1 三电机同步控制系统分析

3．2 三电机同步协调控制系统控制策略

3．3 速度自抗扰控制器设计

3．3．1 速度一阶自抗扰控制器的设计

3．3．2 速度一阶自抗扰控制器的优化

3．4 张力自抗扰控制器设计

3．4．1 张力二阶自抗扰控制器的设计

3．4．2 张力二阶自抗扰控制器的参数整定

3．5 本章小结

第四章 三电机同步协调控制系统的实现

4．1 三电机同步协调控制系统实验平台构造

4．2 三电机同步协调控制系统的通讯实现

4．2．1 PROFIBUS通讯

4．2．2 MPI通讯

4．2．3 基于以太网多端监控的实现

4．3 PLC程序设计与实现

4．3．1 硬件组态

4．3．2 程序设计

4．4 WinCC程序设计与实现

4．5 本章小结

第五章 三电机同步协调控制的实验与分析

5．1 速度一阶自抗扰控制器性能分析

5．1．1 速度一阶自抗扰控制器速度跟踪性能分析

5．1．2 速度一阶自抗扰控制器解耦性能分析

5．1．3 速度一阶自抗扰控制器速度负载性能分析

5．2 张力二阶自抗扰控制器性能分析

5．2．1 张力二阶自抗扰控制器张力稳定性能分析

5．2．2 张力二阶自抗扰控制器解耦性能分析

5．2．3 张力二阶自抗扰控制器负载解耦性能分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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