重载平板运输车多电机驱动神经元自适应PID矢量控制研究_硕士学位论文.pdf

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1、摘要大吨位矿山自卸车、重载平板运输车、电传动坦克装甲车等这些大型装备在国家经济、军事领域中起着越来越重要的作用。车辆传动系统的稳定性、同步性能等直接影响运输过程的安全性，加之能源的不断紧张，开发性能更好和符合节能减排的电传动系统逐渐成为研究的热点。本文从工程实际出发，以重载液压升降平板运输车行走驱动系统为研究对象，建立了电传动系统感应电机矢量控制系统模型，提出了基于单神经元自适应P I D 与偏差耦合相结合的控制方法并应用于多电机同步矢量控制。主要研究内容如下：1)分析了重载平板运输车电传动技术基本原理，建立了交流电机数学模型，研究了基于转子磁场定向的矢量控制算法，利用M a t l a b

2、S i m u l i n k 建立了感应电机矢量控制仿真模型，仿真研究了矢量控制系统运行状况。2)以三相感应电机矢量控制为研究对象，在速度控制环中采用单神经元自适应P I D 控制算法，设计了单神经元自适应P I D 控制器，分析了单神经元自适应P I D 控制系统的稳定性。仿真研究了单神经元自适应P I D 矢量控制。3)针对平板车的多电机驱动，建立了电传动系统基于偏差耦合的多电机同步矢量控制仿真模型，对同步控制系统进行了分析研究，利用L y a p u n o v 直接法分析了同步控制系统的稳定性。4)利用变频调速实验台分别对平板车采用传统P I D 和单神经元自适应P I D 控制的感

3、应电机矢量控制调速系统进行了实验研究。研究表明，单神经元自适应P I D 结合偏差耦合控制策略构成的多电机同步矢量控制系统能够较好地实现多电机的高精度和高可靠性同步控制。关键词：交流电传动；矢量控制；偏差耦合；同步控制；单神经元自适应P I DffA BS T R A C TL a r g e-s c a l ee q u i p m e n t ss u c ha sl a r g e t o n n a g em i n i n gd u m pt r u c k s，h e a v yp l a t ev e h i c l e s，e l e c t r i cd r i v et a

4、 n k sa n da r m o r e dv e h i c l e sa r ep l a y i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e si nt h ec o u n t r y Se c o n o m i ca n dm i l i t a r yf i e l d s T h es t a b i l i t ya n ds y n c h r o n i z a t i o no fv e h i c l et r a n s m i s s i o ns y s t e m sd i r e c t l ya

5、 f f e c tt h es a f e t yo ft h et r a n s p o r tp r o c e s s I nt h em e a n t i m e，e n e r g yc r i s i se x i s t s T h u s，e l e c t r i cd r i v i n gs y s t e m sh a v i n gb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dm e e t i n ge n e r g ys a v i n gh a v eg r a d u a l l yb e c o m ear e s e a

6、 r c hh o t s p o t I nv i e wo fp r a c t i c a lh e a v yp l a t eh y d r a u l i cl i f tt r u c kd r i v i n gs y s t e m s，av e c t o rc o n t r o li n d u c t i o nm o t o re l e c t r i cd r i v i n gs y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e da n das i n g l en e u r o na d a p t i v eP I Dc

7、 o u p l e dw i t ht h eb i a sc o n t r o lm e t h o da n dv e c t o rc o n t r o li sp r o p o s e df o rm u l t i-m o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r 0 1 T h em a i nc o n t e n t so f t h et h e s i sa r ea sf o l l o w s：1)T h eb a s i cp r i n c i p l e so fe l e c t r i cd r i v i n gs y

8、s t e m sf o rh e a v yp l a t et r u c k sa r ea n a l y z e d T h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fA Cm o t o r si se s t a b l i s h e d V e c t o rc o n t r o ls y s t e mm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o r si sb u i l tb yu s i n gM a t l a b s i m u l i n ka n dr o t o rm a g n e t i cf

9、i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n t r o la l g o r i t h mi ss t u d i e d 2)I nv i e wo ft h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o rv e c t o rc o n t r o l，aS i n g l eN e u r o nA d a p t i v eP I DC o n t r o lS y s t e mi sd e s i g n e df o rt h es p e e dc o n t r o ll o o p T h es t a

10、 b i l i t yo fS i n g l eN e u r o nA d a p t i v eP I DC o n t r o lS y s t e mi ss t u d i e d T h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mc o m b i n i n gw i t hs i n g l en e u r o na d a p t i v eP I Di Ss i m u l a t e da n ds t u d i e d 3)I nv i e wo fm u l t i-m o t o rd r i v i n gi nh e a v

11、 yp l a t et r u c k s，s y n c h r o u n o u sc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e db a s e do nm u l t i-m o t o rs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o la n dv e c t o rc o n t r 0 1 T h es t a b i l i t yo ft h es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y s e da n

12、ds t u d i e db a s e do nt h eL y a p u n o vd i r e c tm e t h o d 4)C o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lP I Da n dt h es i n g l en e u r o na d a p t i v eP I Do fi n d u c t i v em o t o rw i t hv e c t o rc o n t r o li sc o m p a r e db ye x p e r i m e n t sb a s e do n

13、aV V e x p e r i m e n t a ls y s t e m R e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a ts i n g l en e u r o na d a p t i v eP I Dc o m b i n i n gI I I目录摘要IA B S T R A C T I I目蜀乏I V第一章绪论11 1 引言11 1 1 课题来源。11 1 2 选题背景11 2 国内外平板车技术现状及发展趋势21 2 1 国外平板车技术现状21 2 2 国内平板车技术现状31 3 电传动控制技术现状及趋势51 3 1 电传动技术现状51 3 2

14、 驱动电机及其控制系统现状一61 3 3 多电机同步控制技术81 4 课题研究目的及意义91 5 本文研究方法及研究内容1 0第二章平板车电传动电机驱动系统建模与仿真1 12 1 引言1 12 21 0 0 吨重载平板运输车电传动技术原理1 l2 2 110 0 吨重载平板运输车电传动概述1 12 2 21 0 0 吨重载平板运输车电传动控制实现1 22 2 31 0 0 吨重载平板运输车变频调速供电系统实现1 32 2 41 0 0 吨重载平板运输车公共母线直流技术实现1 32 3 三相感应电机矢量控制原理1 42 3 1 三相感应电机特征及理想化假定142 3 2 矢量控制基本原理1 52

15、 4 感应电机矢量控制数学建模。1 52 4 1 矢量控制坐标变换1 62 4 2 三相感应电机数学模型162 4 3 基于转子磁场定向的变量解耦1 72 5 矢量控制系统建模1 92 5 1 转子磁场定向矢量控制方案1 9I V2 5 2 转子磁链模型2l2 5 3 电流比较脉冲产生器、全桥逆变电路2 22 6 基于S i m u l i n k 平台的矢量控制系统仿真分析2 32 6 1 矢量控制系统仿真模型2 32 6 1 矢量控制系统仿真分析2 42 7 本章小结2 6第三章单神经元自适应P I D 控制器设计与仿真2 73 1 引言。2 73 2P I D 控制器理论2 73 2 1

16、P I D 控制原理2 73 2 2 自适应控制2 83 3 单神经元自适应P I D 控制器设计2 93 3 1 单神经元模型2 93 3 2 单神经元的学习规则3 03 3 3 单神经元自适应P I D 控制学习方法3 03 3 4 改进的单神经元自适应P I D 控制学习规则3 13 4 单神经元自适应P I D 控制器稳定性分析3 23 5 单神经元自适应P I D 控制器仿真研究3 43 5 1 单神经元自适应P I D 控制系统建模3 43 5 2 单神经元自适应P I D 控制仿真研究3 43 6 本章小结3 7第四章电传动平板运输车同步控制研究3 84 1 引言3 84 2 平

17、板车同步控制策略研究3 84 2 1 平板车同步控制策略选择3 84 2 2 基于偏差耦合的多电机同步矢量控制策略研究4 14 3 平板车多电机同步控制仿真研究4 24 3 1 同步控制系统建模4 24 3 2 传统P I D 同步控制仿真4 34 3 3 单神经元自适应P I D 同步控制仿真4 74 4 多电机同步控制系统稳定性分析5 l4 5 本章小结5 5第五章感应电机矢量控制实验5 65 1 引言5 6V5 2 感应电机矢量控制系统硬件电路5 65 2 1 系统硬件平台。5 65 2 2 系统主回路5 75 2 3 系统控制电路5 95 2 4 电源电路5 95 3 感应电机矢量控制

18、系统软件实现：6 05 3 1 系统的软件编程与实现6 05 3 2 单神经元自适应P I D 控制编程实现6 25 4 感应电机矢量控制实验6 35 4 1 主要实验参数6 35 4 2 实验结果分析6 35 5 本章小结6 7第六章总结与展望6 8参考文献6 9致谢。7 4攻读硕士期间的主要研究成果7 5中南大学硕士学位论文第一章绪论1 1 引言第一章绪论1 1 1 课题来源本课题属于工程应用型课题，选题来源于长沙凯瑞重工机械有限公司与中南大学机电工程学院冶金机械研究所签订的产学研合作项目“1 0 0 T 液压升降平板运输车电传动技术研究。1 1 2 选题背景现今是我国经济建设高速发展的时

19、代，大型工程建设和巨型不可拆卸的货物越来越多，普通载货汽车运输已远不能满足市场的需求，越来越多的工程运输车被引进并应用到造船、建筑、化工、桥梁、冶金以及电力、石油等多个行业中I l】，如图1 1 所示。(a)船厂用工程运榆车(b)港口用工程运输车(C)工程机械用运输车(d)钢厂用工程运输车图1-1 工程运输车应用举侈j I以上这些只是工程运输车的几个典型的应用领域，伴随着国内外经济的高速成长，工程运输车的需求将逐年加大，并且对大吨位车辆的要求也不断提高，加中南大学硕士学位论文第一章绪论之科技的日新月异，工程运输车的运载能力和技术含量也在不断地更新。工程运输车的发展促使大型构件与重载设备的安装及

20、运输更加安全、便捷、高效、同时更快更好地推动经济的发展【2 1。重载工程运输车一般采用液压平衡和独立悬挂、整体式车轴能全方位摆动，全轮转向并且可以自由调整平台高度，这样方便通过桥洞隧道以及方便装卸货物，而且可以任意地进行横向、纵向拼接，可以解决普通车辆不能运送超大货物的难题，在经济建设中起着中流砥柱的作用1 3 1。1 2 国内外平板车技术现状及发展趋势1 2 1 国外平板车技术现状重型平板运输车在国外已有百年历史，重型液压升降平板车的主要生产厂家有德国的索埃勒(S C H E U E R L)、K a m a g、G o l d h o f e r，法国的N i c o l a s，日本的神

21、钢电机(S h i n k o)、日本车辆(N i p p o nS h a r y o)等同不少厂家能制造出大吨位、系列化、专业化、性能可靠的现代化工业用平板车，而且有完整的配套体系。德国K a m a g 公司生产出的最大平板车吨位能达到1 3 0 0 吨。目前重载平板运输车的特点从结构、电气控制、液压等方面加以总结。结构设计方面通常具有以下特点【6 11 7 1：(1)底盘一般是用高强度钢焊接成形的钢架结构，具有非常好的抗弯曲特性。(2)转向系统绝大多数采用独立转向方式。独立转向方式可以保证车辆实现任意转弯半径转向，最小转弯半径甚至可以达到零，采用对角线转向模式，具有实现零到九十度任意方

22、向横向行驶，转向灵活的优点，因此在工业用重型平板运输车中得到广泛使用。(3)大多采用模块化设计思想，这种思想是依据现场要求，把重载平板运输车分成不同模块，有益于重载平板车的制造、运输和安装的顺利进行。(4)制动系统一般包括驻车制动和行车制动两大部分。驻车制动通常由马达减速器内置刹车装置来实现。停车制动时，液压油或压缩空气通过控制阀的开度进而使制动缸作用到刹车片。液压系统由液压驱动系统、液压转向系统和液压悬挂系统等组成。具有如下一些特点1 8 11 9 1：(1)液压驱动系统一般采用静液压传动，闭式液压回路与液压马达相连实现泵的输出，液压泵的排量由控制系统控制发动机的转速进行自动调节，传动系统和

23、发动机都具有过载保护等措施。(2)悬挂系统液压缸的伸缩量由液压缸根据路况进行自动调节以保证轮胎2中南大学硕士学位论文第一章绪论所受载荷相同。平板运输车的升降也是由液压悬挂系统来完成的，液压悬挂系统可使车身高度均匀提升，当要换轮胎时，只要关闭与这个轮胎相关的悬挂而升起其它悬挂，要更换的轮胎就能很方便快捷的拆卸下来。(3)液压防滑。液压驱动系统上安装有液压防滑装置，这样限制了液压马达的最大允许转速，防滑装置能够在液压泵输出流量过大时起到差速锁的作用，前进和后退都可以使用该装置。从以上结构特点以及对油路结构设计方便来综合考虑，基本都采用集成化、封闭式设计思想对重载平板车液压系统进行设计。电液控制集成

24、泵、马达以及复合元件等模块化设计应用较广泛。据报道封闭式循环油路设计在国外已经被广泛采用，这种油路设计能有效地防止泄漏和污染，更明显的优势是防止灰尘、空气、化学物质等进入系统，从而使机器的使用寿命得到延长重载平板运输车的电气系统由弱电系统和强电系统组成。弱电系统主要由P L C 控制系统、各种仪表显示等组成，强电系统则包括照明灯、示宽灯、转向灯等。而高智能化平板车还具有安全行走导向系统和无线电遥控系统，重载平板车的安全行走导向系统安装在车辆前后两端，包括摄像头和其它测量装置，这些装置能够准确的对准车辆行走路线上设置的标志物，实现安全导向。无线电遥控系统采用驾驶室外驾驶方式，这样使平板车得到驾驶

25、者更好的控制，控制单元的所有功能都由无线电遥控系统协调完成。驾驶员可以根据实际要求设置行走精度警告值，当平板车行驶超出安全范围时，平板车就会自动停止，发出警报。近几年来，随着车辆载重的不断增大，对车辆的运动控制要求也日益提高，另外，由于能源的不断紧张以及环保要求的日趋提高，现有的液压传动系统将会逐步被研发性能和环保水平更高的电传动驱动系统替代l l o J。主要用于露天矿石的开采运输领域的矿用电动轮自卸车是最先采用电传动技术的重载运输车辆。直流电传动技术具有控制方便、技术成熟等一系列优点，因此早期矿用电动轮自卸车中的电传动技术主要是采用此技术。随着车辆运载量的不断增大，以及维护保养等一系列问题

26、的出现，直流电传动技术已难以满足车辆的这些运输要求。各大生产厂家竞相开始研发性能更加优越的交流电传动技术。1 2 2 国内平板车技术现状目前国内重载液压升降平板车的研究、制造与创新水平都相对落后。由于缺乏对关键技术的掌握与支撑，与国外同类产品相比，国产平板车总体结构、驱动系统、转向系统、液压系统等核心部件的研发与制造水平还存在相当大的差距1。对于重型液压升降平板车的设计制造还处于模仿借鉴、简单理论分析、引进消化阶段。眉睫。基于以上原因，国内一些科研单位和企业已经开始着手研发新型的动力传动取代传统的液压传动。比较有代表性的如湘潭电机集团旗下的重载车辆公司，依托于国家十一五支撑计划，和美国G E

27、电气公司合作开发出载重为2 2 0 吨的重载交流电动轮自卸车i 1 3】。目前，该项目研究进展非常顺利，在2 0 0 9 年底就推出了试用车型，标志着我国重载运输车辆领域交流电传动时代的到来。虽然目前在平板运输车领域还没有关于电传动平板车的相关报道，但国内一些大型重载运输车辆制造企业已经关注到电传动技术在特种运输车辆中的应用优势，正在广泛研究关于重载车辆电传动的技术，研制开发具有自主知识产权的重载电传动运输车辆。4中南大学硕士学位论文第一章绪论1 3 电传动控制技术现状及趋势1 3 1 电传动技术现状目前在传动系统中主要有机械传动、液力机械传动、液力传动、静液压传动和电传动等驱动形式【1 3

28、J。电传动和液压传动是现代行走机械高性能要求的传动装置中主流的传动形式，电传动与液压传动相似，同样是取消了机械传动中直接的传动机构，取而代之的是用电能输送到电动机，从而直接驱动机械装置【1 4 l。根据电传动的发展过程可以把电传动大致分为以下几种：直流电机(发电机)一直流电机(电动机)驱动、交流电机(发电机)一直流电机(电动机)驱动，交流电机(发电机)一交流电机(电动机)驱动和交流电机(发电机)一直流变频一交流电机(电动机)驱动等。其中交流电机(发电机)一直流变频一交流电机(电动机)驱动(简称交一直交)是最新的一种形式，这种形式是由可控硅经过整流得到直流电，通过逆变装置转变为频率和电压可变的交

29、流电，从而实现对交流电动机驱动系统进行调速。这种交流电传动系统具有尺寸小、结构简单、重量轻等一系列优点，目前正在被广泛探讨与研究，将逐步取代之前的直流电机(发电机)直流电机(电动机)的驱动形式。电传动技术的主要结构形式有：(1)总轴传动(单电机连接传动轴)；(2)分部传动(多个电机传动)。总轴传动主要应用在电传动公交车和电传动汽车上，核心思想是用电机替代普通汽车上的传动轴直接驱动电传动车辆。传动方式简单，控制容易实现，而且可以采用机械式自适应差速器，不用考虑转向差速，协调控制、同步驱动等问题。这种传动方式被国内电传动公交车普遍采用。分部传动则是由各个电机以并联或者其他连接形式分别驱动机械装备，

30、电机可以安装在轮边或以电动轮的形式安装，目前主要应用在电传动内燃机车和电动轮矿山自卸车上。新世纪的第一个十年里，逆变控制技术和电子信息产业相关技术都得到了前所未有的发展，随着新型半导体元器件(如I G B T)的出现和日趋完善和以矢量控制【l5】为典型代表的各种交流传动变频调速控制理论的不断发展和深入，以及伴随着计算机(新型单片机与数字信号处理器D S P)微控技术迅猛发展，使得控制系统的实现变得相对简单，而且在控制性能上来说交流调速完全可以和直流调速相媲美。随着交流调速在传动系统中的比重日渐提高，交流调速将会成为电传动领域的主流传动形式。交流电传动不仅具有良好的机械输出特性、可控性优越等一系

31、列优点，完全能够弥补机械传动系统的缺点。以上这些将为开发交流电传动技术提供有力的技术支撑，所以采用交流电传动技术是车辆传动系统的发展趋势。5中南大学硕士学位论文第一章绪论交流电传动的关键技术主要有一下几个：系统总成技术、系统仿真技术、综合控制技术、内燃机发电机及控制技术、高功率密度驱动系统及控制技术、一体化系统集成电源平台、整车综合冷却技术、动力分配与能量管理技术、电动化辅助系统技术与网络化管理技术等1 1 6】。随着系统动力性能、节能环保要求和系统可靠性的逐步提高，车辆交流电传动技术的开发要求也将更加严格。目前全球能提供重型车辆交流电传动技术综合配套设备的主要厂家有G E 和S I E M

32、E N S，他们具有比较高的研发制造水平。高性能车载交流电传动技术的研发关键包括驱动电机控制技术和电传动多电机同步控制技术。1 3 2 驱动电机及其控制系统现状驱动电机及其控制系统主要是利用电能转化为机械能以驱动车辆运行，是电传动车辆重要的系统之一。它在电传动车辆上的主要任务是：在驾驶操纵控制下，将内燃机发电机组和蓄能装置(如动力电池)的电能转化为动能以驱动车辆，在车辆制动时又能把车辆的动能转化为电能输送给动力电池充电，从而实现车辆的再生制动功能。与传统的工业用驱动电机及其控制系统相比，车辆电传动驱动电机及其控制系统的转矩、转速等动态控制性能、功率密度、工作效率、过载能力和可靠性方面等都有更加

33、严格的要求。具体特点有：电机大多采用低速恒转矩高速恒功率控制方式，波动幅度小、转矩相应快、稳定性能好；而且要求电机具有很宽的调速范围，最高转速可以达到基速的2 倍以上，电机要能够四象限运行；为保证车辆具有良好的动力性能，要求电机具有很好的功率过载和转矩过载能力，峰值转矩要达到额定转矩的2 倍以上，峰值功率可以达到额定功率的1 5 倍以上，而且峰值功率和峰值转矩的工作时间一般要保持在5 m i n 以上；要求电机及其控制系统在转矩转速全部工作范围内保持很高的工作效率，即要求电传动系统具有很高的功率密度。目前在电动轮自卸车和电传动公交车上大多使用下面几种驱动电机及其控制系统。(1)直流电机及其控制

34、系统。电机调速大多采用脉宽调制(P W M)斩波控制方式。(2)续流增磁电机及其控制系统。结合永磁直流电机高效和串励电机大转矩的特点，电机采用永磁加增磁绕组励磁方式，增磁绕组接到电机控制系统的续流回路中，电机低速时利用续流增磁输出大转矩，电机高速时增磁绕组自动提速，电机及其控制系统与车辆驱动系统能够得到很好的匹配，保证系统能够实现高效6中南大学硕士学位论文第一章绪论的工作模式。(3)三相感应电机及其控制系统。电机调速采用P W M 方式实现高压直流电到三相交流电的电能变换，采用交流变频调速方式实现电机大范围调速，采用直接转矩控制或矢量控制f 1 7 l 策略实现电机转速控制的快速响应。(4)三

35、相交流永磁电机及其控制系统。永磁电机包括基于正弦波调速的永磁同步电机(P M S M)及其控制系统以及基于矩形波调速的无刷直流电机(B D C M)及其控制系统，P M S M 调速在低速转矩脉动小而且高速恒功率区域调速更加稳定可靠，因此比B D C M 调速具有更加广阔的应用前景，P M S M 及其控制系统中的电机调速器大多采用P W M 方式实现高压直流电到三相交流电能变换，采用变频调速方式实现电机调速，同样可以采用转矩控制或者矢量控制策略实现电机转速控制的快速响应。交流电传动技术控制系统大致可分为如下四种：开环控制方式【1 7】、转速闭环滑差率控制方式【1 8 1、直接转矩控制方式【1

36、 9】和矢量控制方式【2 0 l。开环控制方式的静态和动态性能都较差，但是由于实现简单，目前正广泛应用在泵类和风机等对控制性能要求一般的场合。转速闭环滑差频率控制简单可靠，性能基本能满足一般工业应用，但需要加转速传感器，由于采用了基于电机稳态模型的控制方法，动态控制性能达不到直流电机的调速性能。直接转矩控制方式是通过检测电机定子电流和电压，并借助瞬时空间矢量理论计算出电机的转矩和磁链，将其与给定值进行对比，根据差值调整磁链和转矩实现对电机的调速控制。随着矢量控制【2 u思想的提出，通过引入坐标变换，实现了电机转矩与磁通的解耦控制，使电机的动态性能完全可以和直流电机相媲美，矢量控制在目前电机的调

37、速控制领域逐步成为研究的热点。其中基于转子磁场定向的矢量控制方式是矢量控制理论中最具代表性的控制方式，研究和开发新型的控制方法逐渐成为矢量控制的研究热点。直接转矩控制和基于磁场定向的矢量控制方式各有其适合应用的领域。矢量控制的稳态性能比直接转矩控制好，直接转矩控制的动态性能优于矢量控制，但两者的差别并不是很大，都属于高性能的控制方式。二者的动态性能、稳态性能够满足绝大多数实际应用的场合【2 2 1。车载电传动控制器要求能够适应恶劣工作环境、性能稳定可靠、结构简单易实现等诸多特点【2 3 1，所以要根据实际情况选择一种适合液压升降平板运输车的控制方法，并能结合液压升降平板运输车的独特工作特点，设

38、计出平板车专用的电传动系统控制器，是电传动平板车生产厂商迫切需要解决的一项技术问题的关键。各种大功率电子器件，如M O S F E T、C O M F E T、I G B T、S，兀和M C T 等的使用，新型单片机、数字信号处理器(D S P)等硬件的应用，为驱动电机控制方法和智能控制提供了重要手段。近年发展起来的变结构控制(V S C)、神经网络7中南大学硕士学位论文第一章绪论控制(N e u r f lN e t w o r k s)、模糊控制(F u z z y)和专家控制系统(E x p e r tS y s t e m)等控制理论和控制方法 2 4 1 使得各种电动机的驱动和控制技

39、术发展到一个崭新的阶段。1 3 3 多电机同步控制技术伴随着科技的不断进步与创新，同步传动形式也出现多样化的格局。门型吊车、升降桥、水闸闸门等要求几台电机轴实现严格的同步传动：塑料薄膜、造纸机等则要求多台电机转速和转角的比值呈现出一定规律变化。传统同步传动控制多指交流电动机多电机同步传动，控制方式一般以恒压频比V V V F(V a r i a b l eV o l t a g eV a r i a b l eF r e q u e n c y)变频控制器为主，并辅助以单片、计算机以及可编程控制器(P L C)的同步调速系统等控制形式【2 5 1。多电机同步控制【2 6 1 在生产和制造领域占

40、有非常重要的地位。随着电机控制精度的不断提升和电机控制技术的不断更新发展，原来许多由复杂的机械结构实现的运动控制，现在越来越多地采用多个小电机直接驱动替代，多电机同步控制技术逐渐成为研究的热点。目前，基于交流变频调速的同步控制方法大多应用在大功率、远距离传动的工业场合。这样组成的多电机同步驱动系统从驱动电机之间的连接关系可把同步传动分为两种方式：一种是各驱动电机之间依赖链式传送带或线实现柔性连接，各电机的工作状态会互相影响，彼此之间耦合作用比较明显，许多工厂的装配线和生产线都属于这种方式；另一种是各电机之间是互相独立的，各电机之间不存在物理连接作用，采用多电机同步驱动控制主要是满足功率或者生产

41、工艺的需要，如钢厂的轧钢机、连铸机等属于这种同步传动：前者叫作共轴传动，后者常被称为无轴传动。目前多采取的同步传动控制方法有如下几种1 2 7 1：基于补偿原理的控制方式、基于同一给定电压的并联运行方式、基于转速补偿的多电机同步驱动控制方式1 2 8 。对于某些电机同步驱动系统，各电机的负荷大小、速度大小等都是相对独立的，相互之间不产生耦合，各闭环回路中控制器的控制参数和控制规律也是按常规单闭环速度控制系统设计1 2 9 。但是对于要实现高精度控制的场合，如车辆传动中的多电机同步驱动控制系统，就不仅是单闭环控制回路的简单组合。控制系统要对不同电机的转速反馈进行同步检测，根据计算所得的转速差确定

42、同步补偿值实现补偿控制，实际的控制系统中，同步补偿器大多是先根据多台驱动电机工作工艺规程允许的转速差确定同步工作带，只有不同电机的转速差落在工作带以内时，才认为系统为正常同步，否则就要进行同步补偿调整，在控制系统严重不同步时还要使电机及时停车并发出警报。目前多电机同步控制中主要应用的控制策略有主从控制【3 0】(或者叫串联控8中南大学硕士学位论文第章绪论制)、并行控制【3 l】(或者叫主令控制)、相交耦合控制【3 2】、双轴交叉耦合控制【3 3 l以及新发展起来的电虚拟总轴控制(E V L S)3 4 l 和偏差耦合控制等 3 5-3 6 。具体的控制方法有很多，P I D 控制器是最早发展起

43、来并被广泛应用的控制方法之一。P I D 控制算法简单、可靠性高和鲁棒性好，大多应用于过程控制和运动控制中，P I D 控制器在工业控制中的应用占有很高的比重。但是，在实际工业生产过程中大多具有非线性、时变性，而且很多精确的数学模型都难以建立，传统的P I D 控制器就不能达到理想的控制效果。并且，在实际生产现场环境中，还会受到P I D 参数整定方法繁杂的困扰，传统P I D 控制器整定的参数控制性能更难以满足要求，对运行环境的适应性不是很理想。复杂动态不确定性系统的控制由于计算机控制技术和智能控制理论的发展开辟了新的途径。涌现了很多新型的控制理论和方法，如专家控制系统、神经网络控制、模糊逻

44、辑控制、遗传算法、灰色系统理论、混沌理论等。这些方法再跟传统的P I D 控制理论相结合又可派生出多种新型智能P I D 控制器，形成了庞大的P I D 控制家族，很多算法都可使传统P I D 控制器的控制性能得到大幅度改进，而且大多能够满足新型工业化控制的要求。具体的应用型研究如下：F r a n c i s c oJ【3 7】等将偏差耦合用于双电机的同步控制，但没有涉及到矢量控制及先进的控制方法；裴华刚等将交叉耦合应用到多台大功率电机同步控制中1 3 8】，但控制方式简单，控制精度有限；曹玲芝等人将偏差耦合与滑模控制应用到起重机起升机构同步控制中f 3 9】；邱忠才将单神经元用于单电机矢量

45、控制系统【4 川；李从心等将专家系统应用到双电机同步控制中【4。1 4 课题研究目的及意义新世纪以来的十年里，国家屡次提出工业生产要节能减排的要求，科技部和地方政府也分别以8 6 3 计划和各种科学基金项目等形式对运输车辆电传动研究予以大力支持和引导。因此本论文针对1 0 0 吨液压升降平板运输车，研发一种交流电传动驱动技术替代目前采用的液压传动方式，并且达到既定的控制性能指标。电传动技术的成功研发，在一定程度上将降低企业对国外液压厂家的依赖程度，减小企业生产周期的压力；掌握交流电传动驱动系统的关键技术，使企业拥有自己的知识产权，同时降低竞争成本，提高核心竞争力，提升企业的科研技术水平，同时可

46、以降低燃油消耗，提高环保水平，完成节能减排目标，有利于提高我国特种工程机械技术水平。近几年来，随着重载车辆载重量的不断增加，对车辆的运动控制要求也愈来愈高，加之能源越来越紧张以及环保要求的日益提高，国际上领先的大型工程车辆生产厂商也逐步淘汰原来的液压传动车辆，开始研发使用性能和环保水平更高9(2)第三章以三相感应电机矢量控制为研究对象，在速度控制环中采用单神经元自适应P I D 控制算法，设计了单神经元自适应P I D 控制器，分析了单神经元自适应P I D 控制系统的稳定性。仿真研究了单神经元自适应P I D 矢量控制。(3)第四章提出采用适合平板车的同步控制策略，建立了行走驱动电传动系统基

47、于偏差耦合的多电机同步矢量控制仿真模型，对同步控制系统进行了仿真分析研究，利用L y a p u n o v 直接法分析了同步控制系统的稳定性。(4)第五章针对电传动平板车交流电机矢量控制系统进行了相关的实验研究，在交流变频调速系统上验证了单神经元自适应P I D 控制效果确实优于传统的N D 控制效果。在全文的最后，对本文的研究工作进行了总结以及对进一步研究提出了建议和展望。I O中南大学硕士学位论文第二章平板车电传动电机驱动系统建模与仿真第二章平板车电传动电机驱动系统建模与仿真2 1 引言本文研究的是l O O T 液压升降平板运输车行走驱动系统电机控制技术，电机控制技术是电传动平板车的关

48、键技术之一，要求平板车在重载工况下，能够安全平稳运行，并且达到高效节能的要求。本章针对驱动电机广泛采用的感应电机及其控制系统进行相关的研究。感应电机及其控制系统是目前电传动技术最常用的驱动系统之一。三相感应电机常见的恒压频比控制是从电机稳态状态出发研究其控制特性，不能达到理想的动态控制效果。而矢量变换的概念被提出后，电机动态控制过程就利用矢量控制方法来研究，该法不但控制各变量的幅值，而且控制相位，利用估计和状态重构的当代控制理念，巧妙得实现了交流电机转矩和磁通的重构以及解耦控制，能大大提高电机的控制性能。2 21o o 吨重载平板运输车电传动技术原理2-2 11 0 0 盹重载平板运输车电传动

49、概述本文所研究的重载平板运输车如图2-1 所示。驾驶室位于平板车前部上部，液压泵发电机、发动机、等设备位于平板运输车中部下端，电控系统安装在驾驶室后面。前后总共有设有8 个悬挂部件和4 轴线总成，平板运输车车共有3 2 只实心轮胎。平板车采用多电机驱动的分部传动形式，即4 个电动轮共同驱动整车运行。电动轮安装在轮胎内部通过驱动桥与液压悬架相连。电动轮是一个高度集成的驱动总成，把行星减速器、轮毂、电动机、连接盘和刹车系统等设备集成在一起。驱动电机为目前广泛应用的交流感应电机，这种电动机结构简单，价格便宜，过载能力较强。图2-11 0 0 T 液压升降平板运输丰l l中南大学硕士学位论文第二章平板

50、车电传动电机驱动系统建模与仿真电动驱动轮组包括驱动电机、减速装置和驱动轮，驱动电机和减速装置位于驱动轮的轮辋内，驱动电机固定于连接桥上，驱动电机的输出端与减速装置的输入端相连，减速装置的输出端与驱动轮的轮辋相连，驱动电机与控制系统相连。2 2 21 0 0 盹重载平板运输车电传动控制实现平板车电传动控制系统方案如图2 2 所示。整个系统包括整车控制箱、可编程控制器、变频调速控制单元、液压控制单元、发动机、发电机和车载电池，整车控制箱与控制器的输入端口相连，控制器的输出端口分别与发动机、发电机、变频调速控制单元和液压控制单元的控制端口相连，发电机的输入端与发动机相连，发电机的输出端分为两路输出，