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舞臺升降臺的同步控制策略研究與應用

技術應用 | 來源:中國輸送帶網 | 作者:[db:作者] 發布日期:2016-02-26 查看次數:1918

核心提示:  我國文藝舞臺的繁榮,各種劇場、演播廳等對舞臺自動化要求越來越高,相應對舞臺控制系統也提出了更高的要求。升降臺作為舞臺下機械設備中應用廣泛的設備之以多種形式出現在各種劇院以及諸多國際知名音樂廳里。

  我國文藝舞臺的繁榮,各種劇場、演播廳等對舞臺自動化要求越來越高,相應對舞臺控制系統也提出了更高的要求。升降臺作為舞臺下機械設備中應用*廣泛的設備之以多種形式出現在各種劇院以及諸多國際知名音樂廳里。它具有快速遷換布景、根據表演的需求改變舞臺形式的特點,以滿足舞臺工藝布置和舞美設計的需要以及劇目編導人員的需求,達到豐富舞臺多功能的效果。

  在工業控制中,常規PID控制器以結構簡單,對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優點而得到廣泛的應用。在現代的舞臺控制系統中,由于升降臺的負載多變性、環境干擾、機械摩擦等諸多不確定性因素的存在,造成數學模型參數不同。因此,按照相同的參數對不同升降臺進行PID控制,將無法保證升降臺之間的良好的配合。這就要求PID控制器具有一定自整定其參數的功能,以滿足現代舞臺控制要求。

  針對以上舞臺升降臺控制的特點,采用模糊PID控制器,即根據一定模糊控制規則對PID控制器的參數進行實時優化,以及位置偏差耦合同步控制方法來實現對舞臺升降臺的控制。經過降臺構成一個圓形的升降舞臺。

  其中每個升降臺由一個45kW電機來進行控制,電機主軸通過減速器與柔性齒條結合,把電機的旋轉運動變為升降臺的上升和下降運動。整個升降舞臺行程為舞臺臺面以下5.2m到舞臺臺面以上1m,且能在行程內進行精確定位;升降臺的速度調節臺的定位精度為2mm,升降臺之間的同步精度為3mm. 1.2同步控制簡介在同步控制中,*常見的有主從控制和并行控制。主從控制,其結構以前一臺電機的速度輸出作為下一臺電機的給定速度。這種結構穩態時同步性能好,但在電機啟動停止和負載擾動情況下控制對象之間會產生很大的同步誤差。并行控制方式采用同一給定速度,啟動停止時的同步性能好,但當一個控制對象出現擾動時,其他電機不能很好的跟隨。

  結合前兩種控制方式優缺點,在并行控制中加入每一臺電機的反饋信息,即把每臺電機的偏差值加權補償到每一臺電機給定環節中去,得出偏差耦合的控制策略,如所示。

  由于每一臺電機輸入為同一給定值,且電機的速度輸入也引入了每一個升降臺的反饋量,對電機實現了補償,因此能得到很好的同步控制。圖中的增益kr用來補償各個電機之間的轉動慣量的不同。為設定速度和為電機的實際輸出速度。在實際控制中,由于升降臺的負載變化以及環境干擾,需要兩電機的偏差耦合控制控制器的參數能夠進行相應的調整。而常規PID控制器的參數整定后只能適應一定的負載與環境,當舞臺布置的變化、負載和環境的改變,整個系統的同步性能會因此而受到影響。所以,需要控制器具有一定的自適應能力。采用可編程邏輯控制器(PLC)實現模糊PID控制算法,并結合現場總線技術,來滿足同步控制精度和增強適應能力。

  2模糊PID控制器的設計模糊PID控制器是由模糊控制器和PID控制器組成,其結構如所示。其中模糊控制器以誤差e和誤差變化率ec為輸入,根據不同的誤差以及誤差變化率,利用模糊控制規則在線對PID參數進行修正。PID控制器在得到新的參數KP、后,以誤差e和誤差變化率ec作為輸入得到新的控制輸出量U.清晰化方法采用加權平均法(重心法),即在一次采樣時刻,AKp的值可由模糊輸出U'的中心確定4. =1,2,49)是AKp的隸屬度。同理得出輸出量AKi.經過調整后作為PID控制器的參數。

  式(4)中Km,K<為控制器參數的初始值。

  3仿真研究3.1模糊PID控制器的實現在模糊控制規則中,包含模糊輸入空間和模糊輸出空間。在此,位置偏差、位置偏差變化率為模糊輸入空間,比例、積分、微分的增量為模糊輸出空間,均定義為NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB.根據升降舞臺控制要求的同步精度為3mm和定位精度為±2mm,將其變換到位置偏差e和位置偏差變化量ec論域的量化論域為-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3.隸屬度函數如所示。模糊PID同步控制器模糊控制器是模糊控制系統的核心部分,它主要由模糊化模塊、模糊推理模塊以及清晰化模塊構成。而模糊推理又是模糊控制器的核心,它具有模擬人基于模糊概念的推理能力。其中,模糊化模塊將得到的輸入精確量轉換成模糊量,模糊推理過程基于模糊蘊含關系及推理規則進行;清晰化模塊則將模糊推理得到的模糊控制量變換成實際控制的清晰量。知識庫中包含了具體應用領域中的相關知識和要求的控制目標。通常由數據庫和模糊控制規則庫組成。

  輸入變量誤差和誤差變化率的模糊子集劃分為:負大,負中,負小,零,正小,正中,正大,其表示為:NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB.隸屬度函數采用三角隸屬函數,邊界值則采用高斯隸屬函數。模糊控制規則是由多個模糊蘊涵關系‘’若則“(IFTHEN)構成。而對于模糊控制規則IFANDEC;THENA.=Ui =1,2,49),其模糊蘊含用*小值法:模糊合成采用*大法,推理法則為:態時的精度等各方面考慮,Kp、Ki、Kd的作用如下5比例系數;影響著整個系統的響應速度以及調節精度。Kp值越大,系統反應越快,調節精度越高,但這樣也容易產生超調,導致系統的不穩定。而Kp取值過小,則系統調節精度降低,響應速度變慢,從而延長調節時間,使系統性能變壞。

  積分系數用于系統消除靜態誤差,取越大時,系統的靜態誤差消除越快,但過大時,在響應過程初期會產生積分飽和,從而導致響應過程的超調。而過小,系統靜態誤差則很難消除,影響了系統調節精度。

  微分系數Kd用于改善系統的動態特性,在系統響應過程中抑制偏差變化,對偏差變化提前進行預報。過大,會使系統提前抑制,響應變慢,延長調節時間,同時也會降低系統抗干擾能力。

  根據以上PID參數的作用,結合實際中操作人員和調試人員在升降舞臺同步控制中對負載變化及出現擾動時的多年操作經驗,建立以下規則表:表1Ah的模糊規則3.2系統仿真表2AK,的模糊規則表表3的模糊規則表仰冊由于實際工程中采用的交流電機動態過程為非線性微分方程,考慮交流電機模型可通過矢量變換近似等效為直流電機模型,而額定勵磁下直流電機是一個二階線性環節,其傳遞函數為Tm和Ti兩個時間常數分別為機電慣此二階系統模型。由于電機機電慣性和電磁慣性的時間常數不同,仿真中的電機參數選擇也將有所區別。在simulink仿真平臺下,根據設計的同步控制方案,其仿真模型如所示,為模糊PID控制的結構圖,-8為仿真結果圖。

  從仿真的結果圖可以看出,在電機啟動以及電機的負載發生變化時,在模糊PID控制方式下較常規控制方式表現出更好的同電力系統及其自動化度越快,表明該算法的收斂性能越好。、分別繪制了IEEE -67系統的補償間隙變化曲線,顯然補償間隙呈二次下降趨勢衰減至給定的精度。

  5結束語本文建立了一種考慮輸電網功率因數的無功優化模型,比較了模型一與模型二兩種形式,并分析了相應的現代內點算法,總體具備如下特點:顯著優化輸電網功率因數,提高了電網的輸電效率,進而改善了供電質量。

  模型二在等式約束中增加線路傳輸功率約束,簡化了不等式約束,降低求解過程中高階修正方程組系數矩陣產生的非零注入元素的數目,程序編寫和運行的效率較高,尤其對于大型電力系統,效果更為顯著。

  采用現代內點算法,收斂穩定,魯棒性強,可滿足在線運行的要求。

  對五個IEEE標準系統和一個實際系統進行優化計算,獲得了較為理想的結果,本文的建模思想為求解含大規模復雜不等式約束的問題提供了全新的思路。


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