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舞台升降台的同步控制策略研究与应用

发布日期:2017-07-31 来源: 升降机网 查看次数: 269
核心提示:  我国文艺舞台的繁荣,各种剧场、演播厅等对舞台自动化要求越来越高,相应对舞台控制系统也提出了更高的要求。升降台作为舞台下机械设备中应用最广泛的设备之以多种形式出现在各种剧院以及诸多国际知名音乐厅里。

  我国文艺舞台的繁荣,各种剧场、演播厅等对舞台自动化要求越来越高,相应对舞台控制系统也提出了更高的要求。升降台作为舞台下机械设备中应用最广泛的设备之以多种形式出现在各种剧院以及诸多国际知名音乐厅里。它具有快速迁换布景、根据表演的需求改变舞台形式的特点,以满足舞台工艺布置和舞美设计的需要以及剧目编导人员的需求,达到丰富舞台多功能的效果。

  在工业控制中,常规PID控制器以结构简单,对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点而得到广泛的应用。在现代的舞台控制系统中,由于升降台的负载多变性、环境干扰、机械摩擦等诸多不确定性因素的存在,造成数学模型参数不同。因此,按照相同的参数对不同升降台进行PID控制,将无法保证升降台之间的良好的配合。这就要求PID控制器具有一定自整定其参数的功能,以满足现代舞台控制要求。

  针对以上舞台升降台控制的特点,采用模糊PID控制器,即根据一定模糊控制规则对PID控制器的参数进行实时优化,以及位置偏差耦合同步控制方法来实现对舞台升降台的控制。经过降台构成一个圆形的升降舞台。

  其中每个升降台由一个45kW电机来进行控制,电机主轴通过减速器与柔性齿条结合,把电机的旋转运动变为升降台的上升和下降运动。整个升降舞台行程为舞台台面以下5.2m到舞台台面以上1m,且能在行程内进行精确定位;升降台的速度调节台的定位精度为2mm,升降台之间的同步精度为3mm. 1.2同步控制简介在同步控制中,最常见的有主从控制和并行控制。主从控制,其结构以前一台电机的速度输出作为下一台电机的给定速度。这种结构稳态时同步性能好,但在电机启动停止和负载扰动情况下控制对象之间会产生很大的同步误差。并行控制方式采用同一给定速度,启动停止时的同步性能好,但当一个控制对象出现扰动时,其他电机不能很好的跟随。

  结合前两种控制方式优缺点,在并行控制中加入每一台电机的反馈信息,即把每台电机的偏差值加权补偿到每一台电机给定环节中去,得出偏差耦合的控制策略,如所示。

  由于每一台电机输入为同一给定值,且电机的速度输入也引入了每一个升降台的反馈量,对电机实现了补偿,因此能得到很好的同步控制。图中的增益kr用来补偿各个电机之间的转动惯量的不同。为设定速度和为电机的实际输出速度。在实际控制中,由于升降台的负载变化以及环境干扰,需要两电机的偏差耦合控制控制器的参数能够进行相应的调整。而常规PID控制器的参数整定后只能适应一定的负载与环境,当舞台布置的变化、负载和环境的改变,整个系统的同步性能会因此而受到影响。所以,需要控制器具有一定的自适应能力。采用可编程逻辑控制器(PLC)实现模糊PID控制算法,并结合现场总线技术,来满足同步控制精度和增强适应能力。

  2模糊PID控制器的设计模糊PID控制器是由模糊控制器和PID控制器组成,其结构如所示。其中模糊控制器以误差e和误差变化率ec为输入,根据不同的误差以及误差变化率,利用模糊控制规则在线对PID参数进行修正。PID控制器在得到新的参数KP、后,以误差e和误差变化率ec作为输入得到新的控制输出量U.清晰化方法采用加权平均法(重心法),即在一次采样时刻,AKp的值可由模糊输出U'的中心确定4. =1,2,49)是AKp的隶属度。同理得出输出量AKi.经过调整后作为PID控制器的参数。

  式(4)中Km,K<为控制器参数的初始值。

  3仿真研究3.1模糊PID控制器的实现在模糊控制规则中,包含模糊输入空间和模糊输出空间。在此,位置偏差、位置偏差变化率为模糊输入空间,比例、积分、微分的增量为模糊输出空间,均定义为NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB.根据升降舞台控制要求的同步精度为3mm和定位精度为±2mm,将其变换到位置偏差e和位置偏差变化量ec论域的量化论域为-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3.隶属度函数如所示。模糊PID同步控制器模糊控制器是模糊控制系统的核心部分,它主要由模糊化模块、模糊推理模块以及清晰化模块构成。而模糊推理又是模糊控制器的核心,它具有模拟人基于模糊概念的推理能力。其中,模糊化模块将得到的输入精确量转换成模糊量,模糊推理过程基于模糊蕴含关系及推理规则进行;清晰化模块则将模糊推理得到的模糊控制量变换成实际控制的清晰量。知识库中包含了具体应用领域中的相关知识和要求的控制目标。通常由数据库和模糊控制规则库组成。

  输入变量误差和误差变化率的模糊子集划分为:负大,负中,负小,零,正小,正中,正大,其表示为:NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB.隶属度函数采用三角隶属函数,边界值则采用高斯隶属函数。模糊控制规则是由多个模糊蕴涵关系‘’若则“(IFTHEN)构成。而对于模糊控制规则IFANDEC;THENA.=Ui =1,2,49),其模糊蕴含用最小值法:模糊合成采用最大法,推理法则为:态时的精度等各方面考虑,Kp、Ki、Kd的作用如下5比例系数;影响着整个系统的响应速度以及调节精度。Kp值越大,系统反应越快,调节精度越高,但这样也容易产生超调,导致系统的不稳定。而Kp取值过小,则系统调节精度降低,响应速度变慢,从而延长调节时间,使系统性能变坏。

  积分系数用于系统消除静态误差,取越大时,系统的静态误差消除越快,但过大时,在响应过程初期会产生积分饱和,从而导致响应过程的超调。而过小,系统静态误差则很难消除,影响了系统调节精度。

  微分系数Kd用于改善系统的动态特性,在系统响应过程中抑制偏差变化,对偏差变化提前进行预报。过大,会使系统提前抑制,响应变慢,延长调节时间,同时也会降低系统抗干扰能力。

  根据以上PID参数的作用,结合实际中操作人员和调试人员在升降舞台同步控制中对负载变化及出现扰动时的多年操作经验,建立以下规则表:表1Ah的模糊规则3.2系统仿真表2AK,的模糊规则表表3的模糊规则表仰册由于实际工程中采用的交流电机动态过程为非线性微分方程,考虑交流电机模型可通过矢量变换近似等效为直流电机模型,而额定励磁下直流电机是一个二阶线性环节,其传递函数为Tm和Ti两个时间常数分别为机电惯此二阶系统模型。由于电机机电惯性和电磁惯性的时间常数不同,仿真中的电机参数选择也将有所区别。在simulink仿真平台下,根据设计的同步控制方案,其仿真模型如所示,为模糊PID控制的结构图,-8为仿真结果图。

  从仿真的结果图可以看出,在电机启动以及电机的负载发生变化时,在模糊PID控制方式下较常规控制方式表现出更好的同电力系统及其自动化度越快,表明该算法的收敛性能越好。、分别绘制了IEEE -67系统的补偿间隙变化曲线,显然补偿间隙呈二次下降趋势衰减至给定的精度。

  5结束语本文建立了一种考虑输电网功率因数的无功优化模型,比较了模型一与模型二两种形式,并分析了相应的现代内点算法,总体具备如下特点:显著优化输电网功率因数,提高了电网的输电效率,进而改善了供电质量。

  模型二在等式约束中增加线路传输功率约束,简化了不等式约束,降低求解过程中高阶修正方程组系数矩阵产生的非零注入元素的数目,程序编写和运行的效率较高,尤其对于大型电力系统,效果更为显著。

  采用现代内点算法,收敛稳定,鲁棒性强,可满足在线运行的要求。

  对五个IEEE标准系统和一个实际系统进行优化计算,获得了较为理想的结果,本文的建模思想为求解含大规模复杂不等式约束的问题提供了全新的思路。

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