[发明专利]基于多智能体的多电机耦合系统间接张力控制方法

权利要求书

1.基于多智能体的多电机耦合系统间接张力控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、根据汽车安全气囊生产线的工作机理，建立四个电机智能体协同工作的数学模型；然后根据汽车安全气囊生产线多电机耦合系统张力恒定的目标，确立不同电机智能体理想角速度之间的函数关系，取消张力传感器；

步骤二、利用数据采集及调理模块获得汽车安全气囊生产线多电机耦合系统的实时角速度信息w₁、w₂、w₃、w₄，与理想角速度做差值运算，求得其中e₁、w₁、w₂作为控制器1的输入，e₂、w₁、w₂作为控制器2的输入，e₃、w₁、w₃、w₄作为控制器3的输入，e₄、w₃、w₄作为控制器4的输入；控制器1、控制器2、控制器3、控制器4构成了汽车安全气囊生产线多电机耦合系统基于多智能体的间接张力控制；

步骤三、各控制器根据数据采集及调理模块输入的各智能体本身及相邻智能体的状态变量，通过合理设定滑模函数中积分器的初值，使系统的初始状态一开始就处于滑模面上，然后基于积分滑模控制策略求得各电机理想的q轴电流i_q1^*、i_q2^*、i_q3^*、i_q4^*，并将其作为四个电机的控制输入,且设四个电机理想的d轴电流i_d1^*＝i_d2^*＝i_d3^*＝i_d4^*＝0，系统中的干扰项采用自适应方法进行估计，其过程如下：

将给定的电机角速度ω₀信号作为虚拟电机，构成一个领导智能体，领导智能体的角速度只对其邻居智能体可知，由多智能体的定义性质可得，相应的邻接矩阵A为：

智能体i(i＝1,2,3,4)与领导智能体之间的连接权值用τ_i来表示，如果智能体i和领导智能体连通，则τ_i＝1(i＝1,2,3,4)，否则τ_i＝0；

令，

式中，

D₁＝χ₁∫v₁dt/∫w₁dt，D₃＝χ₂∫v₃dt/∫w₃dt

式中，v₁、v₃为分别为电机1、电机3的线速度，w₁、w₃分别为电机1、电机3的角速度，χ₁、χ₂为由实验确定的常数；

w₂^*＝w₁^*α₁，w₄^*＝w₃^*α₂；令ω₁＝w₁，ω₂＝w₂/α₁，ω₃＝w₃，ω₄＝w₄/α₂；

则将多电机耦合系统的状态方程重写为如下形式：

令，

则，

定义各智能体的状态误差：

式中，a_ij为邻接矩阵A中的第ij个元素，i＝1,2,3,4，j＝1,2,3,4，n＝4；

选取积分滑模面函数：

s_i＝ζ_i+c_i∫ζ_idt (20)

令为智能体干扰d′_i、d′_j的估计值；则基于滑模理论的四个电机智能体间接张力控制策略为：

i_qi＝i_q-eqi+i_q-ni (21)

其中，智能体的干扰估计自适应变化率为：

式中，i＝1、2、3、4；k_1i、k_2i、μ_1i、μ_2i为设计参数，满足k_i1＞0、k_2i＞0、μ_1i＞0、μ_2i＞0；

步骤四、四个电机智能体均采用矢量控制方法，首先采用电流传感器检测到电机三相定子交流电流i_ai，i_bi，i_ci，通过三相到两相的CLARK变换，将三相坐标系上的定子交流电流i_ai，i_bi，i_ci等效成两相静止坐标系上的交流电流i_αi，i_βi，再通过同步旋转坐标PARK变换，等效成同步旋转坐标系上的直流电流i_di和i_qi；根据步骤三求得i_qi^*，设定i_di^*＝0，利用交轴电流控制器和直轴电流控制器求得同步旋转坐标系上的直流电压u_di和u_qi，再经过坐标的PARK逆变换求得交流电流u_αi，u_βi，最后利用SVPWM模块变换成驱动逆变器功率开关器件的触发信号，从而调节加在各电机三相定子的交流电流i_ai，i_bi，i_ci，进而改变各电机的旋转角速度w_i；

步骤五、四个电机智能体构成汽车安全气囊生产线多电机耦合系统，卷袋电机1和电机2协同工作带动左侧卷尺旋转，卷袋电机3和电机4协同工作带动右侧卷尺旋转；具体工作过程是：卷袋电机1带动卷尺旋转将布袋卷绕在卷尺上，同时电机2通过同步传动机构带动卷袋电机1与卷尺直线移动，移动的距离应与布袋被卷起的长度相同；右侧的卷袋电机3带动卷尺旋转将布袋卷绕在卷尺上，同时电机4通过同步传动机构带动卷袋电机3与卷尺直线移动，且移动的距离应与布袋被卷起的长度相同，且在卷绕过程中保证各电机快速跟踪其理想的角速度。

2.如权利要求1所述的基于多智能体的多电机耦合系统间接张力控制方法，其特征在于，步骤一所述的根据汽车安全气囊生产线的工作机理，建立四个电机智能体协同工作的数学模型；然后根据汽车安全气囊生产线多电机耦合系统张力恒定的目标，确立不同电机智能体理想角速度之间的函数关系，取消张力传感器的过程如下：

卷袋过程中，卷袋电机1带动卷尺旋转将布袋卷绕在卷尺上，同时电机2通过同步传动机构带动卷袋电机1与卷尺直线移动，根据牛顿第二定律，卷袋过程应遵循的动力学运动定律：

式中，D₁为电机1卷袋绕动直径，J₁为卷袋电机1布袋与卷尺的转动惯量，F为布袋张力，w₁为卷袋电机1角速度，T₁为卷袋电机1转矩，B₁为粘滞摩擦系数；

其中：

式中，J_1k为纸卷转动惯量，J₁₀为卷带电机的转动惯量，m₁为布袋被卷绕部分的质量(Kg)，D₀为卷轴直径，ρ为布袋密度，b为布袋宽度；

将式(1)整理如下：

电机2的动力学方程：

式中：T₂为电机2的转矩，l₂为电机轴每转的机械位移量(m)，m₂为布袋和卷袋电机1的质量(Kg)；μ为摩擦系数，η为电机2的效率，T₂₀为滚珠丝杠螺母、轴承部分摩擦转矩折算到电机2轴上的值(N.m)，B₂为粘滞摩擦系数；

电机2的惯量J₂可由下面公式得出:

式中:J_2k为电机2负载转动惯量，J₂₀为电机2的转动惯量；

令：

整理安全气囊卷袋工位卷袋电机1和电机2的动力学模型如下：

同理，可得安全气囊卷袋工位卷袋电机3和电机4的动力学模型：

四个电机均为相同的永磁同步电机，采用i_d＝0的矢量控制方式，则四个电机的动力学模型为：

以卷袋过程中，卷袋电机智能体1和直线输送电机智能体2的协调工作为例分析；根据胡克定律，在材料的弹性范围内，应力低于比例极限的情况下，固体中的应力σ与应变ε成正比，即σ＝Eε，即布袋卷袋过程中的应变可表示为：ΔL＝(1/E)×L×(F/A)＝(1/E)×L×σ，式中E为常数称为弹性模量或杨氏模量，L为布袋长度，ΔL为总伸长或缩减量，A为其横截面积；假定布袋和卷尺之间没有相对滑动，电机和卷尺的传送比为1:1，且本段距离内的布袋上的张力处处相等，则张力F为：

F＝EAε＝EA(L'-L)/L (10)

式中，F为卷袋张力，ε为形变率；

设t为卷袋L(m)所用的时间，则有：

由线速度与角速度的关系可得：

式中，R₂为电机2的转动半径；

对式(11)两边求导得：

由式(12)可知，为保证张力恒定，卷袋电机1和电机2的理想角速度应满足：同理卷袋电机3和电机4的理想角速度应满足：卷袋电机1和卷袋电机3的理想角速度应满足：w₁^*＝w₃^*。