[发明专利]基于卷径自适应估计的多电机耦合系统间接张力控制方法

权利要求书

1.基于卷径自适应估计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保证张力恒定的目标，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、各控制器根据输入的状态变量，设计基于终端滑模的尺度同步多智能协调控制策略，求得各电机理想的q轴电流i_q1^*、i_q2^*、i_q3^*、i_q4^*，其中卷径采用自适应方法进行估计；并将i_q1^*、i_q2^*、i_q3^*、i_q4^*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；所述卷径采用自适应方法进行估计的过程如下：

汽车安全气囊生产线多电机耦合系统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：

式(9)中，J₁₀为卷袋电机1的转动惯量，J₂₀为电机2的转动惯量，J₃₀为卷袋电机3的转动惯量，J₄₀为电机4的转动惯量，n_p为电机的转子极对数，为转子永磁体产生的磁链，i_q1、i_q2、i_q3、i_q4分别为卷袋电机1定子q轴电流、电机2定子q轴电流、卷袋电机3定子q轴电流、电机4定子q轴电流，F为布袋张力，μ为摩擦系数，η₂为电机2的效率，η₄为电机4的效率，g为重力加速度，l₂、l₄分别为电机2轴的每转机械位移量(m)、电机4轴的每转机械位移量(m)，D₁、D₃分别为卷袋电机1的卷袋绕动直径、卷袋电机3的卷袋绕动直径，m₂为m₁与卷袋电机1质量(Kg)的和，m₁为卷带电机1的布袋被卷绕部分的质量(Kg)，m₄为m₃与卷袋电机3质量(Kg)的和，m₃为卷带电机3的布袋被卷绕部分的质量(Kg)，B₁、B₂、B₃、B₄分别为卷袋电机1的粘滞摩擦系数、电机2的粘滞摩擦系数、卷袋电机3的粘滞摩擦系数、电机4的粘滞摩擦系数；

其中，J_1k为卷带电机1的纸卷转动惯量，J_3k为卷带电机3的纸卷转动惯量，J_2k为电机2负载转动惯量，J_4k为电机4负载转动惯量；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)，T₄₀为滚珠丝杠螺母、轴承部分摩擦转矩折算到电机4轴上的值(N.m)；ρ为布袋密度，b为布袋宽度，为卷袋电机1卷袋绕动直径D₁的导数，为卷袋电机3卷袋绕动直径D₃的导数；

令

则将四个电机的动力学模型(9)重写为如下形式：

式中，i＝1,2,3,4；

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，

则有，w₂^*＝w₁^*α₂＝ω₀α₂，w₄^*＝w₃^*α₄＝ω₀α₄；

采用尺度同步方法，定义各智能体的角速度跟随误差变量为：

e_i(t)＝ω_i(t)-α_iω₀，i＝1,2,3,4 (18)

式中，α_i为第i个智能体与领导智能体的角速度跟随尺度；

设领导智能体的角速度跟随误差e₀＝0，定义各智能体的状态误差变量：

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；

选取滑模面函数：

s_i＝c_2iζ_i^q/p+c_1i∫ζ_idt (20)

假定各智能体的干扰有界，且满足根据李雅普诺夫稳定性理论，基于滑模理论的电机智能体的间接张力控制策略为：

i_qi＝i_q-eqi+i_q-ni (21)

式中，分别为第i、j个智能体角速度跟随尺度及变化率α_j、α_i、的估计值；

设计卷径及卷径变化率的自适应估计率如下：

则各智能体的角速度跟随尺度及变化率的自适应估计率为：

式中，i＝2、4，k_i、c_1i、c_2i、β_1i、β_2i、β_1j、β_2j、q、p为第i、j个智能体的设计参数，满足k_i＞0、c_1i＞0，c_2i＞0，β_1i＞0，β_2i＞0，β_1j＞0，β_2j＞0、q、p为正的奇数，且1q/p2；R_i、R_j分别为第i、j个电机智能体的转动半径；

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：左侧的卷袋电机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，且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能够快速跟踪上其各自理想的角速度。