基于改进GPC多桩腿海洋平台升降同步控制系统研究

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由齿轮齿条传动的多电机升降系统是自升式海洋平台的重要组成部分,其同步控制性能好坏直接决定了海洋平台升降过程的稳定性与可靠性。由于海洋平台多电机升降系统的被控电机数量多,易发生电机驱动特性不适配、电机到被控对象的传动特性不一致、平台重心偏移导致负载的扰动等问题。对此类非线性、强耦合系统,采用常规的控制方法易造成平台倾覆、关键部件受损,无法满足海洋平台升降这类复杂工况下的需求。因此,本文从多电机同步控制策略及控制算法两方面入手,对自升式海洋平台的多电机升降系统同步控制技术展开研究,以优化其控制结构、改善其同步控制精度。在分析海洋平台升降过程同步控制需求—即单个电机的高精度位置跟踪控制及多组电机的高精度群集同步控制的基础上,提出了基于预测控制的多电机升降系统环形耦合同步控制策略,通过理论推导、仿真和物理试验,验证了该策略的有效性。论文主要研究内容及结论如下:第一,在简化异步电机矢量控制的动态结构的基础上,建立了多电机连续升降平台闭环控制系统和其对应的数学模型,并分析了多电机海洋平台升降系统的同步控制需求,为后续同步补偿器控制器的设计提供理论依据。第二,针对多电机升降系统跟踪轨迹控制需求,在研究其单电机的高精度位置跟踪控制算法的基础上,提出一种改进广义预测控制算法来改善其单电机的位置跟踪控制性能,通过与传统广义预测控制(GPC)算法进行对比分析,验证了改进GPC控制对海洋平台多电机升降系统的跟踪控制效果。仿真结果表明,改进广义预测控制具有较好的定值跟踪和随动跟踪性能,具有超调小、响应速度快、抗扰动能力强和控制精度高的优点,能实现电机位置的实时跟踪控制。第三,针对多电机升降系统同步跟踪控制需求,提出了一种基于改进广义预测和环形耦合策略的控制方法。建立了以所有电机作为一个整体的统一受控自回归平均模型,从而简化了传统控制结构中的参数调整的过程;融合广义预测中的多步预测、滚动优化和反馈修正思想,设计了环形耦合同步预测控制器,构建了包含同步误差及位置跟踪误差的最优性能指标函数,对其同步控制规律进行了理论推导,通过仿真,将其和主从PID同步控制方法进行对比来验证其有效性。结果表明:该控制方法能准确跟踪运动轨迹,提高同步跟踪的瞬态性能。第四,搭建齿轮齿条式多电机平台物理样机,设计并完成基于广义预测控制的环形耦合同步控制方法,使用OPC与上位机实时交换数据,并对平台升降进行监控,通过与传统主从PID方法进行对比,检验了其实际效果优于传统控制方法。
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