現(xiàn)代舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)通常由臺(tái)上和臺(tái)下兩部分組成。其中,臺(tái)上系統(tǒng)主要包括假臺(tái)口、幕類、景桿、吊桿等,而舞臺(tái)吊桿是整場(chǎng)演出中最常用的必需設(shè)備，通常需要借助其同步協(xié)調(diào)運(yùn)行來(lái)增強(qiáng)舞臺(tái)演出的效果[1]。實(shí)際系統(tǒng)中,由于存在參數(shù)攝動(dòng)及負(fù)載擾動(dòng)等內(nèi)外不確定性因素的影響，傳統(tǒng)的控制方法往往很難滿足其高精度同步運(yùn)行的要求。因此，借助于先進(jìn)的控制方法來(lái)改善系統(tǒng)的同步性能,對(duì)演藝效果的提升具有重要的意義。
    舞臺(tái)調(diào)速吊桿群同步控制的實(shí)質(zhì)是多電機(jī)同步控制。傳統(tǒng)的同步控制策略應(yīng)用最多的是并聯(lián)控制方式，其啟動(dòng)和停止階段均具有很好的同步性能。但對(duì)于位置來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)控制，當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中某一臺(tái)電機(jī)受到擾動(dòng)時(shí)，電機(jī)之間將會(huì)產(chǎn)生同步偏差，同步性能也會(huì)變差。因此，為提高同步精度，研究者提出了許多同步控制算法。其中，參考文獻(xiàn)[2]將模糊 PID控制算法運(yùn)用到了偏差耦合同步方案的速度補(bǔ)償器中，應(yīng)用模糊算法對(duì)速度補(bǔ)償器的參數(shù)進(jìn)行在線整定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)同步誤差的補(bǔ)償；參考文獻(xiàn)[3]提出了一種基于模糊控制器的改進(jìn)耦合多電機(jī)同步控制，其仿真實(shí)驗(yàn)得到了較好的同步效果；參考文獻(xiàn)[4]提出在電流環(huán)的基礎(chǔ)上，用內(nèi)?？刂萍夹g(shù)設(shè)計(jì)速度控制器，以抑制速度波動(dòng)，明顯改善了系統(tǒng)的跟隨性能和抗擾動(dòng)性能；參考文獻(xiàn)[5]針對(duì)傳統(tǒng) PID控制器對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力較弱的問(wèn)題，提出一種基于內(nèi)部模型的 PID控制器，以提高系統(tǒng)的魯棒性。但以上文獻(xiàn)僅從速度環(huán)方面考慮，均未引入位置補(bǔ)償，更是少有文獻(xiàn)將基于內(nèi)模與模糊PID混合的方法應(yīng)用于舞臺(tái)吊桿群的同步控制策略中。
    基于此，本文提出基于內(nèi)模與模糊PID混合的多電機(jī)同步控制策略。該方法較主從控制具有更為優(yōu)良的啟動(dòng)性能，即在并聯(lián)控制的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)?？刂破?/a>取代常規(guī)PI速度跟蹤控制器,提高了系統(tǒng)的魯棒性及跟蹤性能；同時(shí)將所有吊桿的位置信息引入模糊PID同步補(bǔ)償器，根據(jù)其偏差及其變化率的大小來(lái)在線整定PID的3個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置同步誤差的自適應(yīng)補(bǔ)償，從而更有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)舞臺(tái)調(diào)速吊桿群的高精度同步控制的目標(biāo)。
1 舞臺(tái)調(diào)速吊桿群同步控制
1.1 多電機(jī)的同步控制方案構(gòu)建
    實(shí)際舞臺(tái)系統(tǒng)中，會(huì)因外部環(huán)境引起的電機(jī)內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)以及負(fù)載擾動(dòng)等不可預(yù)測(cè)的因素而影響到吊桿運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性與平穩(wěn)性。考慮到在多電機(jī)同步控制中，控制的核心仍是速度跟蹤控制器，這里采用對(duì)系統(tǒng)具有較強(qiáng)魯棒性的內(nèi)?？刂破魅〈Ｒ?guī)PI跟蹤控制器，以有效地抑制其內(nèi)外不確定性對(duì)同步性能的影響；同時(shí)考慮到補(bǔ)償控制器參數(shù)的適應(yīng)性不足,難以從根本上消除同步誤差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于位置同步誤差的模糊補(bǔ)償控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)所有吊桿的位置同步誤差自適應(yīng)補(bǔ)償，使其保證每個(gè)吊桿都可以得到足夠的位置同步誤差信息，同時(shí)會(huì)對(duì)每個(gè)吊桿的速度波動(dòng)產(chǎn)生響應(yīng)，從而使舞臺(tái)調(diào)速吊桿群的同步控制精度得到進(jìn)一步改善。
    為此，構(gòu)建一種基于內(nèi)模與模糊PID混合的舞臺(tái)調(diào)速吊桿群同步控制方案，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中nr為設(shè)定轉(zhuǎn)速輸入，d為外部擾動(dòng)，ni、si(i=1,2,…,m)分別為第i臺(tái)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速輸出和轉(zhuǎn)動(dòng)位移輸出。

1.2 內(nèi)模跟隨控制器的設(shè)計(jì)
    內(nèi)?？刂艻MC(Internal Model Control)方法是Garcia和


    根據(jù)給定直流電機(jī)的傳遞函數(shù)，利用伯德圖得到其根軌跡，并通過(guò)基于Ziegler-Nichols的方法來(lái)整定PID控制器的3個(gè)初始參數(shù),即KP=14.26，KI=0.45，KD=0.125。依據(jù)1.3章節(jié)分析，在 Matlab命令窗口運(yùn)行Fuzzy函數(shù)進(jìn)入模糊邏輯編輯器，選擇控制器類型為Mamdani型,建立Fuzzy Logic Controller模塊,再利用Simulink工具箱搭建模糊自適應(yīng)PID 控制系統(tǒng)的模型。
2.2 仿真與性能分析
    為驗(yàn)證文中方法的有效性，在 Matlab平臺(tái)下，將其與同參數(shù)下的主從同步控制進(jìn)行對(duì)比仿真分析。初始時(shí)刻給定電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，3臺(tái)電機(jī)內(nèi)部存在不同的參數(shù)攝動(dòng)，且當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，t=5 s 時(shí)再分別給電機(jī)加不同的負(fù)載擾動(dòng)，其轉(zhuǎn)速啟動(dòng)、擾動(dòng)曲線如圖3所示，最大位移同步誤差曲線如圖4所示。
    由圖3可以看出,在電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中，使用主從控制方式在1.5 s左右轉(zhuǎn)速才達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)定值上，從電機(jī)的速度明顯落后主電機(jī);而本文方法3臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速在0.5 s左右即可同步到達(dá)給定值。說(shuō)明本文方法較主從控制方式具有更好的響應(yīng)速度和電機(jī)啟動(dòng)跟隨性能，且對(duì)每個(gè)軸的轉(zhuǎn)速都有及時(shí)的調(diào)節(jié)作用。3臺(tái)電機(jī)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，使用主從控制方式轉(zhuǎn)速產(chǎn)生明顯波動(dòng)，且1 s后電機(jī)仍有微小的波動(dòng)；而本文方法對(duì)此擾動(dòng)變化不顯著，且在0.6 s左右即可達(dá)到速度設(shè)定值。說(shuō)明本文方法具有更強(qiáng)的魯棒性，能更有效地抑制內(nèi)外不確定性因素造成的不同步現(xiàn)象。
    由圖4可以看出，主從同步控制中的位移同步誤差逐漸增大,在1.5 s左右達(dá)到最大值4.5 r，之后始終保持4.5 r左右的最大位移同步誤差，即從電機(jī)位移一直落后于主電機(jī)，從未實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行；而本文方法僅有微小的同步誤差，能滿足實(shí)際工程中對(duì)平穩(wěn)性的要求。反映出本文方法較主從控制方式具有更好的同步性能，更容易滿足舞臺(tái)吊桿群的高精度同步運(yùn)行要求。

    本文針對(duì)舞臺(tái)調(diào)速吊桿群運(yùn)行過(guò)程中易受由環(huán)境變化帶來(lái)的擾動(dòng)與參數(shù)攝動(dòng)影響而導(dǎo)致傳統(tǒng)的同步控制運(yùn)行效果不理想的問(wèn)題，提出將系統(tǒng)具有較強(qiáng)魯棒性的內(nèi)?？刂破饕胛枧_(tái)調(diào)速吊桿的同步控制策略中，并結(jié)合模糊智能控制方法對(duì)位移進(jìn)行同步自適應(yīng)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的高精度同步控制。仿真結(jié)果表明，文中所述方法在內(nèi)部和外部的不確定性因素共存時(shí)，系統(tǒng)的啟動(dòng)、抗擾及同步性能均優(yōu)于主從式同步控制，更好地實(shí)現(xiàn)了舞臺(tái)調(diào)速吊桿群的高精度同步控制的目標(biāo)。
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