本發(fā)明涉及電氣工程，特別是一種絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法。

背景技術(shù)：

1、在電線電纜制造領(lǐng)域，絞線機(jī)作為核心加工設(shè)備，其功能與性能直接關(guān)系到線纜產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，絞線機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)到多電機(jī)同步控制的演變，為了實(shí)現(xiàn)更加精確的線材纏繞和更高的生產(chǎn)速率，傳統(tǒng)的多電機(jī)同步控制主要依賴于pid控制策略，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來維持線速度的一致性，然而，這種控制方式在面對(duì)復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)特性、負(fù)載突變及線材物理屬性變化時(shí)，往往難以達(dá)到理想的同步控制效果，導(dǎo)致線纜質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率受限。

2、尤其是對(duì)于高端線纜產(chǎn)品，包括通信電纜和特種電纜，其對(duì)絞制過程的精度要求極高，微小的同步誤差都會(huì)導(dǎo)致線纜結(jié)構(gòu)缺陷，影響最終的傳輸性能，現(xiàn)有技術(shù)的不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，傳統(tǒng)控制策略缺乏對(duì)系統(tǒng)非線性特性的全面考慮，預(yù)測(cè)不精確和應(yīng)對(duì)由于線材張力變化、摩擦力波動(dòng)及電機(jī)間動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)引起的同步偏差；其次，控制策略的適應(yīng)性不強(qiáng)，面對(duì)生產(chǎn)過程中突發(fā)的負(fù)載變化，包括線材材質(zhì)差異和線徑變化，不能迅速做出有效調(diào)整，影響生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的利用效率不高，缺乏有效的機(jī)制來融合歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，用來優(yōu)化控制策略。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有存在的問題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明提供了一種絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法解決傳統(tǒng)控制策略缺乏對(duì)系統(tǒng)非線性特性的全面考慮，預(yù)測(cè)不精確和應(yīng)對(duì)由于線材張力變化、摩擦力波動(dòng)及電機(jī)間動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)引起的同步偏差；其次，控制策略的適應(yīng)性不強(qiáng)，面對(duì)生產(chǎn)過程中突發(fā)的負(fù)載變化，包括線材材質(zhì)差異和線徑變化，不能迅速做出有效調(diào)整，影響生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的利用效率不高，缺乏有效的機(jī)制來融合歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，用來優(yōu)化控制策略的問題。

3、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

4、第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法，其包括，配備高精度編碼器于各電機(jī)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速和位置信息，并安裝傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)線材狀態(tài)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)；

5、構(gòu)建絞線機(jī)多電機(jī)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用非線性模型預(yù)測(cè)控制nmpc技術(shù)，根據(jù)非線性動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)未來系統(tǒng)狀態(tài)并計(jì)算控制指令序列；

6、基于歷史數(shù)據(jù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，預(yù)測(cè)控制策略，對(duì)負(fù)載突變和非線性效應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)整；

7、設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)權(quán)重分配算法，依據(jù)實(shí)時(shí)工況分析結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整各電機(jī)控制策略的權(quán)重參數(shù)；

8、實(shí)施所計(jì)算的控制指令至電機(jī)控制器，同時(shí)利用編碼器和傳感器網(wǎng)絡(luò)的反饋信息進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，根據(jù)誤差實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略，維持高度同步的絞線作業(yè)。

9、作為本發(fā)明所述絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述配備高精度編碼器于各電機(jī)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速和位置信息，并安裝傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)線材狀態(tài)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)，具體步驟為：

10、在絞線機(jī)的關(guān)鍵部位安裝壓電式力傳感器和激光測(cè)距儀，監(jiān)測(cè)線材張力和位移量；

11、通過溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)工作環(huán)境；

12、通過電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置、線材張力和位移的信息構(gòu)建綜合指標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為：

13、；

14、其中，is表示綜合指標(biāo)函數(shù)，n表示電機(jī)數(shù)量，vm,i表示第i臺(tái)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，表示所有電機(jī)轉(zhuǎn)速的平均值，pm,i表示第i臺(tái)電機(jī)的位置信息，表示電機(jī)位置的平均值，σp表示電機(jī)位置的標(biāo)準(zhǔn)差，ft,i表示第i根線材的實(shí)時(shí)張力，表示線材張力的平均值，σf表示張力的標(biāo)準(zhǔn)差，di表示第i根線材的實(shí)時(shí)位移，表示線材位移的平均值，σd表示位移的標(biāo)準(zhǔn)差，λ表示張力影響因子，η表示位移偏差的權(quán)重參數(shù)。

15、作為本發(fā)明所述絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述構(gòu)建絞線機(jī)多電機(jī)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用非線性模型預(yù)測(cè)控制nmpc技術(shù)，根據(jù)非線性動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)未來系統(tǒng)狀態(tài)并計(jì)算控制指令序列，具體步驟為：

16、基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩、線材張力、摩擦力、慣性力和非線性動(dòng)力學(xué)函數(shù)構(gòu)建非線性動(dòng)力學(xué)模型，表達(dá)式為：

17、；

18、其中，表示系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間的變化率，f表示一個(gè)非線性函數(shù)，x(t)表示當(dāng)前狀態(tài)的所有必要變量，u(t)表示控制向量，d(t)為外部擾動(dòng)向量；

19、基于非線性動(dòng)力學(xué)模型，構(gòu)建預(yù)測(cè)控制模型，用于預(yù)測(cè)未來時(shí)間步np的狀態(tài)，表達(dá)式為：

20、；

21、其中，k表示當(dāng)前時(shí)間步，tk表示當(dāng)前時(shí)間步的時(shí)間點(diǎn)，xk+e|k表示在時(shí)間步k時(shí)，基于當(dāng)前狀態(tài)預(yù)測(cè)到未來第e個(gè)時(shí)間步的狀態(tài)，xk表示系統(tǒng)在時(shí)間步k的實(shí)際狀態(tài)，△t表示采樣時(shí)間間隔；

22、基于預(yù)測(cè)控制模型構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為：

23、；

24、其中，j表示目標(biāo)函數(shù)的值，rk+i表示未來第k+i個(gè)時(shí)間步的目標(biāo)狀態(tài)，u表示控制向量，uk+i-1|k表示在時(shí)間步k時(shí)預(yù)測(cè)的在執(zhí)行第i-1個(gè)控制動(dòng)作時(shí)的控制輸入，w1和w2分別為狀態(tài)誤差和控制輸入的權(quán)重系數(shù)；

25、采用序列二次規(guī)劃sqp，在給定的約束條件下，求解出使得目標(biāo)函數(shù)j最小的控制序列，控制指令表達(dá)式為：

26、；

27、其中，nc為控制horizon，表示在優(yōu)化過程中考慮的未來時(shí)間步數(shù)，uk|k表示在時(shí)間k時(shí)，為時(shí)間k瞬間制定的控制指令，表示在時(shí)間k時(shí)，為未來第步預(yù)先計(jì)算的控制指令；

28、根據(jù)優(yōu)化得到的首步控制指令uk|k，將其發(fā)送至電機(jī)控制器，實(shí)施控制。

29、作為本發(fā)明所述絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述基于歷史數(shù)據(jù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，預(yù)測(cè)控制策略，具體步驟為：

30、收集絞線機(jī)在不同工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置、線材張力、位移以及環(huán)境參數(shù)；

31、將采集的數(shù)據(jù)按時(shí)間戳進(jìn)行排序，存儲(chǔ)為時(shí)間序列數(shù)據(jù)集；

32、從時(shí)間序列數(shù)據(jù)集中提取出電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率和張力波動(dòng)幅度；

33、電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率，表達(dá)式為：

34、；

35、其中，△v表示電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率，v(t)表示當(dāng)前時(shí)刻t的電機(jī)轉(zhuǎn)速，v(t-△t)表示前一時(shí)刻t-△t的電機(jī)轉(zhuǎn)速，△t表示兩個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間間隔；

36、張力波動(dòng)幅度，表達(dá)式為：

37、；

38、其中，δf表示張力波動(dòng)幅度，f(t)表示在時(shí)間t時(shí)刻的張力值，△t表示時(shí)間間隔，f(t-△t)表示在時(shí)間t之前的一個(gè)小時(shí)間段△t的張力值；

39、結(jié)合長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)lstm與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)cnn構(gòu)建sn模型；

40、將提取的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率、張力波動(dòng)幅度、歷史的控制指令和外部擾動(dòng)輸入到sn模型，輸出得到電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速和目標(biāo)張力；

41、設(shè)定前一時(shí)刻的歷史控制指令為cp，當(dāng)前時(shí)刻的外部擾動(dòng)為d；

42、計(jì)算處理后的輸入向量，sn模型表達(dá)式為：

43、；

44、其中，ip表示經(jīng)過預(yù)處理的綜合輸入向量，w△v,wδf,wc,wd分別對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率、張力波動(dòng)幅度、歷史控制指令、外部擾動(dòng)的權(quán)重系數(shù)，sgn為符號(hào)函數(shù)；

45、sn模型輸出層，表達(dá)式為：

46、；

47、其中，vd表示期望的電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出，td表示目標(biāo)張力輸出。

48、作為本發(fā)明所述絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述對(duì)負(fù)載突變和非線性效應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)整，具體步驟為：

49、收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置、線材張力、位移及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行精確監(jiān)控；

50、通過監(jiān)測(cè)電機(jī)電流的變化率，來判斷是否發(fā)生負(fù)載，變化率表達(dá)式為：

51、；

52、其中，△i/△t表示瞬時(shí)變化率，△i表示電流的變化率，△t表示時(shí)間間隔，i(t)表示在時(shí)間t時(shí)刻的電流值，i(t-△t)表示在時(shí)間t-△t時(shí)刻的電流值；

53、計(jì)算所有瞬時(shí)變化率△i/△t的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差σ△i/△t；

54、一旦檢測(cè)到負(fù)載突變，立即觸發(fā)非線性動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)重估，根據(jù)當(dāng)前工況調(diào)整模型中的摩擦系數(shù)和材料硬度系數(shù)；

55、根據(jù)最新數(shù)據(jù)迭代優(yōu)化模型中的參數(shù)f(x(t),u(t),d(t)。

56、作為本發(fā)明所述絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)權(quán)重分配算法，依據(jù)實(shí)時(shí)工況分析結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整各電機(jī)控制策略的權(quán)重參數(shù)，具體步驟為：

57、從傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)提取關(guān)鍵參數(shù)；

58、根據(jù)提取的參數(shù)，將實(shí)時(shí)工況分為正常運(yùn)行、輕度負(fù)載突變、重度負(fù)載突變?nèi)齻€(gè)類別；

59、為每個(gè)類別構(gòu)建特征向量，表達(dá)式為：

60、<mi>x=[h,</mi><msub><mi>v</mi><mi>m</mi></msub><mi>,t,</mi><mover><mrow><mi>δ</mi><mi>i/</mi><mi>δ</mi><mi>t</mi></mrow><mo stretchy="true">ˉ</mo></mover><mi>,</mi><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>δ</mi><mi>i/</mi><mi>δ</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mi>,δf]</mi>；

61、其中，x表示絞線機(jī)當(dāng)前工況的特征向量，h表示線材硬度，vm表示電機(jī)的運(yùn)行速度，t表示環(huán)境溫度；

62、基于x并結(jié)合動(dòng)態(tài)權(quán)重分配函數(shù)構(gòu)建mlp模型，自動(dòng)調(diào)整各控制策略的權(quán)重參數(shù)w△v,wδf,wc,wd，mlp模型表達(dá)式為：

63、<mi>w</mi><mi>(</mi><mi>x</mi><mi>)=</mi><mi>mlp</mi><mi>([</mi><msub><mi>w</mi><mrow><mi>δ</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mi>,</mi><msub><mi>w</mi><mi>δf</mi></msub><mi>,</mi><msub><mi>w</mi><mi>c</mi></msub><mi>,</mi><msub><mi>w</mi><mi>d</mi></msub><msub><mi>]</mi><mn>0</mn></msub><mi>;</mi><mi>x</mi><mi>)</mi>；

64、其中，w(x)表示動(dòng)態(tài)權(quán)重分配函數(shù)，mlp表示多層感知器，[w△v,wδf,wc,wd]0表示初始權(quán)重向量；

65、利用歷史工況數(shù)據(jù)和已知的最優(yōu)控制策略輸入mlp模型完成訓(xùn)練；

66、將動(dòng)態(tài)調(diào)整的權(quán)重輸入到sn模型中，得到新的輸入向量ipa，調(diào)整后sn模型表達(dá)式為：

67、<mi>i</mi><msub><mi>p</mi><mi>a</mi></msub><mi>=w(x)</mi><mi>?</mi><mi>[</mi><msub><mi>w</mi><mrow><mi>δ</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mi>?</mi><mi>log</mi><mi></mi><mi>(1+|</mi><mi>δ</mi><mi>v|),</mi><msub><mi>w</mi><mi>δf</mi></msub><mi>?</mi><msqrt><mi>δf</mi></msqrt><mi>,</mi><msub><mi>w</mi><mi>c</mi></msub><mi>?</mi><msub><mi>c</mi><mi>prev</mi></msub><mi>,</mi><msub><mi>w</mi><mi>d</mi></msub><mi>?</mi><mi>sgn(d)</mi><mi>?</mi><mi>ln</mi><mi></mi><mi>(1+|d|)]</mi>。

68、作為本發(fā)明所述絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述實(shí)施所計(jì)算的控制指令至電機(jī)控制器，同時(shí)利用編碼器和傳感器網(wǎng)絡(luò)的反饋信息進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，具體步驟為；

69、將通過非線性模型預(yù)測(cè)控制nmpc技術(shù)和深度學(xué)習(xí)輔助優(yōu)化后得到的控制指令發(fā)送至各電機(jī)的控制器；

70、通過高精度編碼器、力傳感器和位移傳感器，實(shí)時(shí)采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置、線材張力、位移以及環(huán)境參數(shù)。

71、作為本發(fā)明所述絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述根據(jù)誤差實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略，維持高度同步的絞線作業(yè)，具體步驟為：

72、將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入非線性動(dòng)力學(xué)模型得到系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，將系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行比較得到實(shí)際誤差e(t)，更新綜合指標(biāo)函數(shù)is的值；

73、利用動(dòng)態(tài)權(quán)重分配算法，根據(jù)當(dāng)前工況特征向量x，通過mlp模型自動(dòng)優(yōu)化控制策略的權(quán)重參數(shù)；

74、結(jié)合更新的權(quán)重參數(shù)和sn模型，重新計(jì)算并傳輸優(yōu)化后的控制指令至電機(jī)控制器，確?？刂浦噶钆c當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)的最佳匹配；

75、實(shí)施控制指令后，根據(jù)編碼器和傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)信息，連續(xù)調(diào)整控制策略直至誤差減小，使系統(tǒng)維持高度同步狀態(tài)。

76、第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其中：所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明第一方面所述的絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法的任一步驟。

77、第三方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其中：所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明第一方面所述的絞線機(jī)多電機(jī)同步控制方法的任一步驟。

78、本發(fā)明有益效果為：本發(fā)明通過集成高精度傳感與非線性動(dòng)力學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)和線材狀態(tài)的精密實(shí)時(shí)監(jiān)控，并借助nmpc技術(shù)預(yù)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，生成了最優(yōu)控制指令序列，同時(shí)，創(chuàng)新融合深度學(xué)習(xí)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)控制策略，有效應(yīng)對(duì)突變負(fù)載與非線性挑戰(zhàn)，提高了系統(tǒng)適應(yīng)性和控制精確度，通過動(dòng)態(tài)權(quán)重算法能根據(jù)工況變化即時(shí)調(diào)整控制權(quán)重，確保策略與實(shí)際情況高度契合，閉環(huán)反饋系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化控制策略，保障絞線作業(yè)的卓越同步性，克服了傳統(tǒng)方法在復(fù)雜環(huán)境下同步不準(zhǔn)確、適應(yīng)性不佳的難題。