现代舞台机械控制系统通常由台上和台下两部分组成。其中,台上系统主要包括假台口、幕类、景杆、吊杆等,而舞台吊杆是整场演出中最常用的必需设备，通常需要借助其同步协调运行来增强舞台演出的效果[1]。实际系统中,由于存在参数摄动及负载扰动等内外不确定性因素的影响，传统的控制方法往往很难满足其高精度同步运行的要求。因此，借助于先进的控制方法来改善系统的同步性能,对演艺效果的提升具有重要的意义。
    舞台调速吊杆群同步控制的实质是多电机同步控制。传统的同步控制策略应用最多的是并联控制方式，其启动和停止阶段均具有很好的同步性能。但对于位置来说，整个系统相当于开环控制，当运行过程中某一台电机受到扰动时，电机之间将会产生同步偏差，同步性能也会变差。因此，为提高同步精度，研究者提出了许多同步控制算法。其中，参考文献[2]将模糊 PID控制算法运用到了偏差耦合同步方案的速度补偿器中，应用模糊算法对速度补偿器的参数进行在线整定，实现了对同步误差的补偿；参考文献[3]提出了一种基于模糊控制器的改进耦合多电机同步控制，其仿真实验得到了较好的同步效果；参考文献[4]提出在电流环的基础上，用内模控制技术设计速度控制器，以抑制速度波动，明显改善了系统的跟随性能和抗扰动性能；参考文献[5]针对传统 PID控制器对环境适应能力较弱的问题，提出一种基于内部模型的 PID控制器，以提高系统的鲁棒性。但以上文献仅从速度环方面考虑，均未引入位置补偿，更是少有文献将基于内模与模糊PID混合的方法应用于舞台吊杆群的同步控制策略中。
    基于此，本文提出基于内模与模糊PID混合的多电机同步控制策略。该方法较主从控制具有更为优良的启动性能，即在并联控制的基础上，采用内模控制器取代常规PI速度跟踪控制器,提高了系统的鲁棒性及跟踪性能；同时将所有吊杆的位置信息引入模糊PID同步补偿器，根据其偏差及其变化率的大小来在线整定PID的3个参数，实现对位置同步误差的自适应补偿，从而更有效地实现对舞台调速吊杆群的高精度同步控制的目标。
1 舞台调速吊杆群同步控制
1.1 多电机的同步控制方案构建
    实际舞台系统中，会因外部环境引起的电机内部参数摄动以及负载扰动等不可预测的因素而影响到吊杆运动的准确性与平稳性。考虑到在多电机同步控制中，控制的核心仍是速度跟踪控制器，这里采用对系统具有较强鲁棒性的内模控制器取代常规PI跟踪控制器，以有效地抑制其内外不确定性对同步性能的影响；同时考虑到补偿控制器参数的适应性不足,难以从根本上消除同步误差等问题，设计了基于位置同步误差的模糊补偿控制器,实现对所有吊杆的位置同步误差自适应补偿，使其保证每个吊杆都可以得到足够的位置同步误差信息，同时会对每个吊杆的速度波动产生响应，从而使舞台调速吊杆群的同步控制精度得到进一步改善。
    为此，构建一种基于内模与模糊PID混合的舞台调速吊杆群同步控制方案，其结构图如图1所示。图中nr为设定转速输入，d为外部扰动，ni、si(i=1,2,…,m)分别为第i台电机的实际转速输出和转动位移输出。

1.2 内模跟随控制器的设计
    内模控制IMC(Internal Model Control)方法是Garcia和


    根据给定直流电机的传递函数，利用伯德图得到其根轨迹，并通过基于Ziegler-Nichols的方法来整定PID控制器的3个初始参数,即KP=14.26，KI=0.45，KD=0.125。依据1.3章节分析，在 Matlab命令窗口运行Fuzzy函数进入模糊逻辑编辑器，选择控制器类型为Mamdani型,建立Fuzzy Logic Controller模块,再利用Simulink工具箱搭建模糊自适应PID 控制系统的模型。
2.2 仿真与性能分析
    为验证文中方法的有效性，在 Matlab平台下，将其与同参数下的主从同步控制进行对比仿真分析。初始时刻给定电机转速1 000 r/min，3台电机内部存在不同的参数摄动，且当系统稳定后，t=5 s 时再分别给电机加不同的负载扰动，其转速启动、扰动曲线如图3所示，最大位移同步误差曲线如图4所示。
    由图3可以看出,在电机的启动过程中，使用主从控制方式在1.5 s左右转速才达到并稳定在设定值上，从电机的速度明显落后主电机;而本文方法3台电机转速在0.5 s左右即可同步到达给定值。说明本文方法较主从控制方式具有更好的响应速度和电机启动跟随性能，且对每个轴的转速都有及时的调节作用。3台电机发生扰动时，使用主从控制方式转速产生明显波动，且1 s后电机仍有微小的波动；而本文方法对此扰动变化不显著，且在0.6 s左右即可达到速度设定值。说明本文方法具有更强的鲁棒性，能更有效地抑制内外不确定性因素造成的不同步现象。
    由图4可以看出，主从同步控制中的位移同步误差逐渐增大,在1.5 s左右达到最大值4.5 r，之后始终保持4.5 r左右的最大位移同步误差，即从电机位移一直落后于主电机，从未实现同步运行；而本文方法仅有微小的同步误差，能满足实际工程中对平稳性的要求。反映出本文方法较主从控制方式具有更好的同步性能，更容易满足舞台吊杆群的高精度同步运行要求。

    本文针对舞台调速吊杆群运行过程中易受由环境变化带来的扰动与参数摄动影响而导致传统的同步控制运行效果不理想的问题，提出将系统具有较强鲁棒性的内模控制器引入舞台调速吊杆的同步控制策略中，并结合模糊智能控制方法对位移进行同步自适应补偿，从而实现多电机的高精度同步控制。仿真结果表明，文中所述方法在内部和外部的不确定性因素共存时，系统的启动、抗扰及同步性能均优于主从式同步控制，更好地实现了舞台调速吊杆群的高精度同步控制的目标。
参考文献
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