現代舞臺機械控制系統通常由臺上和臺下兩部分組成。其中,臺上系統主要包括假臺口、幕類、景桿、吊桿等,而舞臺吊桿是整場演出中最常用的必需設備，通常需要借助其同步協調運行來增強舞臺演出的效果[1]。實際系統中,由于存在參數攝動及負載擾動等內外不確定性因素的影響，傳統的控制方法往往很難滿足其高精度同步運行的要求。因此，借助于先進的控制方法來改善系統的同步性能,對演藝效果的提升具有重要的意義。
    舞臺調速吊桿群同步控制的實質是多電機同步控制。傳統的同步控制策略應用最多的是并聯控制方式，其啟動和停止階段均具有很好的同步性能。但對于位置來說，整個系統相當于開環控制，當運行過程中某一臺電機受到擾動時，電機之間將會產生同步偏差，同步性能也會變差。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[2]將模糊 PID控制算法運用到了偏差耦合同步方案的速度補償器中，應用模糊算法對速度補償器的參數進行在線整定，實現了對同步誤差的補償；參考文獻[3]提出了一種基于模糊控制器的改進耦合多電機同步控制，其仿真實驗得到了較好的同步效果；參考文獻[4]提出在電流環的基礎上，用內模控制技術設計速度控制器，以抑制速度波動，明顯改善了系統的跟隨性能和抗擾動性能；參考文獻[5]針對傳統 PID控制器對環境適應能力較弱的問題，提出一種基于內部模型的 PID控制器，以提高系統的魯棒性。但以上文獻僅從速度環方面考慮，均未引入位置補償，更是少有文獻將基于內模與模糊PID混合的方法應用于舞臺吊桿群的同步控制策略中。
    基于此，本文提出基于內模與模糊PID混合的多電機同步控制策略。該方法較主從控制具有更為優良的啟動性能，即在并聯控制的基礎上，采用內模控制器取代常規PI速度跟蹤控制器,提高了系統的魯棒性及跟蹤性能；同時將所有吊桿的位置信息引入模糊PID同步補償器，根據其偏差及其變化率的大小來在線整定PID的3個參數，實現對位置同步誤差的自適應補償，從而更有效地實現對舞臺調速吊桿群的高精度同步控制的目標。
1 舞臺調速吊桿群同步控制
1.1 多電機的同步控制方案構建
    實際舞臺系統中，會因外部環境引起的電機內部參數攝動以及負載擾動等不可預測的因素而影響到吊桿運動的準確性與平穩性。考慮到在多電機同步控制中，控制的核心仍是速度跟蹤控制器，這里采用對系統具有較強魯棒性的內模控制器取代常規PI跟蹤控制器，以有效地抑制其內外不確定性對同步性能的影響；同時考慮到補償控制器參數的適應性不足,難以從根本上消除同步誤差等問題，設計了基于位置同步誤差的模糊補償控制器,實現對所有吊桿的位置同步誤差自適應補償，使其保證每個吊桿都可以得到足夠的位置同步誤差信息，同時會對每個吊桿的速度波動產生響應，從而使舞臺調速吊桿群的同步控制精度得到進一步改善。
    為此，構建一種基于內模與模糊PID混合的舞臺調速吊桿群同步控制方案，其結構圖如圖1所示。圖中nr為設定轉速輸入，d為外部擾動，ni、si(i=1,2,…,m)分別為第i臺電機的實際轉速輸出和轉動位移輸出。

1.2 內模跟隨控制器的設計
    內模控制IMC(Internal Model Control)方法是Garcia和


    根據給定直流電機的傳遞函數，利用伯德圖得到其根軌跡，并通過基于Ziegler-Nichols的方法來整定PID控制器的3個初始參數,即KP=14.26，KI=0.45，KD=0.125。依據1.3章節分析，在 Matlab命令窗口運行Fuzzy函數進入模糊邏輯編輯器，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PID 控制系統的模型。
2.2 仿真與性能分析
    為驗證文中方法的有效性，在 Matlab平臺下，將其與同參數下的主從同步控制進行對比仿真分析。初始時刻給定電機轉速1 000 r/min，3臺電機內部存在不同的參數攝動，且當系統穩定后，t=5 s 時再分別給電機加不同的負載擾動，其轉速啟動、擾動曲線如圖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,在電機的啟動過程中，使用主從控制方式在1.5 s左右轉速才達到并穩定在設定值上，從電機的速度明顯落后主電機;而本文方法3臺電機轉速在0.5 s左右即可同步到達給定值。說明本文方法較主從控制方式具有更好的響應速度和電機啟動跟隨性能，且對每個軸的轉速都有及時的調節作用。3臺電機發生擾動時，使用主從控制方式轉速產生明顯波動，且1 s后電機仍有微小的波動；而本文方法對此擾動變化不顯著，且在0.6 s左右即可達到速度設定值。說明本文方法具有更強的魯棒性，能更有效地抑制內外不確定性因素造成的不同步現象。
    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，即從電機位移一直落后于主電機，從未實現同步運行；而本文方法僅有微小的同步誤差，能滿足實際工程中對平穩性的要求。反映出本文方法較主從控制方式具有更好的同步性能，更容易滿足舞臺吊桿群的高精度同步運行要求。

    本文針對舞臺調速吊桿群運行過程中易受由環境變化帶來的擾動與參數攝動影響而導致傳統的同步控制運行效果不理想的問題，提出將系統具有較強魯棒性的內模控制器引入舞臺調速吊桿的同步控制策略中，并結合模糊智能控制方法對位移進行同步自適應補償，從而實現多電機的高精度同步控制。仿真結果表明，文中所述方法在內部和外部的不確定性因素共存時，系統的啟動、抗擾及同步性能均優于主從式同步控制，更好地實現了舞臺調速吊桿群的高精度同步控制的目標。
參考文獻
[1] 王金海, 張麗麗, 王華平,等. 基于CYGNAL單片機和FPGA的舞臺吊桿控制器設計[J].電子技術應用,2005,31(5):42-44.
[2] 季明逸,游有鵬.基于偏差耦合法的同步控制策略研究與實踐[J].中國制造業信息化,2012,41(21):58-61.
[3] 崔皆凡,邢豐,趙楠,等.基于模糊控制器的改進耦合多電機同步控制[J].微電機,2011,44(3):75-77.
[4] 李運德,張淼,孫興中.基于內模控制的永磁同步電動機調速系統設計[J].微電機,2010(5):56-59,66.
[5] 秦剛,譚進,吳丹怡,等. 內模PID控制器在無刷直流電機調速系統中的應用[J].電子設計工程,2012,20(11):42-45.
[6] GARCIA C E, MORARI M. Internal model control: a unifying review and some new results[J]. Ind.Eng.Chem. Process Des. Dev.,1982,21(2):308-323.
[7] 王桂增,王詩宓.高等過程控制[M].北京:清華大學出版社,2002.
[8] MICHAIL P, IVAN G, ALBENA T. Fuzzy PID control of nonlinear plants[C]. 2002 First, International IEEE Sympos Sium “Intelligent Systems”, Varna:[s.n], 2002:30-35．
[9] 劉金琨.PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業出版社,2004.
[10] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京:機械工業出版社,2007.