本發(fā)明涉及液壓系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大規(guī)模液壓系統(tǒng)的分布式協(xié)同控制方法。

背景技術(shù)：

大規(guī)模液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在起重大橋或大型建筑的應(yīng)用中，它的功能是完成同步頂升等大型復(fù)雜的任務(wù)。尤其是在大型的安裝頂升工程中，頂升支點(diǎn)的不同步將使頂升對(duì)象傾覆、頂升效率低、不穩(wěn)定、頂升過程中卡死等一系列的工程性問題。

現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)集中式控制方法為，一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者機(jī)構(gòu)向每一個(gè)液壓系統(tǒng)發(fā)送控制命令，這就需要將所有液壓系統(tǒng)連接到領(lǐng)導(dǎo)者機(jī)構(gòu)的服務(wù)器上來。

上述現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)集中式控制方法的缺點(diǎn)為:這種通過有線傳輸控制信息的方法在距離遠(yuǎn)、分布廣的情況下不能快速完成同步控制任務(wù)，同時(shí)也存在接線復(fù)雜的問題，缺乏安全性和美觀性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種大規(guī)模液壓系統(tǒng)的分布式協(xié)同控制方法，以實(shí)現(xiàn)在大規(guī)模液壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)同控制。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。

一種大規(guī)模液壓系統(tǒng)的分布式協(xié)同控制方法，包括：

給大規(guī)模液壓系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)，將其它的液壓系統(tǒng)設(shè)置為追隨者液壓系統(tǒng)，所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)和服務(wù)器連接，按照所述服務(wù)器發(fā)送過來的指令信號(hào)運(yùn)動(dòng)；

所述追隨者液壓系統(tǒng)追蹤所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，與所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)保持狀態(tài)一致。

進(jìn)一步地，所述的給大規(guī)模液壓系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)，包括：

將大規(guī)模液壓系統(tǒng)中的各個(gè)液壓系統(tǒng)分布式設(shè)置，將和服務(wù)器距離最近的液壓系統(tǒng)設(shè)置為領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)，所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)和所述服務(wù)器通過有線連接或者通過無線連接，接收并執(zhí)行所述服務(wù)器傳輸過來的指令信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述的追隨者液壓系統(tǒng)追蹤所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，與所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)保持狀態(tài)一致，包括：

在每個(gè)液壓系統(tǒng)中設(shè)置控制器和無線通信單元，與所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)中的無線通信單元與所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)中的無線通信單元通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，獲取所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息，與所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)中的控制器根據(jù)所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息進(jìn)行自主決策，追蹤所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，與所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)保持狀態(tài)一致。

進(jìn)一步地，所述的追隨者液壓系統(tǒng)追蹤所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，與所述領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)保持狀態(tài)一致，包括：

每個(gè)追隨者液壓系統(tǒng)利用鄰居液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息來設(shè)計(jì)控制器，相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)中的無線通信單元通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，獲取相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息，追隨者液壓系統(tǒng)中的控制器根據(jù)相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息進(jìn)行自主決策，追蹤相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，與相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)保持狀態(tài)一致。

進(jìn)一步地，所述的方法還包括：

根據(jù)單個(gè)液壓系統(tǒng)的閥控液壓缸模型建立領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：

設(shè)第i個(gè)追隨者液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

第i個(gè)液壓系統(tǒng)的控制器描述為：

式中，γ為控制參數(shù)，h_ij為第i個(gè)液壓系統(tǒng)與第j個(gè)液壓系統(tǒng)之間的連接權(quán)值，若h_ij＞0說明第i個(gè)液壓系統(tǒng)與第j個(gè)液壓系統(tǒng)之間能夠互相通信，若h_ij＝0說明第i個(gè)液壓系統(tǒng)與第j個(gè)液壓系統(tǒng)之間無連接，第i個(gè)液壓系統(tǒng)與第j個(gè)液壓系統(tǒng)不在彼此的通信范圍內(nèi)，d_i為第i個(gè)液壓系統(tǒng)與領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)之間的連接權(quán)值，若d_i＞0說明第i個(gè)液壓系統(tǒng)能夠獲得領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息，若d_i＝0說明第i個(gè)液壓系統(tǒng)之間不能得到領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息。

進(jìn)一步地，所述的方法還包括：

根據(jù)所述第i個(gè)追隨者液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和第i個(gè)液壓系統(tǒng)的控制器，得到整體大規(guī)模液壓系統(tǒng)的誤差模型：

其中，為大規(guī)模液壓系統(tǒng)之間通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Laplacian矩陣，I_n為n階單位矩陣。

由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提出的大規(guī)模液壓系統(tǒng)的分布式協(xié)同控制方法采用無線交互通信方法，每一個(gè)液壓系統(tǒng)配置一個(gè)控制器，該控制器只能利用其鄰居液壓系統(tǒng)的信息來工作，使每個(gè)控制器可以進(jìn)行自主決策，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)之間局部信息交互的一種協(xié)同控制方法。不需要將所有液壓系統(tǒng)連接到領(lǐng)導(dǎo)者服務(wù)器，克服了有線傳輸在大面積同步控制時(shí)效率低，連線難等弊端。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種大規(guī)模液壓系統(tǒng)同步頂升示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種大規(guī)模液壓系統(tǒng)的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種單個(gè)閥控液壓缸的物理模型圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時(shí)，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個(gè)或更多個(gè)相關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)的任一單元和全部組合。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。

為便于對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解，下面將結(jié)合附圖以幾個(gè)具體實(shí)施例為例做進(jìn)一步的解釋說明，且各個(gè)實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。

本發(fā)明實(shí)施例針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，在液壓缸采用無線通信技術(shù)，并且采用分布式協(xié)同控制方法。

本發(fā)明實(shí)施例針對(duì)多個(gè)液壓缸相互耦合作用的應(yīng)用場(chǎng)景，如圖1所示將液壓缸部署在大面積中。本發(fā)明提出的大規(guī)模液壓系統(tǒng)的分布式協(xié)同控制方法，該方法給大規(guī)模液壓系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)服務(wù)器，在每個(gè)液壓系統(tǒng)中配置一個(gè)控制器，該控制器只能利用其鄰居液壓系統(tǒng)的信息來工作，每個(gè)控制器可以進(jìn)行自主決策，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)之間局部信息交互的一種協(xié)同控制方法。

比如，當(dāng)液壓系統(tǒng)B在液壓系統(tǒng)A的通訊范圍內(nèi)，這里的通訊范圍是根據(jù)設(shè)置在液壓系統(tǒng)上的無線通訊單元的通信距離確定的。

A能夠得到B的狀態(tài)信息時(shí)，稱液壓系統(tǒng)B為A的鄰居。液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息視應(yīng)用情況而定，若只需要進(jìn)行液壓系統(tǒng)的伸出桿位移控制，則該狀態(tài)信息指液壓缸伸出桿的位移，若需要同時(shí)控制液壓系統(tǒng)力和位移，則該狀態(tài)信息包含液壓缸的出力和伸出桿的位移。液壓系統(tǒng)上可以加位移傳感器和力傳感器測(cè)得這些狀態(tài)信息。

在彼此的通訊范圍內(nèi)的兩個(gè)液壓系統(tǒng)A和B，可以互相獲得彼此信息，分別用獲取的鄰居液壓系統(tǒng)(可能為多個(gè))信息來設(shè)計(jì)自己的分布式控制器，每一個(gè)液壓系統(tǒng)經(jīng)過該分布式控制器的作用都在趨向于其鄰居的狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)整體液壓系統(tǒng)的狀態(tài)一致。

本發(fā)明實(shí)施例將大規(guī)模液壓系統(tǒng)中的各個(gè)液壓系統(tǒng)分布式設(shè)置，給大規(guī)模液壓系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)，將和服務(wù)器距離最近的液壓系統(tǒng)設(shè)置為領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)，領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)和服務(wù)器通過有線連接或者通過無線連接，接收并執(zhí)行所述服務(wù)器傳輸過來的指令信號(hào)。將其它的液壓系統(tǒng)設(shè)置為追隨者液壓系統(tǒng)，領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)和服務(wù)器連接，按照服務(wù)器發(fā)送過來的指令信號(hào)運(yùn)動(dòng)。追隨者液壓系統(tǒng)追蹤領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，與領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)保持狀態(tài)一致。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種大規(guī)模液壓系統(tǒng)的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，和服務(wù)器連接的為領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)，其余為追隨者液壓系統(tǒng)，虛線圓圈表示每個(gè)液壓系統(tǒng)的無線通訊范圍。領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)按照指定信號(hào)運(yùn)動(dòng)，追隨者液壓系統(tǒng)追蹤領(lǐng)導(dǎo)者運(yùn)動(dòng)，與領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)保持狀態(tài)一致。

在每個(gè)液壓系統(tǒng)中設(shè)置控制器和無線通信單元，與領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)中的無線通信單元與領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)中的無線通信單元通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，獲取領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息，與領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)中的控制器根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息進(jìn)行自主決策，追蹤領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，與領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)保持狀態(tài)一致。

每個(gè)追隨者液壓系統(tǒng)利用鄰居液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息來設(shè)計(jì)控制器，相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)中的無線通信單元通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，獲取相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息，追隨者液壓系統(tǒng)中的控制器根據(jù)相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息進(jìn)行自主決策，追蹤相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，與相鄰的追隨者液壓系統(tǒng)保持狀態(tài)一致。

分別建立了領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)和追隨者液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是單個(gè)液壓系統(tǒng)最基本的閥控液壓缸模型，如圖3所示。

根據(jù)閥控液壓缸物理模型，分別建立流量方程、液壓缸連續(xù)性方程、液壓缸和負(fù)載的力平衡方程，將活塞的質(zhì)量和粘性阻尼折算到負(fù)載上，粘性阻尼系數(shù)一般較小，可忽略不計(jì)，若記活塞位移對(duì)閥位移的傳遞函數(shù)為：

其中，x_v為控制閥閥芯位移(m)；y_L為液壓缸活塞位移(m)；K_q為流量增益((m³/s)/m)；A為液壓缸活塞有效面積(m²)；K_c為流量壓力系數(shù)((m³/s)/Pa)；C_tc為液壓缸的總泄漏系數(shù)((m³/s)/Pa)；V_t為液壓缸油腔總?cè)莘e(m³)；β_e為有效體積彈性模數(shù)(Pa)；m為活塞和負(fù)載等效質(zhì)量(kg)。

假設(shè)閥位移與控制電流之間的比例系數(shù)為K_u，進(jìn)而可得其狀態(tài)方程形式如下：

其中，

領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為

然后建立追隨者液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，追隨者液壓系統(tǒng)的控制器僅連接到最近的液壓系統(tǒng)，與服務(wù)器最近的液壓系統(tǒng)被選擇為領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)，所有未連接到服務(wù)器的其他液壓系統(tǒng)被視為追隨者液壓系統(tǒng)。假設(shè)第i個(gè)追隨者液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

根據(jù)上面的描述，大規(guī)模液壓系統(tǒng)采用分布式控制，每個(gè)液壓系統(tǒng)只能利用鄰居液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息來設(shè)計(jì)控制器，第i個(gè)液壓系統(tǒng)的控制器描述為：

式中，γ為控制參數(shù)，h_ij為第i個(gè)液壓系統(tǒng)與第j個(gè)液壓系統(tǒng)之間的連接權(quán)值，若h_ij＞0說明第i個(gè)液壓系統(tǒng)與第j個(gè)液壓系統(tǒng)之間可以互相通信，若h_ij＝0說明第i個(gè)液壓系統(tǒng)與第j個(gè)液壓系統(tǒng)之間無連接，第i個(gè)液壓系統(tǒng)與第j個(gè)液壓系統(tǒng)不在彼此的通信范圍內(nèi)。d_i為第i個(gè)液壓系統(tǒng)與領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)之間的連接權(quán)值，若d_i＞0說明第i個(gè)液壓系統(tǒng)可以獲得領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的狀態(tài)信息，若d_i＝0說明第i個(gè)液壓系統(tǒng)之間不能得到領(lǐng)導(dǎo)者液壓系統(tǒng)的信息。

最后根據(jù)各個(gè)液壓子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，建立整體大規(guī)模液壓系統(tǒng)的耦合數(shù)學(xué)模型，分析整體大規(guī)模液壓系統(tǒng)的信息傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Laplacian矩陣。

將控制器(5)帶入液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(4)中，整理得到整體大規(guī)模液壓系統(tǒng)的誤差模型：

其中，為大規(guī)模液壓系統(tǒng)之間通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Laplacian矩陣，I_n為n階單位矩陣。

根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性，至此，將大規(guī)模液壓系統(tǒng)的同步問題轉(zhuǎn)化為了整體耦合系統(tǒng)的誤差穩(wěn)定性問題，通過分析公式(6)的誤差模型的穩(wěn)定性可以得到保證整體系統(tǒng)同步性的控制參數(shù)。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提出的大規(guī)模液壓系統(tǒng)的分布式協(xié)同控制方法采用無線交互通信方法，每一個(gè)液壓系統(tǒng)配置一個(gè)控制器，該控制器只能利用其鄰居液壓系統(tǒng)的信息來工作，使每個(gè)控制器可以進(jìn)行自主決策，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)之間局部信息交互的一種協(xié)同控制方法。不需要將所有液壓系統(tǒng)連接到領(lǐng)導(dǎo)者服務(wù)器，克服了有線傳輸在大面積同步控制時(shí)效率低，連線難等弊端，在大規(guī)模液壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了有效的分布式協(xié)同控制。

每一個(gè)液壓系統(tǒng)利用自身控制器的信號(hào)可完成局部獨(dú)立控制，將大規(guī)模液壓系統(tǒng)控制方法由集中控制升級(jí)為基于局部信息自主決策的分布式控制，類似于由一個(gè)人同時(shí)做多件事情升級(jí)為多個(gè)人分別做一件事情并相互傳遞信息，有效提升了控制的針對(duì)性和有效性，大大增強(qiáng)了大規(guī)模液壓系統(tǒng)的適應(yīng)性、靈活性。

研究各個(gè)液壓子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，建立整體液壓系統(tǒng)的耦合數(shù)學(xué)模型，分析其信息傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Laplacian矩陣。從控制理論上實(shí)現(xiàn)高精度的頂升系統(tǒng)的同步，將為實(shí)際液壓同步頂升系統(tǒng)的改進(jìn)提供理論平臺(tái)。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：附圖只是一個(gè)實(shí)施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實(shí)施本發(fā)明所必須的。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。