CN106527134A - 大规模液压系统的分布式协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大规模液压系统的分布式协同控制方法。给大规模液压系统设置一个领导者液压系统，将其它的液压系统设置为追随者液压系统，领导者液压系统和服务器连接，按照服务器发送过来的指令信号运动；追随者液压系统追踪领导者液压系统运动，与领导者液压系统保持状态一致。本发明提出的大规模液压系统的分布式协同控制方法采用无线交互通信方法，每一个液压系统配置一个控制器，该控制器只能利用其邻居液压系统的信息来工作，使每个控制器可以进行自主决策，实现液压系统之间局部信息交互的一种协同控制方法。不需要将所有液压系统连接到服务器，克服了有线传输在大面积同步控制时效率低，连线难等弊端。

Description

大规模液压系统的分布式协同控制方法

技术领域

本发明涉及液压系统控制技术领域，尤其涉及一种大规模液压系统的分布式协同控制方法。

背景技术

大规模液压系统广泛应用在起重大桥或大型建筑的应用中，它的功能是完成同步顶升等大型复杂的任务。尤其是在大型的安装顶升工程中，顶升支点的不同步将使顶升对象倾覆、顶升效率低、不稳定、顶升过程中卡死等一系列的工程性问题。

现有的液压系统集中式控制方法为，一个领导者机构向每一个液压系统发送控制命令，这就需要将所有液压系统连接到领导者机构的服务器上来。

上述现有的液压系统集中式控制方法的缺点为:这种通过有线传输控制信息的方法在距离远、分布广的情况下不能快速完成同步控制任务，同时也存在接线复杂的问题，缺乏安全性和美观性。

发明内容

本发明的实施例提供了一种大规模液压系统的分布式协同控制方法，以实现在大规模液压系统中实现分布式协同控制。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种大规模液压系统的分布式协同控制方法，包括：

给大规模液压系统设置一个领导者液压系统，将其它的液压系统设置为追随者液压系统，所述领导者液压系统和服务器连接，按照所述服务器发送过来的指令信号运动；

所述追随者液压系统追踪所述领导者液压系统运动，与所述领导者液压系统保持状态一致。

进一步地，所述的给大规模液压系统设置一个领导者液压系统，包括：

将大规模液压系统中的各个液压系统分布式设置，将和服务器距离最近的液压系统设置为领导者液压系统，所述领导者液压系统和所述服务器通过有线连接或者通过无线连接，接收并执行所述服务器传输过来的指令信号。

进一步地，所述的追随者液压系统追踪所述领导者液压系统运动，与所述领导者液压系统保持状态一致，包括：

在每个液压系统中设置控制器和无线通信单元，与所述领导者液压系统相邻的追随者液压系统中的无线通信单元与所述领导者液压系统中的无线通信单元通过无线网络进行信息交互，获取所述领导者液压系统的状态信息，与所述领导者液压系统相邻的追随者液压系统中的控制器根据所述领导者液压系统的状态信息进行自主决策，追踪所述领导者液压系统的运动，与所述领导者液压系统保持状态一致。

进一步地，所述的追随者液压系统追踪所述领导者液压系统运动，与所述领导者液压系统保持状态一致，包括：

每个追随者液压系统利用邻居液压系统的状态信息来设计控制器，相邻的追随者液压系统中的无线通信单元通过无线网络进行信息交互，获取相邻的追随者液压系统的状态信息，追随者液压系统中的控制器根据相邻的追随者液压系统的状态信息进行自主决策，追踪相邻的追随者液压系统的运动，与相邻的追随者液压系统保持状态一致。

进一步地，所述的方法还包括：

根据单个液压系统的阀控液压缸模型建立领导者液压系统的数学模型：

设第i个追随者液压系统的数学模型为：

第i个液压系统的控制器描述为：

式中，γ为控制参数，h_ij为第i个液压系统与第j个液压系统之间的连接权值，若h_ij＞0说明第i个液压系统与第j个液压系统之间能够互相通信，若h_ij＝0说明第i个液压系统与第j个液压系统之间无连接，第i个液压系统与第j个液压系统不在彼此的通信范围内，d_i为第i个液压系统与领导者液压系统之间的连接权值，若d_i＞0说明第i个液压系统能够获得领导者液压系统的状态信息，若d_i＝0说明第i个液压系统之间不能得到领导者液压系统的状态信息。

进一步地，所述的方法还包括：

根据所述第i个追随者液压系统的数学模型和第i个液压系统的控制器，得到整体大规模液压系统的误差模型：

其中， 为大规模液压系统之间通信拓扑结构的Laplacian矩阵，I_n为n阶单位矩阵。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提出的大规模液压系统的分布式协同控制方法采用无线交互通信方法，每一个液压系统配置一个控制器，该控制器只能利用其邻居液压系统的信息来工作，使每个控制器可以进行自主决策，实现液压系统之间局部信息交互的一种协同控制方法。不需要将所有液压系统连接到领导者服务器，克服了有线传输在大面积同步控制时效率低，连线难等弊端。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种大规模液压系统同步顶升示意图；

图2为本发明实施例提供的一种大规模液压系统的通信拓扑结构图；

图3为本发明实施例提供的一种单个阀控液压缸的物理模型图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例针对现有技术的缺点，在液压缸采用无线通信技术，并且采用分布式协同控制方法。

本发明实施例针对多个液压缸相互耦合作用的应用场景，如图1所示将液压缸部署在大面积中。本发明提出的大规模液压系统的分布式协同控制方法，该方法给大规模液压系统设置一个服务器，在每个液压系统中配置一个控制器，该控制器只能利用其邻居液压系统的信息来工作，每个控制器可以进行自主决策，实现液压系统之间局部信息交互的一种协同控制方法。

比如，当液压系统B在液压系统A的通讯范围内，这里的通讯范围是根据设置在液压系统上的无线通讯单元的通信距离确定的。

A能够得到B的状态信息时，称液压系统B为A的邻居。液压系统的状态信息视应用情况而定，若只需要进行液压系统的伸出杆位移控制，则该状态信息指液压缸伸出杆的位移，若需要同时控制液压系统力和位移，则该状态信息包含液压缸的出力和伸出杆的位移。液压系统上可以加位移传感器和力传感器测得这些状态信息。

在彼此的通讯范围内的两个液压系统A和B，可以互相获得彼此信息，分别用获取的邻居液压系统(可能为多个)信息来设计自己的分布式控制器，每一个液压系统经过该分布式控制器的作用都在趋向于其邻居的状态，最终实现整体液压系统的状态一致。

本发明实施例将大规模液压系统中的各个液压系统分布式设置，给大规模液压系统设置一个领导者液压系统，将和服务器距离最近的液压系统设置为领导者液压系统，领导者液压系统和服务器通过有线连接或者通过无线连接，接收并执行所述服务器传输过来的指令信号。将其它的液压系统设置为追随者液压系统，领导者液压系统和服务器连接，按照服务器发送过来的指令信号运动。追随者液压系统追踪领导者液压系统运动，与领导者液压系统保持状态一致。

图2为本发明实施例提供的一种大规模液压系统的通信拓扑结构图，如图2所示，和服务器连接的为领导者液压系统，其余为追随者液压系统，虚线圆圈表示每个液压系统的无线通讯范围。领导者液压系统按照指定信号运动，追随者液压系统追踪领导者运动，与领导者液压系统保持状态一致。

在每个液压系统中设置控制器和无线通信单元，与领导者液压系统相邻的追随者液压系统中的无线通信单元与领导者液压系统中的无线通信单元通过无线网络进行信息交互，获取领导者液压系统的状态信息，与领导者液压系统相邻的追随者液压系统中的控制器根据领导者液压系统的状态信息进行自主决策，追踪领导者液压系统的运动，与领导者液压系统保持状态一致。

每个追随者液压系统利用邻居液压系统的状态信息来设计控制器，相邻的追随者液压系统中的无线通信单元通过无线网络进行信息交互，获取相邻的追随者液压系统的状态信息，追随者液压系统中的控制器根据相邻的追随者液压系统的状态信息进行自主决策，追踪相邻的追随者液压系统的运动，与相邻的追随者液压系统保持状态一致。

分别建立了领导者液压系统和追随者液压系统的数学模型，领导者液压系统的数学模型是单个液压系统最基本的阀控液压缸模型，如图3所示。

根据阀控液压缸物理模型，分别建立流量方程、液压缸连续性方程、液压缸和负载的力平衡方程，将活塞的质量和粘性阻尼折算到负载上，粘性阻尼系数一般较小，可忽略不计，若记活塞位移对阀位移的传递函数为：

其中，x_v为控制阀阀芯位移(m)；y_L为液压缸活塞位移(m)；K_q为流量增益((m³/s)/m)；A为液压缸活塞有效面积(m²)；K_c为流量压力系数((m³/s)/Pa)；C_tc为液压缸的总泄漏系数((m³/s)/Pa)；V_t为液压缸油腔总容积(m³)；β_e为有效体积弹性模数(Pa)；m为活塞和负载等效质量(kg)。

假设阀位移与控制电流之间的比例系数为K_u，进而可得其状态方程形式如下：

其中，

领导者液压系统的数学模型为

然后建立追随者液压系统的数学模型，追随者液压系统的控制器仅连接到最近的液压系统，与服务器最近的液压系统被选择为领导者液压系统，所有未连接到服务器的其他液压系统被视为追随者液压系统。假设第i个追随者液压系统的数学模型为：

根据上面的描述，大规模液压系统采用分布式控制，每个液压系统只能利用邻居液压系统的状态信息来设计控制器，第i个液压系统的控制器描述为：

式中，γ为控制参数，h_ij为第i个液压系统与第j个液压系统之间的连接权值，若h_ij＞0说明第i个液压系统与第j个液压系统之间可以互相通信，若h_ij＝0说明第i个液压系统与第j个液压系统之间无连接，第i个液压系统与第j个液压系统不在彼此的通信范围内。d_i为第i个液压系统与领导者液压系统之间的连接权值，若d_i＞0说明第i个液压系统可以获得领导者液压系统的状态信息，若d_i＝0说明第i个液压系统之间不能得到领导者液压系统的信息。

最后根据各个液压子系统之间的耦合关系，建立整体大规模液压系统的耦合数学模型，分析整体大规模液压系统的信息传输拓扑结构的Laplacian矩阵。

将控制器(5)带入液压系统数学模型(4)中，整理得到整体大规模液压系统的误差模型：

其中， 为大规模液压系统之间通信拓扑结构的Laplacian矩阵，I_n为n阶单位矩阵。

根据Lyapunov稳定性，至此，将大规模液压系统的同步问题转化为了整体耦合系统的误差稳定性问题，通过分析公式(6)的误差模型的稳定性可以得到保证整体系统同步性的控制参数。

综上所述，本发明实施例提出的大规模液压系统的分布式协同控制方法采用无线交互通信方法，每一个液压系统配置一个控制器，该控制器只能利用其邻居液压系统的信息来工作，使每个控制器可以进行自主决策，实现液压系统之间局部信息交互的一种协同控制方法。不需要将所有液压系统连接到领导者服务器，克服了有线传输在大面积同步控制时效率低，连线难等弊端，在大规模液压系统中实现了有效的分布式协同控制。

每一个液压系统利用自身控制器的信号可完成局部独立控制，将大规模液压系统控制方法由集中控制升级为基于局部信息自主决策的分布式控制，类似于由一个人同时做多件事情升级为多个人分别做一件事情并相互传递信息，有效提升了控制的针对性和有效性，大大增强了大规模液压系统的适应性、灵活性。

研究各个液压子系统之间的耦合关系，建立整体液压系统的耦合数学模型，分析其信息传输拓扑结构的Laplacian矩阵。从控制理论上实现高精度的顶升系统的同步，将为实际液压同步顶升系统的改进提供理论平台。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种大规模液压系统的分布式协同控制方法，其特征在于，包括：

给大规模液压系统设置一个领导者液压系统，将其它的液压系统设置为追随者液压系统，所述领导者液压系统和服务器连接，按照所述服务器发送过来的指令信号运动；

所述追随者液压系统追踪所述领导者液压系统运动，与所述领导者液压系统保持状态一致。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的给大规模液压系统设置一个领导者液压系统，包括：

将大规模液压系统中的各个液压系统分布式设置，将和服务器距离最近的液压系统设置为领导者液压系统，所述领导者液压系统和所述服务器通过有线连接或者通过无线连接，接收并执行所述服务器传输过来的指令信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的追随者液压系统追踪所述领导者液压系统运动，与所述领导者液压系统保持状态一致，包括：

在每个液压系统中设置控制器和无线通信单元，与所述领导者液压系统相邻的追随者液压系统中的无线通信单元与所述领导者液压系统中的无线通信单元通过无线网络进行信息交互，获取所述领导者液压系统的状态信息，与所述领导者液压系统相邻的追随者液压系统中的控制器根据所述领导者液压系统的状态信息进行自主决策，追踪所述领导者液压系统的运动，与所述领导者液压系统保持状态一致。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的追随者液压系统追踪所述领导者液压系统运动，与所述领导者液压系统保持状态一致，包括：

每个追随者液压系统利用邻居液压系统的状态信息来设计控制器，相邻的追随者液压系统中的无线通信单元通过无线网络进行信息交互，获取相邻的追随者液压系统的状态信息，追随者液压系统中的控制器根据相邻的追随者液压系统的状态信息进行自主决策，追踪相邻的追随者液压系统的运动，与相邻的追随者液压系统保持状态一致。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：

根据单个液压系统的阀控液压缸模型建立领导者液压系统的数学模型：

${\stackrel{\·}{x}}_0\left(t\right)=M_1{x}_0\left(t\right)+M_2{u}_0\left(t\right).$

设第i个追随者液压系统的数学模型为：

${\stackrel{\·}{x}}_i\left(t\right)=M_1{x}_i\left(t\right)+M_2{u}_i\left(t\right).$

第i个液压系统的控制器描述为：

$u_i\left(t\right)=-\mathrm{\γ}\[\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{h}_{ij}\left(x_i\right(t)-x_j(t\left)\right)+d_i\left(x_i\right(t)-x_0(t\left)\right)\]$

式中，γ为控制参数，h_ij为第i个液压系统与第j个液压系统之间的连接权值，若h_ij＞0说明第i个液压系统与第j个液压系统之间能够互相通信，若h_ij＝0说明第i个液压系统与第j个液压系统之间无连接，第i个液压系统与第j个液压系统不在彼此的通信范围内，d_i为第i个液压系统与领导者液压系统之间的连接权值，若d_i＞0说明第i个液压系统能够获得领导者液压系统的状态信息，若d_i＝0说明第i个液压系统之间不能得到领导者液压系统的状态信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：

根据所述第i个追随者液压系统的数学模型和第i个液压系统的控制器，得到整体大规模液压系统的误差模型：

其中， 为大规模液压系统之间通信拓扑结构的Laplacian矩阵，I_n为n阶单位矩阵。