复杂地形履带挖机作业动作解耦协同优化控制方法及系统与流程

本技术涉及工业控制系统，尤其涉及一种复杂地形履带挖机作业动作解耦协同优化控制方法及系统。

背景技术：

1、液压挖掘机作为工程机械领域中应用最广泛的土方机械，其作业效率与施工质量直接取决于智能化和精细化控制水平。该装备的核心工作装置由动臂、斗杆以及铲斗三个执行机构组成，通过液压系统驱动实现挖掘、举升、回转等复合动作。在实际作业中，动臂负责垂直举升和粗定位，斗杆负责水平伸缩和精确挖掘，两者需要在复杂地形下实现流畅的复合动作。然而，上述执行机构共享同一液压泵源，在流量需求同时达到峰值时会产生严重的流量竞争现象，同时由于动臂伸出会改变斗杆的有效力臂、斗杆收回会影响动臂的负载分布，导致多执行器间存在强耦合的运动学和动力学干扰，使得传统独立控制策略难以保证复合动作的轨迹精度和协调性。

2、为解决上述问题，现有技术多采用分布式驱动或负载传感压力补偿方案。cn112648244a公开了一种泵阀协同多执行器电液控制系统，通过分布式泵控单元分别驱动各执行器并调整主泵斜盘摆角实现流量匹配，但该系统需为各执行器按峰值功率配置独立动力源，导致总装机功率、重量和体积显著增加，且对非对称液压缸需额外补偿两腔流量差，系统复杂度高。zl201810342465.3公开了一种伺服电机驱动单变量泵的分布式直驱挖掘机液压系统，采用单泵单执行器排量控制基本消除节流损失，但独立式驱动装机功率大、结构不紧凑，且未解决多执行器间耦合干扰及复杂工况自适应问题。上述方案本质上仍依赖固定优先级或被动压力补偿，未建立泵源、阀口、执行器腔室间的完整网络拓扑关系，无法对耦合干扰传递路径进行显式量化；同时未考虑液压油中压力波有限传播速度导致的物理时延，也未识别铲斗齿尖接触地面形成的运动学闭链，且工况参数存储多采用离散查表法，边界处参数跳变导致执行器抖动。

技术实现思路

1、本技术提出了一种复杂地形履带挖机作业动作解耦协同优化控制方法及系统，具备复杂地形工况自适应、多执行器耦合干扰定向抵消及控制策略持续进化的优点，用以解决现有技术中流量分配被动响应、耦合干扰不可量化、复杂工况参数失效及集中式算力瓶颈的问题。

2、为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：一种复杂地形履带挖机作业动作解耦协同优化控制方法，具体步骤如下：

3、s1、多源感知建场：在底盘及工作装置设置传感器，采集坡度、缸压力与位移、主泵流量及油温，构建扩展状态观测器辨识油温漂移、元件磨损及管路弹性变形非线性扰动，建立液压网络拓扑阻抗模型将泵源、阀口及腔室映射为节点通道，初始化通道阻抗及流量分布，形成工况－控制参数映射权重系数初始分布；

4、s2、流量主动仲裁：根据步骤s1数据，依据执行器速度及负载确定预期流量需求，对邻近工况簇映射权重系数加权插值确定连续权重，重构最优流量分配路径；

5、s3、解耦协同优化：根据步骤s2指令，建立三执行器耦合关系，将干扰映射为拓扑模型扰动支流，依据通道长度、油液弹性模量及油温确定压力波传播时延，将前馈补偿量相位对齐后叠加；分配至四个分布式子控制器独立执行单步局部优化，采用滚动时域优化确保计算周期与液压系统控制周期匹配；

6、s4、映射权重系数闭环进化：记录作业循环流量偏差、轨迹跟踪误差及压力波动，构建多维度综合性能评估函数，当综合性能评分低于历史最优评分的预设比例时触发映射权重系数更新，对参数空间概率密度进行演化，将更新后参数写入存储形成知识库。

7、进一步，步骤s1中，多源感知建场具体步骤如下：

8、s1.1、多源感知拓扑模型构建：在底盘及工作装置布设传感器，采集坡度、支重轮支反力、缸压力与位移、泵流量及油温，构建扩展状态观测器，对油温漂移、元件磨损及管路弹性变形非线性扰动在线辨识，输出地形特征参数与负载值，建立液压网络拓扑阻抗模型，将泵源出口、阀口及腔室映射为节点通道，所述节点包括源节点、中间节点及终端节点，所述通道阻抗包括液阻、液容及液感，初始化通道阻抗及流量分布；

9、s1.2工况映射权重系数初始化：将历史流量分配与地形特征参数关联映射，形成映射权重系数初始分布，在拓扑阻抗模型中增设闭链检测层，依据铲斗姿态角及压力变化推断接触状态，判断动臂、斗杆以及铲斗是否形成运动学闭链，标记闭链或开链模式，构建地形负载参数空间，以坡度、地面刚度及下沉量为坐标轴，使映射权重系数按空间中概率密度分布存储。

10、进一步，步骤s2中，流量主动仲裁具体步骤如下：

11、s2.1、模式切换与流量需求预测：接收s1拓扑阻抗模型状态、映射权重系数分布及模式标记，开链模式时依据动臂、斗杆、铲斗、回转机构速度、加速度及负载估计值建立流量需求预测模型，计算各执行器预期流量需求，闭链模式时引入齿尖位置固定约束，将三执行器流量需求联合求解为满足闭链约束的最小能量消耗协调控制量；

12、s2.2、映射权重系数插值与路径重构：依据当前工况点在地形负载参数空间中的坐标，对邻近工况簇映射权重系数分布进行加权插值，生成连续流量分配权重，使映射权重系数值高且与地形负载匹配的路径获得优先选择概率，在拓扑阻抗模型中重构最优流量分配路径，生成各执行器主动流量分配指令。

13、进一步，步骤s2.1中，模式切换与流量需求预测具体步骤如下：

14、s2.11、开链流量需求预测：接收s1拓扑阻抗模型状态、映射权重系数分布及模式标记，拓扑阻抗模型处于开链模式时，依据动臂、斗杆、铲斗、回转机构速度、加速度及负载估计值，结合地形特征参数建立多执行器联合流量需求预测模型，计算下一控制周期内各执行器预期流量需求，形成开链模式下各执行器独立流量分配基准值；

15、s2.12、闭链约束协调求解：拓扑阻抗模型处于闭链模式时，依据闭链检测层标记引入齿尖位置固定约束，建立动臂、斗杆以及铲斗三执行器运动学闭链约束方程，将三执行器流量需求纳入联合优化框架，求解满足闭链约束的最小能量消耗协调控制量，形成闭链模式下各执行器耦合流量分配基准值。

16、进一步，步骤s2.2中，映射权重系数插值与路径重构具体步骤如下：

17、s2.21、映射权重系数加权插值与权重生成：接收s2.1输出的流量分配基准值，依据当前工况点在地形负载联合参数空间中的坐标，对邻近工况簇映射权重系数分布进行加权插值，生成连续变化的流量分配权重，使映射权重系数值高且与地形负载匹配的路径获得优先选择概率，确定各执行器流量分配候选路径集合，为路径重构提供筛选依据；

18、s2.22、最优路径重构与指令生成：在拓扑阻抗模型中依据选择概率从候选路径集合中筛选并重构最优流量分配路径，结合各通道阻抗进行路径优化，将重构结果转化为动臂、斗杆、铲斗以及回转机构的主动流量分配指令，输出至步骤s3。

19、进一步，步骤s3中，解耦协同优化具体步骤如下：

20、s3.1、耦合扰动映射与波前补偿：接收s2主动流量分配指令，建立动臂、斗杆以及铲斗三执行器运动学耦合与动力学耦合模型，实时辨识力臂变化、负载偏移及姿态反馈扰动，将耦合干扰映射为拓扑模型扰动支流，依据通道长度、油液弹性模量及油温计算压力波前传播时延，将前馈补偿量按该时延相位对齐后叠加至控制指令；

21、s3.2、分布式协同优化与反馈修正：将拓扑模型重构与补偿分解至四个分布式子控制器，各子控制器基于本地传感器信息独立执行单步局部优化，所述单步局部优化计算周期不大于液压系统控制周期，通过高速总线共享拓扑模型状态及补偿参数，采用滚动时域优化确保计算周期与液压系统控制周期匹配，引入反馈校正环节对前馈补偿量实时修正，生成解耦后的各执行器精确控制指令。

22、进一步，步骤s3.1中，耦合扰动映射与波前补偿具体步骤如下：

23、s3.11、耦合模型构建与扰动支流映射：接收s2主动流量分配指令，建立动臂、斗杆以及铲斗三执行器间运动学耦合与动力学耦合模型，实时辨识动臂伸出引起的斗杆有效力臂变化、斗杆收回引起的动臂负载分布偏移以及铲斗姿态角变化的反馈扰动，将耦合干扰量化为拓扑模型中各支流对主流道的干扰强度，建立扰动传递拓扑；

24、s3.12、波前时延计算与相位对齐补偿：依据拓扑模型各通道长度、油液弹性模量及油温实时计算压力波前传播时延，将前馈补偿量按该时延进行相位对齐后叠加至控制指令，使补偿量与扰动在目标执行器处同步到达。

25、进一步，步骤s3.2中，分布式协同优化与反馈修正具体步骤如下：

26、s3.21、节点分解与滚动优化：将拓扑模型重构与补偿分解至四个分布式子控制器，各子控制器基于本地传感器信息独立执行单步局部优化，通过高速总线共享拓扑模型状态及补偿参数，采用滚动时域优化将长时域预测转化为本地单步优化与中央协调器约束检查迭代结构，中央协调器负责任务同步与硬约束仲裁；

27、s3.22、反馈校正与指令生成：引入基于实际位移与目标轨迹偏差的反馈校正，对步骤s3.1相位对齐后的前馈补偿量进行实时修正，消除残余偏差与未建模扰动，依据修正结果生成最终解耦后的各执行器精确控制指令。

28、进一步，步骤s4中，映射权重系数闭环进化具体步骤如下：

29、s4.1、作业数据记录与性能衰减触发：在步骤s1至s3持续运行过程中，由数据记录单元采集并存储各作业循环的流量分配偏差、轨迹跟踪误差、压力波动方差及阀门动作频次，构建多维度综合性能评估函数，依据该函数实时监测复杂地形工况下控制性能衰减，当评估指标低于历史最优性能的预设比例时自动触发映射权重系数更新机制，启动参数空间进化流程；

30、s4.2、映射权重系数核函数演化与知识库进化：对地形负载联合参数空间中对应坐标点的映射权重系数概率密度采用核函数平滑方法进行概率密度演化，使映射权重系数分布形成平滑连续流形，依据评估结果对步骤s2流量分配路径映射权重系数执行增强或衰减处理，对步骤s3解耦补偿路径映射权重系数进行联动修正，将更新后拓扑模型参数与地形特征关联写入非易失性存储单元，形成工况知识库。

31、本技术还提供一种复杂地形履带挖机作业动作解耦协同优化控制系统，包括：感知建场模块、流量仲裁模块、解耦协同模块、参数进化模块以及存储模块；

32、感知建场模块，用于采集底盘坡度、缸压力与位移、主泵流量及油温，构建扩展状态观测器辨识非线性扰动，建立液压网络拓扑阻抗模型将泵源、阀口及腔室映射为节点通道，初始化通道阻抗及流量分布，形成映射权重系数初始分布；

33、流量仲裁模块，用于依据执行器速度及负载确定预期流量需求，对邻近工况簇映射权重系数加权插值确定连续权重，重构最优流量分配路径；

34、解耦协同模块，用于建立三执行器耦合关系，将干扰映射为拓扑模型扰动支流，依据通道长度、油液弹性模量及油温确定压力波传播时延，将前馈补偿量相位对齐后叠加；分配至四个分布式子控制器独立执行单步局部优化，采用滚动时域优化确保计算周期与液压系统控制周期匹配；

35、参数进化模块，用于记录作业循环流量偏差、轨迹误差及压力波动，依据性能评估触发映射权重系数更新对参数空间概率密度进行演化；

36、存储模块，用于存储工况知识库及映射权重。

37、本发明有益效果如下：

38、本技术提供的一种复杂地形履带挖机作业动作解耦协同优化控制方法及系统，通过建立液压网络拓扑阻抗模型将液压系统流量分配转化为可计算的寻优空间，利用压力波前传播时延的相位对齐实现时延匹配解耦，通过开链与闭链模式自动切换避免接触冲击，借助连续概率密度插值消除工况过渡抖动，依托分布式滚动优化突破集中式算力瓶颈，并以核函数平滑方法驱动的映射权重系数闭环进化实现控制策略的长期自适应，实现了流量分配从被动滞后到主动预测、耦合干扰从不可量化到定向抵消、控制架构从集中式全局求解到分布式局部协同、工况适应性从离散查表跳变到连续平滑过渡、系统性能从固定预设参数到随作业历程持续进化的。