一种分布式泵控直驱电液系统的自适应加载控制方法与流程

本技术属于电液伺服控制，具体涉及一种分布式泵控直驱电液系统的自适应加载控制方法。

背景技术：

1、泵控直驱（亦称容积调速）技术通过伺服电机直接驱动定量泵为液压缸供油，以电机调速代替传统阀控系统中的节流控制，从根本上消除了节流损失和溢流损失，具有高效率、低发热、结构紧凑等显著优势。随着电液系统向多执行器、高集成化方向发展，分布式泵控直驱电液系统，即各执行单元分别由独立的伺服电机-定量泵组驱动，已成为电液传动领域的重要发展方向。

2、然而，现有的分布式泵控直驱电液系统及其控制方法仍存在以下技术缺陷：

3、第一，传统集中式控制架构难以满足多执行器系统的实时性、可靠性和可扩展性要求。现有技术中，多执行器电液系统多采用单控制器集中调控的方式。集中式架构下，控制器需同时处理所有执行单元的信号采集、控制计算和指令输出，随着执行单元数量增加，控制器的算力负荷急剧上升，容易出现计算延迟和数据拥塞。更为关键的是，集中式架构存在单点故障风险，一旦主控制器发生故障，整个系统将陷入瘫痪，可靠性和可扩充性较低。

4、第二，泵控直驱电液系统具有强非线性和参数时变特性，传统固定参数控制器难以在全工况范围内保持高精度控制。系统运行过程中，油液有效体积弹性模量会随油温变化和混入空气量而显著改变，泄漏系数随活塞磨损和工作压力波动而漂移，黏性阻尼系数随油液黏度变化而呈现非线性时变特性。这些参数摄动导致系统数学模型与实际对象之间始终存在偏差，常规pid控制器因参数固定而无法适应这种变化。已有研究虽尝试采用自适应反步法处理参数不确定性，但多局限于单执行器系统，未能解决多执行器场景下参数差异化和协同估计的问题。

5、第三，外部负载扰动是影响系统控制精度的最主要扰动来源之一，现有方法缺乏高效的实时负载估计与主动补偿机制。分布式泵控直驱电液系统在实际运行中，各执行单元承受的外部负载力随工况变化实时波动，且难以通过传感器直接测量。若在每个执行单元上额外安装力传感器，不仅显著增加硬件成本，还会引入额外的测量噪声和延迟。现有技术多采用基于误差的反馈控制来被动抑制扰动，即在扰动已经引起位置或压力偏差之后才进行修正，难以满足高精度控制需求。

6、第四，多执行单元之间的协调控制问题尚未得到有效解决。在分布式泵控直驱电液系统中，各执行单元由独立的伺服电机-定量泵组驱动，虽然消除了集中式液压系统的节流损失，但也带来了各执行单元如何协同工作、如何实现位移同步与负载均衡的新问题。当某一执行单元因外部负载突变或参数摄动而出现较大位移偏差时，缺乏有效的信息传递和协同修正机制，导致全局协调性能下降。

7、综上所述，现有分布式泵控直驱电液系统在控制架构、参数自适应、负载扰动抑制和多执行器协调等方面均存在明显不足，亟需一种能够兼顾系统鲁棒性、自适应能力和全局协调性能的综合控制方案。

技术实现思路

1、本技术提供一种分布式泵控直驱电液系统的自适应加载控制方法，旨在解决现有技术集中式控制架构可靠性低、参数时变导致控制精度下降、外部负载扰动缺乏主动补偿以及多执行器协调困难的问题。

2、一种分布式泵控直驱电液系统的自适应加载控制方法，所述方法应用于由中央协调器和多个局部控制器构成的分布式分层控制架构，所述方法包括：

3、s1，建立各执行单元的非线性状态空间模型，所述模型以伺服电机转速为控制输入，以活塞位移、运动速度及两腔压力为状态变量，并将模型改写为满足自适应反步法设计条件的严格反馈形式，输出各执行单元的模型参数集及非线性函数矩阵；

4、s2，构建所述分布式分层控制架构，建立各局部控制器与所述中央协调器之间的数据通信链路，由所述中央协调器向各局部控制器广播期望位移信号和期望加载力信号，各局部控制器将实时采集的本执行单元状态变量上传至所述中央协调器，所述中央协调器根据各执行单元的状态变量计算全局协调误差并反馈至各局部控制器，各局部控制器根据所述全局协调误差对期望轨迹进行修正，输出修正后的期望位移信号和期望加载力信号；

5、s3，各局部控制器根据所述修正后的期望位移信号与本执行单元实时反馈的活塞位移信号计算位移跟踪误差及其变化率，构建滑模切换函数，并判断滑模到达条件是否成立，若不成立则触发模糊控制柔化模块介入，输出位移跟踪误差及滑模切换函数及其微分；

6、s4，各局部控制器基于所述严格反馈状态空间模型，采用自适应反步法构建李雅普诺夫函数，根据所述位移跟踪误差推导系统不确定性参数的实时在线自适应律，对各执行单元的待估计参数进行在线更新与限幅约束，输出更新后的参数估计值；

7、s5，各局部控制器根据本执行单元的两腔压力信号及所述参数估计值，构建加载力非线性观测器，实时估计外部时变负载力，并将估计值与所述期望加载力信号比较，当加载力跟踪误差超出预设阈值时触发加载补偿模块，输出前馈补偿量；

8、s6，各局部控制器将滑模控制量、自适应补偿量和所述前馈补偿量进行融合，生成综合控制指令并输出至伺服电机驱动器，同时将当前控制量及本执行单元的全部状态变量上传至所述中央协调器；

9、s7，所述中央协调器根据各执行单元上传的位移跟踪误差、加载力跟踪误差和控制量计算全局性能指标，所述全局性能指标为对各分项进行归一化处理后的无量纲综合评价指标；

10、当所述全局性能指标超出预设阈值时，根据各执行单元的误差分布情况，有针对性地调整相应局部控制器的滑模控制参数、自适应增益系数和/或前馈补偿增益，并将更新后的控制器参数下发至各局部控制器，实现控制器参数的在线自适应迭代优化；

11、所述中央协调器的性能评估与参数优化流程与各局部控制器的实时控制流程并行执行，且所述性能评估与参数优化流程的触发周期大于所述实时控制流程的采样周期。

12、可选地，所述s1中，针对非对称液压缸两腔有效面积不等导致的流量不对称问题，在各执行单元配置由液控单向阀与单向阀组成的补油模块以及由溢流阀组成的安全稳压模块的基础上，建立所述非线性状态空间模型；

13、所建立的模型经变换被改写为严格反馈形式，其中包含五个系统参数，为后续自适应反步法控制器的设计奠定模型基础。

14、可选地，所述s2中，所述分布式分层控制架构采用“中央协调器-局部控制器”双层结构，所述中央协调器通过工业以太网与各局部控制器构成星型拓扑的实时数据通信网络；

15、所述中央协调器以固定采样周期向各局部控制器广播期望信号，各局部控制器以非周期异步发送方式上传状态变量；

16、所述全局协调误差反映各执行单元位移相对于期望值的平均偏差，各局部控制器根据所述全局协调误差对各自的期望位移进行修正，修正后的期望位移信号为广播期望位移信号与协调增益系数和所述全局协调误差的乘积之差。

17、可选地，所述s3中，各局部控制器对所述位移跟踪误差进行后向差分结合低通滤波的数值微分处理，并对计算得到的误差变化率进行限幅处理；

18、所述滑模切换函数为滑模面斜率系数与位移跟踪误差之和加上误差变化率；

19、所述滑模到达条件为滑模切换函数与其微分的乘积小于零。

20、可选地，所述s4中，所述待估计参数包括黏性阻尼系数与负载质量之比、油液有效体积弹性模量及油液有效体积弹性模量与泄漏系数的乘积；

21、各局部控制器基于所述位移跟踪误差定义虚拟控制量、速度跟踪误差及第三误差变量，进而构建包含系统误差状态能量项和参数估计误差惩罚项的李雅普诺夫候选函数；

22、对所述李雅普诺夫候选函数求导并令包含参数估计误差的交叉项系数为零，得到各待估计参数的参数自适应律；各局部控制器以欧拉前向差分法离散化实现所述参数自适应律，并在每次更新后对参数估计值进行限幅约束。

23、可选地，所述s5中，所述加载力非线性观测器根据液压缸两腔压力差产生的驱动力扣除用于克服惯性力、黏性阻尼力和弹性力之后的剩余部分来估计外部负载力；

24、各局部控制器在计算活塞加速度时采用跟踪微分器进行滤波处理；

25、所述加载补偿模块根据加载力跟踪误差的大小和方向计算前馈补偿量，所述前馈补偿量为前馈补偿增益系数与所述加载力跟踪误差的乘积。

26、可选地，所述s6中，所述滑模控制量根据所述滑模切换函数计算，并采用饱和函数替代标准符号函数以抑制高频抖振；

27、所述自适应补偿项根据所述s4的参数估计值对状态方程中的未知参数项进行反向补偿，用以消除系统内部参数不确定性对控制精度的影响；

28、所述前馈补偿量叠加至滑模控制量和自适应补偿量之上，用以抑制外部时变负载扰动；

29、三种控制量按线性叠加原则合成为综合控制指令，并对所述综合控制指令进行幅值限幅和变化率限幅处理后输出至伺服电机驱动器。

30、可选地，所述s7中，所述全局性能指标为各执行单元的位移跟踪误差平方、加载力跟踪误差平方及控制量平方的加权和，各分项经归一化处理后均为无量纲纯数值，所述全局性能指标为无量纲综合评价指标；

31、所述中央协调器将所述全局性能指标与预设阈值比较，当超出阈值时，进一步分析各执行单元上传的误差分布情况，识别导致性能退化的执行单元和误差类型，据此执行多条件分支参数调整策略：

32、针对位移跟踪误差偏大的执行单元，根据位移跟踪误差的幅值进行分支判别：

33、（1）若位移跟踪误差的绝对值大于第一预设阈值，则判定控制量偏大源于系统尚未收敛，增大该执行单元的滑模控制参数和自适应增益系数；

34、（2）若位移跟踪误差的绝对值小于第二预设阈值且控制量呈现高频振荡特征，则判定系统已接近目标位置但存在抖振，减小该执行单元的滑模控制参数；

35、（3）若位移跟踪误差的绝对值介于所述第二预设阈值与所述第一预设阈值之间，则维持当前参数不变；

36、同时，增加控制量变化率的监测判据：若控制量的变化率超出预设的变化率阈值，则优先减小滑模切换函数中边界层厚度以增强对高频扰动的抑制能力；

37、针对加载力跟踪误差偏大的执行单元，增大前馈补偿增益；

38、所述中央协调器在参数调整完成后，将更新后的控制器参数集通过数据通信链路下发至各局部控制器，各局部控制器将更新后的参数应用于下一控制周期的控制律计算中，实现控制器参数的在线自适应迭代优化；

39、当所述全局性能指标连续预定数量的采样周期均低于所述预设阈值时，所述中央协调器判定系统已进入稳定运行状态，停止参数迭代更新；当系统接收到停止指令或系统断电时，整个控制流程终止；

40、所述中央协调器的性能评估与参数优化流程与各局部控制器的实时控制流程并行执行，所述性能评估与参数优化流程以低于所述实时控制流程采样频率的周期触发执行。

41、可选地，所述各局部控制器在执行所述参数自适应律时，对所述自适应增益系数采用对数坐标存储，所述自适应增益系数在参与运算时通过对数映射还原；

42、所述误差状态向量在参与所述参数自适应律运算前进行归一化预处理；

43、所述中央协调器以归一化后的无量纲增益系数作为参数优化和下发的对象，所述无量纲增益系数在对数坐标下线性映射至实际增益系数取值范围。

44、相比现有技术，本技术至少具有以下有益效果：

45、本技术采用“中央协调器—局部控制器”双层分布式架构，各执行单元配备独立的局部控制器，控制计算任务完全分散至各局部控制器并行执行，消除了集中式架构的算力瓶颈，避免了单控制器故障导致整个系统瘫痪的单点风险。同时，执行单元数量增减仅需相应增减局部控制器节点，不影响系统整体运行，具有良好的可扩展性。中央协调器通过全局协调误差的实时计算与反馈，使各执行单元在保持独立控制的同时实现位移协同趋同，克服了分布式架构下多执行器协调困难的缺陷。

46、本技术基于严格反馈状态空间模型，采用自适应反步法对黏性阻尼系数、油液有效体积弹性模量及泄漏系数等关键不确定性参数进行实时在线估计，能够持续跟踪油温变化、活塞磨损、工作压力波动等因素导致的参数漂移。参数估计值通过李雅普诺夫函数约束下的自适应律递推更新，保证了估计过程的稳定性与收敛性。中央协调器根据各执行单元的工况差异，对其自适应增益系数进行差异化调整，使同一控制框架能够适配不同执行单元的负载特性和参数变化范围，解决了多执行器场景下参数差异化和协同估计的问题。

47、本技术构建的加载力非线性观测器仅利用系统中已有的位移和压力传感器信号，通过对液压缸驱动力与惯性力、黏性阻尼力及弹性力之差进行实时计算，实现外部时变负载力的软测量，无需额外安装力传感器即可获得准确的负载估计值，避免了硬件成本增加和附加测量噪声的引入。基于观测器的前馈补偿机制能够在扰动对系统输出产生显著影响之前，根据估计值提前产生相应的控制量修正，在扰动尚未显著影响系统输出之前予以抵消，克服了传统反馈控制只能事后修正的缺陷。

48、本技术将滑模控制、自适应控制和前馈补偿有机融合为三通道复合控制架构，三种控制量分别对应系统的瞬态响应阶段、稳态运行阶段和扰动响应阶段，在时间尺度上自然解耦、功能上优势互补，滑模控制保证大范围工况变化下的全局稳定性与瞬态响应品质；自适应补偿消除内部参数不确定性引起的稳态偏差；加载力前馈补偿抑制快速时变负载对系统输出的冲击。三种控制策略在同一框架下协同工作，互不干扰，实现了系统高精度、强鲁棒性和自适应能力的统一。

49、本技术在中央协调器中构建了无量纲综合评价指标，综合反映各执行单元的位移跟踪精度、加载力跟踪精度及控制能耗，并通过多条件分支判据识别导致性能退化的执行单元和误差类型，据此有针对性地调整滑模控制参数、自适应增益系数或前馈补偿增益。性能评估与参数优化流程与局部控制器的实时控制流程并行执行且触发周期更长，避免了高频参数调整对系统稳定性的不利影响，形成了“局部实时控制—全局慢速优化”的协同运行机制，使系统在全生命周期内持续保持优良的控制性能。