一种三缸协同控制系统及其控制方法

1.本发明涉及液压系统控制技术领域，尤其涉及一种三缸协同控制系统及其控制方法。


背景技术：

2.目前，由于脑卒中、车祸或其他原因引起身体运动功能受损的人口数量在不断增加，而下肢康复机器人可以为患者提供更高准确性和重复性的康复训练，使患者的康复效率和康复质量大大提升，在对由脑卒中引起下肢行走功能障碍的患者进行康复训练时，与传统的康复训练相比，外骨骼康复机器人具有更大的优势。随着科技的发展，下肢康复机器人不仅对液压专业提出了高要求，同时对电气专业也提出了更高的要求。
3.在下肢康复机器人的运行过程中，经常会有多个执行器协同工作来完成某项任务，来确保系统处于指定的状态，单一的液压缸通常无法达到控制要求，所以为了实现目标的控制，就必须配置多个缸，形成一个协作控制系统，为了使多缸运动的协作更加完美各缸之间的同步性变得十分重要。
4.目前下肢康复机器人的多缸控制方法主要有以下缺点：
5.(1)液压系统中多采用传统液压元件进行运动控制，进油口和出油口截留面积通过阀体内一根阀芯位移来耦合调节，在满足运动控制性能的同时，由于其重复的节流损失，且不能利用回流再产生流量，导致能量损失较大，节能性很难达到最优；
6.(2)系统中的大多没有滤波器，无法对信号值进行滤波处理，在系统制动时，输出信号受到环境中的噪声影响，使输信号值与实际值相差较大，从而导致采集到的位移信号不够真实平稳，无法使液压缸实际位移更贴合理想位移值，降低了系统的控制精度；
7.(3)系统中没有加入前馈-反馈复合控制，使pid算法从零开始与实际值进行计算，并且只能确保正向逆向其中一个值贴合实际值，另一向则会出现不贴合实际值超调的情况，导致反馈值不准确，控制元件无法精确控制液压缸伸出和缩回的位移，从而使系统不稳定、响应速度慢。


技术实现要素：

8.本发明公开的一种三缸协同控制系统及其控制方法，解决了传统控制系统和控制方法不节能、控制精度低和响应速度慢的问题，采用负载口独立控制技术，使液压系统更加节能；控制方法采用前馈-反馈复合控制，构成闭环系统；在闭环系统中采用bp-pid算法，通过神经网络分别计算正反向的pid值作为输出，避免了pid值出现超调的情况，将pid控制器的输出值与前馈控制器的输出值叠加后的和作为比例换向阀的输入值，使系统响应更快、精度更、稳定性更好。
9.为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
10.本发明一方面公开一种三缸协同控制系统，包括控制器和执行单元，其中，所述执行单元包括定量泵电机、定量泵、比例溢流阀、三个执行小组和油箱，每个所述执行小组的
结构相同，包括液压缸、位移传感器、第一二位二通比例换向阀、第二二位二通比例换向阀和三位四通换向阀，位移传感器固定安装在所述液压缸上，所述第一二位二通比例换向阀的第一工作油口a与所述液压缸的无杆腔油口a通过液压油管相连，所述第二二位二通比例换向阀的第一工作油口a与所述液压缸的有杆腔油口b通过液压油管相连，所述第一二位二通比例换向阀的第二工作油口b与所述三位四通换向阀的第一工作油口a通过液压油管相连，所述第二二位二通比例换向阀的第二工作油口b与所述三位四通换向阀的第二工作油口b通过液压油管相连，所述三位四通换向阀进油口p、所述比例溢流阀的进油口a和所述定量泵的进油口a均通过液压油管连接所述油箱；所述三位四通换向阀出油口t和所述比例溢流阀的出油口b通过液压油管连接所述油箱；且所述位移传感器、比例溢流阀的电磁铁、第一二位二通比例换向阀的电磁铁、第二二位二通比例换向阀的电磁铁和所述三位四通换向阀的左位电磁铁、右位电磁铁的输出端与所述控制器的输入端相连，所述比例溢流阀的电磁铁、第一二位二通比例换向阀的电磁铁、第二二位二通比例换向阀的电磁铁和所述三位四通换向阀的左位电磁铁、右位电磁铁的输入端与所述控制器的输出端相连。
11.本发明另一方面公开一种三缸协同控制系统的控制方法，包括以下步骤：
12.s1：初始化：检查三缸协同控制系统中各部件的输入输出参数是否正常，如不正常，则不向下执行，并发出报警信号；如正常，则向下继续执行；
13.s2：参数设定：设定三缸协同控制系统中各部件的初始参数；
14.s3：数据采集：三缸协同控制系统中各部件采集相关信号，并发送至控制器；
15.s4：通过控制器将当前设定位移与上一时刻设定位移相比较，如果当前设定位移大于上一时刻设定位移，则判断液压缸当前运动为伸出，则进入s5.1；如果当前设定位移小于上一时刻设定位移，则判断液压缸当前运动为缩回，则进入s5.2；如果实时监测得到的位移值等于上一时刻位移，则暂停在s4；
16.s5.1：伸出运动位移自动控制：
17.根据位移设定按钮检测到各执行小组中液压缸的设定位移值x(t)，并将此位移值x(t)转化为各执行小组中三位四通换向阀的左位电磁铁的输入电流值，并通过控制器向各执行小组中三位四通换向阀的左位电磁铁发送相应电流信号；
18.根据检测到的设定位移值x，分别计算各执行小组中第一二位二通比例换向阀的电磁铁的电流值ia，并将电流值ia作为前馈控制的输出值；
19.在各执行小组中第一二位二通比例换向阀的电磁铁得到电流动作的同时，控制器控制各执行小组中的位移传感器检测液压缸的位移；
20.将位移传感器检测到的液压缸的位移值通过滤波器滤波处理后，根据公式计算实际位移值，将设定位移值和实际位移值作差，并将差值通过bp-pid控制算法进行运算后作为反馈控制的输出值ib；
21.将前馈控制的输出值ia和反馈控制的输出值ib叠加后通过控制器输出至第二二位二通比例换向阀的电磁铁，从而驱动第二二位二通比例换向阀运行；
22.判断各执行小组中各个液压缸的伸出运动是否完成，如若没有完成，则继续加载；如若完成，则停止加载，进入步骤6；
23.步骤5.2：缩回运动位移自动控制：
24.根据位移设定按钮检测到各执行小组中液压缸的设定位移值x(t)，并将此位移值
x(t)转化为各执行小组中三位四通换向阀的右位电磁铁的输入电流值，并通过控制器向各执行小组中三位四通换向阀的右位电磁铁发送相应电流信号；
25.根据检测到的设定位移值x，分别计算各执行小组中第二二位二通比例换向阀的电磁铁的电流值ia，并将电流值ia作为前馈控制的输出值；
26.在各执行小组中第二二位二通比例换向阀的电磁铁得到电流动作的同时，控制器控制各执行小组中的位移传感器检测液压缸的位移；
27.将位移传感器检测到的液压缸的位移值通过滤波器滤波处理后，根据公式计算实际位移值，将设定位移值和实际位移值作差，并将差值通过bp-pid控制算法进行运算后作为反馈控制的输出值ib；
28.将前馈控制的输出值ia和反馈控制的输出值ib叠加后通过控制器输出至第一二位二通比例换向阀的电磁铁，从而驱动第一二位二通比例换向阀运行；
29.判断各执行小组中各个液压缸的伸出运动是否完成，如若没有完成，则继续加载；如若完成，则停止加载，进入步骤6；
30.步骤6：液压缸伸缩或伸出运动完成，停止运行。
31.进一步地，所述滤波器为专家滤波器。
32.进一步地，专家滤波器对检测到的位移值进行滤波的步骤包括：
33.根据式进行自适应滤波；
[0034][0035]
其中，y(n)为滤波器的输出信号，x(n)为滤波器的输入信号，w(n)为自适应滤波器n时刻自适应算法所得出的滤波器抽头权向量，i为当前迭代次数，m为自适应滤波器迭代的阶数；
[0036]
通过式进行误差值计算；
[0037]
e(n)＝d(n)-y(n)
[0038]
其中，e(n)为该时刻期望输出量和实际输出量之差，d(n)为期望信号，y(n)为经过自适应滤波器滤波后在该时刻的输出信号；
[0039]
将步长因子μ作为目标参数，通过tent混沌映射生成初始种群，根据麻雀搜索算法设置边界参数，发现者追随者和警觉者的比重，通过迭代更新计算麻雀的适应值，更新发现者位置：
[0040][0041]
其中，为t时刻雀群中第i只所在第k维的位置信息，t表示当前处于第t次的迭代，t为总迭代次数，r2∈[0，1]表示为预警值，st∈[0.5，1]表示为安全值，γ为服从正态分布的随机数，l表示行为i列为k，元素均为1的矩阵；α为0～1的一个随机数，若当r2小于st时，可进行搜索；若当r2大于或等于st时，则此时预警值大于安全值，麻雀中的所有发现者向其他范围进行搜索；
[0042]
更新追随者位置：
[0043][0044]
其中，为t+1次迭代中雀群中第j只所在第k维的位置信息，为在t+1次迭代中所处k维的最佳位，x
worst
为当前所在k维的最差位，a为1行多维的矩阵且各元素被随机赋值1或-1，若当i大于n/2时，则表示当前第i只适用度差的跟随者需要向其他范围搜索；
[0045]
更新警觉者位置：
[0046][0047]
其中，k∈[-1，1]为步长控制参数，取值为随机数，fi为所处i麻雀的适应度值，fg与fw为全局最优位置和全局最差位置信息，ε为最小常数，为当前的全局最佳位置，β为步长控制参数。
[0048]
进一步地，所述bp-pid控制算法的步骤包括：
[0049]
取某一时刻输入期望位移信号x(n)，将该位移信号转化为电流输出；
[0050]
输出电流信号控制三位四通换向阀的左右换向和二位二通比例换向阀的开口大小，实现对液压系统流量的控制，进而推动液压缸伸出或缩回，这一时刻所产生的实际输出位移信号为y(n)，期望值与实际输出的位移信号之间的差值为e(n)；
[0051]
通过神经网络结构输出pid三个参数k
p
、ki和kd；
[0052]
判断经过神经网络的输出值是否出现超调，对超调的部分值与贴合的部分值进行分类，超调的部分值需重新经过计算得到贴合值，最后与原输出未超调部分结合作为最终输出的pid值。
[0053]
有益技术效果：
[0054]
1、液压系统采用负载口独立控制技术，使得进油口和出油口的开口度能够独立调节，执行小组有多个阀芯可独立调节，使系统自由度增加，进油口和出油口开口度可根据性能需求调节，在完成进口节流调速的同时，还可兼顾出口压力控制，从而提高了系统的节能性；
[0055]
2、将系统中的输入信号进行自适应滤波，然后与期望信号比较进行误差值计算，并将步长因子μ作为目标参数，通过tent混沌映射生成初始种群后根据麻雀搜索算法输出当前步长因子，并用当前步长因子将最小均方差mse缩减至最小，最后通过自适应滤波后输出信号，从而提高了系统控制的精度；
[0056]
3、由于bp神经网络具有任意非线性表达能力，可以通过对系统性能的学习来实现最佳pid控制，将神经网络输出的pid值进行正逆向分类，超调部分再重新计算，从而使系统更加稳定；
[0057]
4、在控制系统中加入前馈控制先输出一个理论值，再通过闭环系统中的神经网络pid算法，分别计算理论值与实际值的正向反向pid值，防止某一时刻数值超调，有效提高了调节速率，从而使系统相应更快。
附图说明
[0058]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0059]
图1是本发明所述的一种三缸协同控制系统中执行单元的液压原理图；
[0060]
图2是本发明所述的一种三缸协同控制系统的电控系统结构组成图；
[0061]
图3是本发明所述的一种三缸协同控制方法的控制流程示意图；
[0062]
图4是本发明的所述的一种三缸协同控制方法自动控制模块方框图；
[0063]
图5是本发明的液压缸缩回工况相关参数示意图；
[0064]
图6是本发明的液压缸伸出工况相关参数示意图；
[0065]
图7是本发明所使用的专家滤波器的原理示意图。
[0066]
其中，1-控制器，2-执行单元，21-定量泵电机，22-定量泵，23-比例溢流阀，24-执行小组，25-油箱，241-液压缸，242-位移传感器，243-第一二位二通比例换向阀，244-第二二位二通比例换向阀，245-三位四通换向阀。
具体实施方式
[0067]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0068]
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
[0069]
本发明一方面公开一种三缸协同控制系统，参见图1-图2，包括控制器1和执行单元2，其中，执行单元包括定量泵电机21、定量泵22、比例溢流阀23、三个执行小组24和油箱25，每个执行小组24的结构相同，包括液压缸241、位移传感器242、第一二位二通比例换向阀243、第二二位二通比例换向阀244和三位四通换向阀245，具体地，位移传感器242固定安装在液压缸241上，第一二位二通比例换向阀243的第一工作油口a与液压缸241的无杆腔油口a通过液压油管相连，第二二位二通比例换向阀244的第一工作油口a与液压缸241的有杆腔油口b通过液压油管相连，第一二位二通比例换向阀243的第二工作油口b与三位四通换向阀245的第一工作油口a通过液压油管相连，第二二位二通比例换向阀244的第二工作油口b与三位四通换向阀245的第二工作油口b通过液压油管相连，三位四通换向阀245进油口p、比例溢流阀23的进油口a和定量泵22的进油口a均通过液压油管连接油箱25；三位四通换向阀245出油口t和比例溢流阀23的出油口b通过液压油管连接油箱25；且位移传感器242、比例溢流阀23的电磁铁、第一二位二通比例换向阀243的电磁铁、第二二位二通比例换向阀244的电磁铁和三位四通换向阀245的左位电磁铁、右位电磁铁的输出端与控制器1的输入端相连，比例溢流阀23的电磁铁、第一二位二通比例换向阀243的电磁铁、第二二位二通比例换向阀244的电磁铁和三位四通换向阀245的左位电磁铁、右位电磁铁的输入端与控制器1的输出端相连，本发明公开的控制系统采用负载口独立控制技术，即可单独控制每个液压缸进油口和出油口的流量，减少控制过程中的能量损失，从而使液压系统更加节能。
[0070]
本发明公开的三缸协同控制系统的工作原理是第一二位二通比例换向阀243、第一二位二通比例换向阀244和三位四通换向阀245作为系统的控制元件，可以控制液压缸241的伸出和缩回，定量泵电机21为液压系统提供动力，通过位移传感器242、二位二通比例
换向阀的电磁铁、三位四通换向阀245的电磁铁通过专家滤波器可以对液压缸241的位移进行处理，从而控制液压缸241的伸出和缩回，进而完成液压系统的闭环控制，如果液压缸241上的位移传感器242实时监测的实际位移比上一时刻位移值大，则为伸出运动，初始位移值设为0，系统中三位四通换向阀245左位电磁铁得电动作，使液压油通过，而第一二位二通比例换向阀243则通过位移计算出相应的电流与前一时刻液压缸241的位移通过专家滤波器及改进的bp-pid算法计算得到的到的电流重复叠加使电磁铁得电控制液压油油量进入液压缸241内，并通过位移传感器242将此时的位移值反馈后，液压油通过未得电动作的第二二位二通比例换向阀244和处于左位的三位四通换向阀245流入油箱，从而精确控制液压缸7伸出位移；如果液压缸241上的位移传感器242实时监测的实际位移比上一时刻位移值小，则为缩回运动，系统中三位四通换向245右位电磁铁得电动作，使液压油通过，而第二二位二通比例换向阀244则通过位移计算出相应的电流与前一时刻液压缸241的位移通过专家滤波器及改进的bp-pid算法计算得到的到的电流重复叠加使电磁铁得电后控制液压油油量进入液压缸241，并通过位移传感器242将此时的位移值反馈后，液压油通过未得电动作的第一二位二通比例换向阀243和处于右位的三位四通换向阀245流入油箱，从而精确控制液压缸241缩回位移。
[0071]
本发明另一方面公开一种三缸协同控制系统的控制方法，参见图3-图4，具体包括以下步骤：
[0072]
s1：初始化：检查三缸协同控制系统中各部件的输入输出参数是否正常，如不正常，则不向下执行，并发出报警信号；如正常，则向下继续执行；
[0073]
具体地，检查控制器1和每个执行小组24中位移传感器242、比例溢流阀23的电磁铁、第一二位二通比例换向阀243的电磁铁、第二二位二通比例换向阀244的电磁铁和三位四通换向阀245的左位电磁铁和右位电磁铁的输入、输出参数是否正常；
[0074]
s2：参数设定：设定三缸协同控制系统中各部件的初始参数；
[0075]
具体地，设定控制器1和每个执行小组24中位移传感器242、比例溢流阀23的电磁铁、第一二位二通比例换向阀243的电磁铁、第二二位二通比例换向阀244的电磁铁和三位四通换向阀245的左位电磁铁和右位电磁铁的初始参数；
[0076]
s3：数据采集：三缸协同控制系统中各部件采集相关信号，并发送至控制器；
[0077]
具体地，采集每个执行小组24中位移传感器242的信号值。
[0078]
s4：通过控制器将当前设定位移与上一时刻设定位移相比较，如果当前设定位移大于上一时刻设定位移，则判断液压缸当前运动为伸出，则进入s5.1；如果当前设定位移小于上一时刻设定位移，则判断液压缸当前运动为缩回，则进入s5.2；如果实时监测得到的位移值等于上一时刻位移，则暂停在s4；
[0079]
s5.1：伸出运动位移自动控制，参见图6，采用前馈-反馈复合控制方法对各执行小组24中的液压缸241的位移实时控制，具体地：
[0080]
根据位移设定按钮检测到各执行小组24中液压缸241的设定位移值x(t)，并将此位移值x(t)转化为各执行小组24中三位四通换向阀245的左位电磁铁的输入电流值，并通过控制器1向各执行小组24中三位四通换向阀245的左位电磁铁发送相应电流信号；
[0081]
根据检测到的设定位移值x(t)，分别计算各执行小组24中第一二位二通比例换向阀243的电磁铁的电流值ia，并将电流值ia作为前馈控制的输出值；
[0082]
在各执行小组24中第一二位二通比例换向阀243的电磁铁得到电流动作的同时，控制器1控制各执行小组24中的位移传感器242检测液压缸241的位移；
[0083]
将位移传感器242检测到的液压缸241的位移值通过专家滤波器滤波处理后，根据公式计算实际位移值，将设定位移值和实际位移值作差，并将差值通过改进的bp-pid控制算法进行运算后作为反馈控制的输出值ib；
[0084]
将前馈控制的输出值ia和反馈控制的输出值ib叠加后通过控制器1输出至第二二位二通比例换向阀244的电磁铁，从而驱动第二二位二通比例换向阀244运行；
[0085]
判断各执行小组24中各个液压缸241的伸出运动是否完成，如若没有完成，则继续加载；如若完成，则停止加载，进入步骤6；
[0086]
步骤5.2：缩回运动位移自动控制，参见图5，采用前馈-反馈复合控制方法对各执行小组24中的液压缸241的位移实时控制，具体地：
[0087]
根据位移设定按钮检测到各执行小组24中液压缸241的设定位移值x(t)，并将此位移值x(t)转化为各执行小组24中三位四通换向阀245的右位电磁铁的输入电流值，并通过控制器1向各执行小组24中三位四通换向阀245的右位电磁铁发送相应电流信号；
[0088]
根据检测到的设定位移值x(t)，分别计算各执行小组24中第二二位二通比例换向阀244的电磁铁的电流值ia，并将电流值ia作为前馈控制的输出值；
[0089]
在各执行小组24中第二二位二通比例换向阀244的电磁铁得到电流动作的同时，控制器1控制各执行小组24中的位移传感器242检测液压缸241的位移；
[0090]
将位移传感器242检测到的液压缸241的位移值通过专家滤波器滤波处理后，根据公式计算实际位移值，将设定位移值和实际位移值作差，并将差值通过改进的bp-pid控制算法进行运算后作为反馈控制的输出值ib；
[0091]
将前馈控制的输出值ia和反馈控制的输出值ib叠加后通过控制器1输出至第一二位二通比例换向阀243的电磁铁，从而驱动第一二位二通比例换向阀243运行；
[0092]
判断各执行小组24中各个液压缸241的伸出运动是否完成，如若没有完成，则继续加载；如若完成，则停止加载，进入步骤6；
[0093]
可以理解的是，控制方法采用前馈-反馈复合控制，对位移实时监测，利用位移传感器检测到的实际位移值，经变步长lms专家滤波器处理，从而构成闭环系统；
[0094]
步骤6：液压缸伸缩或伸出运动完成，停止运行。
[0095]
需要理解的是由于位移信号容易受环境噪声影响，所以需要滤波器进行滤波，参见图7，以便真实反应位移，而不影响控制的滞后性，本发明所采用的专家滤波器对检测到的位移值进行滤波的步骤包括：
[0096]
根据式(1)进行自适应滤波；
[0097][0098]
其中，y(n)为滤波器的输出信号，x(n)为滤波器的输入信号，w(n)为自适应滤波器n时刻自适应算法所得出的滤波器抽头权向量，i为当前迭代次数，m为自适应滤波器迭代的阶数；
[0099]
通过式(2)进行误差值计算；
[0100]
e(n)＝d(n)-y(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0101]
其中，e(n)为该时刻期望输出量和实际输出量之差，d(n)为期望信号，y(n)为经过自适应滤波器滤波后在该时刻的输出信号；
[0102]
将步长因子μ作为目标参数，通过tent混沌映射生成初始种群，根据麻雀搜索算法设置边界参数，发现者追随者和警觉者的比重，通过迭代更新计算麻雀的适应值，更新发现者位置：
[0103][0104]
其中，为t时刻雀群中第i只所在第k维的位置信息，t表示当前处于第t次的迭代，t为总迭代次数，r2∈[0，1]表示为预警值，st∈[0.5，1]表示为安全值，γ为服从正态分布的随机数，l表示行为i列为k，元素均为1的矩阵；α为0～1的一个随机数，若当r2小于st时，可进行搜索；若当r2大于或等于st时，则此时预警值大于安全值，麻雀中的所有发现者向其他范围进行搜索；
[0105]
更新追随者位置：
[0106][0107]
其中，为t+1次迭代中雀群中第j只所在第k维的位置信息，为在t+1次迭代中所处k维的最佳位，x
worst
为当前所在k维的最差位，a为1行多维的矩阵且各元素被随机赋值1或-1，若当i大于n/2时，则表示当前第i只适用度差的跟随者需要向其他范围搜索；
[0108]
更新警觉者位置：
[0109][0110]
其中，k∈[-1，1]为步长控制参数，取值为随机数，fi为所处i麻雀的适应度值，fg与fw为全局最优位置和全局最差位置信息，ε为最小常数，为当前的全局最佳位置，β为步长控制参数。
[0111]
作为本发明的一个优选实施例，本发明所采用的bp-pid控制算法的原理是bp神经网络具有任意非线性表达能力，可以通过对系统性能的学习来实现最佳pid控制，其具体步骤包括：
[0112]
取某一时刻输入期望位移信号x(n)，将该位移信号转化为电流输出；
[0113]
输出电流信号控制三位四通换向阀的左右换向和二位二通比例换向阀的开口大小，实现对液压系统流量的控制，进而推动液压缸伸出或缩回，这一时刻所产生的实际输出位移信号为y(n)，期望值与实际输出的位移信号之间的差值为e(n)；
[0114]
通过神经网络结构输出pid三个参数k
p
、ki和kd；
[0115]
判断经过神经网络的输出值是否出现超调，对超调的部分值与贴合的部分值进行分类，超调的部分值需重新经过计算得到贴合值，最后与原输出未超调部分结合作为最终输出的pid值。
[0116]
本发明的控制方法在闭环系统中采用改进的bp-pid算法，通过神经网络分别计算
正反向的pid值作为输出，避免了pid值出现超调的情况，将pid控制器的输出值与前馈控制器的输出值叠加后的和作为比例换向阀的输入值，以此控制液压缸的输出位移贴合设定位移，从而使系统相应更快、精度更、稳定性更好。
[0117]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0118]
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种三缸协同控制系统，其特征在于，包括：控制器(1)；执行单元(2)，所述执行单元包括定量泵电机(21)、定量泵(22)、比例溢流阀(23)、三个执行小组(24)和油箱(25)，每个所述执行小组(24)的结构相同，包括液压缸(241)、位移传感器(242)、第一二位二通比例换向阀(243)、第二二位二通比例换向阀(244)和三位四通换向阀(245)，位移传感器(242)固定安装在所述液压缸(241)上，所述第一二位二通比例换向阀(243)的第一工作油口a与所述液压缸(241)的无杆腔油口a通过液压油管相连，所述第二二位二通比例换向阀(244)的第一工作油口a与所述液压缸(241)的有杆腔油口b通过液压油管相连，所述第一二位二通比例换向阀(243)的第二工作油口b与所述三位四通换向阀(245)的第一工作油口a通过液压油管相连，所述第二二位二通比例换向阀(244)的第二工作油口b与所述三位四通换向阀(245)的第二工作油口b通过液压油管相连，所述三位四通换向阀(245)进油口p、所述比例溢流阀(23)的进油口a和所述定量泵(22)的进油口a均通过液压油管连接所述油箱(25)；所述三位四通换向阀(245)出油口t和所述比例溢流阀(23)的出油口b通过液压油管连接所述油箱(25)；且所述位移传感器(242)、比例溢流阀(23)的电磁铁、第一二位二通比例换向阀(243)的电磁铁、第二二位二通比例换向阀(244)的电磁铁和所述三位四通换向阀(245)的左位电磁铁、右位电磁铁的输出端与所述控制器(1)的输入端相连，所述比例溢流阀(23)的电磁铁、第一二位二通比例换向阀(243)的电磁铁、第二二位二通比例换向阀(244)的电磁铁和所述三位四通换向阀(245)的左位电磁铁、右位电磁铁的输入端与所述控制器(1)的输出端相连。2.如权利要求1所述的一种三缸协同控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：初始化：检查三缸协同控制系统中各部件的输入输出参数是否正常，如不正常，则不向下执行，并发出报警信号；如正常，则向下继续执行；s2：参数设定：设定三缸协同控制系统中各部件的初始参数；s3：数据采集：三缸协同控制系统中各部件采集相关信号，并发送至控制器(1)；s4：通过控制器(1)将当前设定位移与上一时刻设定位移相比较，如果当前设定位移大于上一时刻设定位移，则判断液压缸当前运动为伸出，则进入s5.1；如果当前设定位移小于上一时刻设定位移，则判断液压缸当前运动为缩回，则进入s5.2；如果实时监测得到的位移值等于上一时刻位移，则暂停在s4；s5.1：伸出运动位移自动控制：根据位移设定按钮检测到各执行小组(24)中液压缸(241)的设定位移值x(t)，并将此位移值x(t)转化为各执行小组(24)中三位四通换向阀(245)的左位电磁铁的输入电流值，并通过控制器(1)向各执行小组(24)中三位四通换向阀(245)的左位电磁铁发送相应电流信号；根据检测到的设定位移值x(t)，分别计算各执行小组(24)中第一二位二通比例换向阀(243)的电磁铁的电流值ia，并将电流值ia作为前馈控制的输出值；在各执行小组(24)中第一二位二通比例换向阀(243)的电磁铁得到电流动作的同时，控制器(1)控制各执行小组(24)中的位移传感器(242)检测液压缸(241)的位移；将位移传感器(242)检测到的液压缸(241)的位移值通过滤波器滤波处理后，根据公式
计算实际位移值，将设定位移值和实际位移值作差，并将差值通过bp-pid控制算法进行运算后作为反馈控制的输出值ib；将前馈控制的输出值ia和反馈控制的输出值ib叠加后通过控制器(1)输出至第二二位二通比例换向阀(244)的电磁铁，驱动第二二位二通比例换向阀(244)运行；判断各执行小组(24)中各个液压缸(241)的伸出运动是否完成，如若没有完成，则继续加载；如若完成，则停止加载，进入步骤6；步骤5.2：缩回运动位移自动控制：根据位移设定按钮检测到各执行小组(24)中液压缸(241)的设定位移值x(t)，并将此位移值x(t)转化为各执行小组(24)中三位四通换向阀(245)的右位电磁铁的输入电流值，并通过控制器(1)向各执行小组(24)中三位四通换向阀(245)的右位电磁铁发送相应电流信号；根据检测到的设定位移值x(t)，分别计算各执行小组(24)中第二二位二通比例换向阀(244)的电磁铁的电流值ia，并将电流值ia作为前馈控制的输出值；在各执行小组(24)中第二二位二通比例换向阀(244)的电磁铁得到电流动作的同时，控制器(1)控制各执行小组(24)中的位移传感器(242)检测液压缸(241)的位移；将位移传感器(242)检测到的液压缸(241)的位移值通过滤波器滤波处理后，根据公式计算实际位移值，将设定位移值和实际位移值作差，并将差值通过bp-pid控制算法进行运算后作为反馈控制的输出值ib；将前馈控制的输出值ia和反馈控制的输出值ib叠加后通过控制器(1)输出至第一二位二通比例换向阀(243)的电磁铁，驱动第一二位二通比例换向阀(243)运行；判断各执行小组(24)中各个液压缸(241)的伸出运动是否完成，如若没有完成，则继续加载；如若完成，则停止加载，进入步骤6。3.根据权利要求2所述的一种三缸协同控制方法，其特征在于，所述滤波器为专家滤波器。4.根据权利要求3所述的一种三缸协同控制方法，其特征在于，所述专家滤波器对检测到的位移值进行滤波的步骤包括：根据式(1)进行自适应滤波；其中，y(n)为滤波器的输出信号，x(n)为滤波器的输入信号，w(n)为自适应滤波器n时刻自适应算法所得出的滤波器抽头权向量，i为当前迭代次数，m为自适应滤波器迭代的阶数；通过式(2)进行误差值计算；e(n)＝d(n)-y(n)
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(2)其中，e(n)为该时刻期望输出量和实际输出量之差，d(n)为期望信号，y(n)为经过自适应滤波器滤波后在该时刻的输出信号；将步长因子μ作为目标参数，通过tent混沌映射生成初始种群，根据麻雀搜索算法设置边界参数，发现者追随者和警觉者的比重，通过迭代更新计算麻雀的适应值，更新发现者位置：
其中，为t时刻雀群中第i只所在第k维的位置信息，t表示当前处于第t次的迭代，t为总迭代次数，r2∈[0,1]表示为预警值，st∈[0.5,1]表示为安全值，γ为服从正态分布的随机数，l表示行为i列为k，元素均为1的矩阵；α为0～1的随机数，若当r2小于st时，可进行搜索；若当r2大于或等于st时，则此时预警值大于安全值，麻雀中的所有发现者向其他范围进行搜索；更新追随者位置：其中，为t+1次迭代中雀群中第j只所在第k维的位置信息，为在t+1次迭代中所处k维的最佳位，x
worst
为当前所在k维的最差位，a为1行多维的矩阵且各元素被随机赋值1或-1，若当i大于n/2时，则表示当前第i只适用度差的跟随者需要向其他范围搜索；更新警觉者位置：其中，k∈[-1,1]为步长控制参数，取值为随机数，f
i
为所处i麻雀的适应度值，f
g
与f
w
为全局最优位置和全局最差位置信息，ε为最小常数，为当前的全局最佳位置，β为步长控制参数。5.根据权利要2所述的一种三缸协同控制方法，其特征在于，所述bp-pid控制算法的步骤包括：取某一时刻输入期望位移信号x(n)，将该位移信号转化为电流输出；输出电流信号控制三位四通换向阀的左右换向和二位二通比例换向阀的开口大小，实现对液压系统流量的控制，进而推动液压缸伸出或缩回，这一时刻所产生的实际输出位移信号为y(n)，期望值与实际输出的位移信号之间的差值为e(n)；通过神经网络结构输出pid三个参数k
p
、k
i
和k
d
；判断经过神经网络的输出值是否出现超调，对超调的部分值与贴合的部分值进行分类，超调的部分值需重新经过计算得到贴合值，最后与原输出未超调部分结合作为最终输出的pid值。

技术总结
本发明提供一种三缸协同控制系统及其控制方法，涉及液压系统控制技术领域，采用负载口独立控制技术，可单独控制每个液压缸进油口和出油口的流量，减少控制过程中的能量损失，使液压系统更加节能；控制方法采用前馈-反馈复合控制，对位移实时监测，利用并将位移传感器检测到的实际位移值，经变步长LMS专家滤波器处理，从而构成闭环系统；在闭环系统中采用改进的BP-PID算法，通过神经网络分别计算正反向的PID值作为输出，避免了PID值出现超调的情况，将PID控制器的输出值与前馈控制器的输出值叠加后的和作为比例换向阀的输入值，以此控制液压缸的输出位移贴合设定位移，从而使系统相应更快、精度更、稳定性更好。稳定性更好。稳定性更好。


技术研发人员：刘凯磊 曲宏伟 张钰琦 康绍鹏 强红宾 杨静 尹俊杰 徐时雨 臧延涛 岳树杰
受保护的技术使用者：江苏理工学院
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/12