本發(fā)明涉及鏟運(yùn)機(jī)控制，更具體地說，本發(fā)明涉及一種電動鏟運(yùn)機(jī)電纜拖曳力矩自適應(yīng)控制方法。

背景技術(shù)：

1、在露天礦山、建筑工地等作業(yè)環(huán)境中，電動鏟運(yùn)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種挖掘、裝卸和運(yùn)輸作業(yè)；電動鏟運(yùn)機(jī)通常通過拖曳電纜獲取所需的電力，因此電纜的安全可靠運(yùn)行對于整個(gè)系統(tǒng)的正常工作至關(guān)重要。

2、申請公開號為cn115744505a的專利申請公開了一種地下電動鏟運(yùn)機(jī)的電纜卷筒控制系統(tǒng)，涉及鏟運(yùn)機(jī)電纜收放的技術(shù)領(lǐng)域，包括狀態(tài)單元、卷筒單元、控制單元、剎車單元、布纜單元和卷纜單元；狀態(tài)單元用于判斷鏟運(yùn)機(jī)的狀態(tài)，并將鏟運(yùn)機(jī)的狀態(tài)信號發(fā)送給控制單元；卷筒單元用于判斷卷筒狀態(tài)，并將卷筒狀態(tài)信號發(fā)送給控制單元；控制單元包括一個(gè)主控制器，主控制器內(nèi)設(shè)控制邏輯，用于處理狀態(tài)單元和卷筒單元的信號，并向剎車單元、布纜單元和卷纜單元發(fā)送指令；剎車單元用于實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)故障時(shí)剎車；布纜單元用于實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)布設(shè)電纜；卷纜單元用于實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)卷收電纜；主要用途是通過地下電動鏟運(yùn)機(jī)和其電纜卷筒之間良好的協(xié)同工作，提高設(shè)備使用的效率和經(jīng)濟(jì)性。

3、但是傳統(tǒng)的控制方法依然缺乏實(shí)時(shí)性和精確性；電纜在運(yùn)動過程中，其位置、張力、曲率等狀態(tài)參數(shù)會隨時(shí)發(fā)生變化，而現(xiàn)有方法無法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取這些動態(tài)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致控制響應(yīng)滯后，無法及時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，最終無法精確控制電纜的拖曳力矩；這給電纜的安全運(yùn)行帶來了極大的隱患，也影響了鏟運(yùn)機(jī)的工作效率；其次，現(xiàn)有控制策略缺乏自適應(yīng)性和智能化；電纜的運(yùn)動受到諸多復(fù)雜因素的影響，如環(huán)境溫濕度等，這些因素的變化會導(dǎo)致電纜的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生劇烈變化；但現(xiàn)有的控制方法通常采用固定的控制規(guī)則或簡單的反饋控制，無法根據(jù)工況和環(huán)境的變化自主調(diào)整控制策略，難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制，導(dǎo)致控制效果不佳。

4、鑒于此，本發(fā)明提出一種電動鏟運(yùn)機(jī)電纜拖曳力矩自適應(yīng)控制方法以解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種電動鏟運(yùn)機(jī)電纜拖曳力矩自適應(yīng)控制方法，包括：s1、采集電纜綜合數(shù)據(jù)；并將電纜綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到狀態(tài)碼集合；

2、s2、基于狀態(tài)碼集合，利用改進(jìn)細(xì)胞算法預(yù)測得到電纜的理想拖曳力矩值；

3、s3、基于理想拖曳力矩值定位差異區(qū)域；基于差異區(qū)域構(gòu)建一個(gè)有向圖模型；

4、s4、基于有向圖模型，對電動鏟運(yùn)機(jī)的控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

5、進(jìn)一步地，所述電纜綜合數(shù)據(jù)包括電纜物理參數(shù)數(shù)據(jù)、電纜運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。

6、進(jìn)一步地，所述將電纜綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的方式包括：

7、將電纜綜合數(shù)據(jù)中的序列數(shù)據(jù)離散化為有限的離散狀態(tài)值；將電纜物理參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，將得到的標(biāo)準(zhǔn)化后的電纜物理參數(shù)數(shù)據(jù)同樣記作離散狀態(tài)值；所有離散狀態(tài)值構(gòu)成狀態(tài)集合；

8、將所有離散狀態(tài)值進(jìn)行編碼，即得到對應(yīng)的狀態(tài)碼，并將狀態(tài)碼存儲至映射表中；所有的狀態(tài)碼構(gòu)成狀態(tài)碼集合。

9、進(jìn)一步地，所述將電纜綜合數(shù)據(jù)中的序列數(shù)據(jù)離散化為有限的離散狀態(tài)值的方式包括：

10、對電纜綜合數(shù)據(jù)中的序列數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化或歸一化處理；得到對應(yīng)的歸一化數(shù)據(jù)序列，從對應(yīng)的歸一化數(shù)據(jù)序列按照時(shí)間點(diǎn)切分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)，得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)；所有數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成數(shù)據(jù)集；預(yù)先定義狀態(tài)值的數(shù)量；設(shè)置離散化的參數(shù)，參數(shù)包括最大鄰域數(shù)m、局部最小化數(shù)和最大迭代次數(shù)；

11、從數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇與預(yù)先定義的狀態(tài)值的數(shù)量相同的數(shù)據(jù)點(diǎn)作為初始的狀態(tài)中心點(diǎn)并賦予狀態(tài)標(biāo)簽；對于每個(gè)狀態(tài)中心點(diǎn)，在數(shù)據(jù)集中尋找距離最近的m個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，m為大于1的整數(shù)；這m個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建為對應(yīng)狀態(tài)中心點(diǎn)的鄰域；

12、定義自適應(yīng)候選數(shù)；其中，為預(yù)設(shè)的初始候選數(shù)，為預(yù)設(shè)的衰減率，為當(dāng)前迭代次數(shù)；、和是超參數(shù)；為最近k次迭代中總體誤差的變化量；k為大于1的整數(shù)；為當(dāng)前迭代次數(shù)和最大迭代次數(shù)的比值；為sigmoid函數(shù)；

13、對于每次迭代，計(jì)算鄰域內(nèi)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到對應(yīng)的狀態(tài)中心點(diǎn)的距離，并按距離從小到大將數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行排序；選取距離最小的個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為候選中心點(diǎn)；對于每個(gè)候選中心點(diǎn)，暫時(shí)將對應(yīng)的候選中心點(diǎn)作為新的狀態(tài)中心點(diǎn)；重新分配鄰域內(nèi)其他數(shù)據(jù)點(diǎn)的狀態(tài)標(biāo)簽，使它們屬于距離最近的狀態(tài)中心點(diǎn)；并計(jì)算總體誤差；比較所有候選中心點(diǎn)對應(yīng)的總體誤差，選擇總體誤差最小的候選中心點(diǎn)作為新的狀態(tài)中心點(diǎn)；重復(fù)直至總體誤差不再減小為止；

14、根據(jù)最終得到的狀態(tài)中心點(diǎn)，將序列數(shù)據(jù)離散化為有限的狀態(tài)值；每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)被分配到與其最近的狀態(tài)中心點(diǎn)相對應(yīng)的狀態(tài)值，將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的狀態(tài)值作為離散狀態(tài)值。

15、進(jìn)一步地，所述將狀態(tài)碼存儲至映射表中的方式包括：

16、遍歷狀態(tài)集合，統(tǒng)計(jì)每個(gè)離散狀態(tài)值出現(xiàn)的頻率；將離散狀態(tài)值按照出現(xiàn)的頻率從高到低排序；所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)集合；基于節(jié)點(diǎn)集合構(gòu)建一棵編碼樹，將所有離散狀態(tài)值看作編碼樹的葉子節(jié)點(diǎn)，頻率作為對應(yīng)葉子節(jié)點(diǎn)的權(quán)重；所有葉子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)集合；從編碼樹的根節(jié)點(diǎn)開始，將節(jié)點(diǎn)集合一分為二，得到左子樹和右子樹；將左子樹的葉子節(jié)點(diǎn)編碼為0，右子樹的葉子節(jié)點(diǎn)編碼為1；遞歸地對左子樹和右子樹進(jìn)行同樣的分割和編碼，直到所有葉子節(jié)點(diǎn)都被編碼；遍歷編碼樹，獲取每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的編碼，將(狀態(tài)碼，編碼)作為鍵值對插入映射表中，所述映射表為哈希表。

17、進(jìn)一步地，所述將節(jié)點(diǎn)集合一分為二的方式包括：

18、定義自適應(yīng)分割閾值；其中，是預(yù)設(shè)的最大允許閾值常數(shù)；為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)集合的總權(quán)重；為根節(jié)點(diǎn)的權(quán)重；為控制參數(shù)；為當(dāng)前的層級；為層級控制參數(shù)；和為自適應(yīng)控制參數(shù)；為當(dāng)前的分割方式相比最優(yōu)分割會導(dǎo)致的編碼長度增加的量；

19、將當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)集合中的葉子節(jié)點(diǎn)按權(quán)重從大到小排序，得到排序后節(jié)點(diǎn)集合；初始化兩個(gè)空集合，記作左集合和右集合，用于存儲分割后的葉子節(jié)點(diǎn)，從頭開始遍歷排序后節(jié)點(diǎn)集合，將葉子節(jié)點(diǎn)依次加入左集合，直到左集合的權(quán)重之和超過當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)集合的總權(quán)重的一半，將剩余的葉子節(jié)點(diǎn)加入右集合；計(jì)算左集合和右集合中所有的葉子節(jié)點(diǎn)的權(quán)重差diff；若diff小于或等于，則接受該分割；若diff大于，則從左集合中取出最后一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，加入右集合，并重新計(jì)算權(quán)重差，判斷是否小于或等于；若仍大于，則從右集合中取出第一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，加入左集合；重復(fù)直到二者的權(quán)重差小于或等于，或左集合和右集合中只剩一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)；對左集合和右集合遞歸執(zhí)行分割，構(gòu)建得到左子樹和右子樹。

20、進(jìn)一步地，所述理想拖曳力矩值的預(yù)測方式包括：

21、將電纜的運(yùn)動狀態(tài)映射到一個(gè)二維網(wǎng)格，二維網(wǎng)格中的每個(gè)網(wǎng)格單元稱為細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞的狀態(tài)由狀態(tài)碼集合中的狀態(tài)碼確定；定義每個(gè)細(xì)胞的鄰居細(xì)胞的范圍為自身細(xì)胞的上下左右相鄰的細(xì)胞以及對角線方向的細(xì)胞；

22、定義細(xì)胞狀態(tài)的更新規(guī)則函數(shù)，更新規(guī)則函數(shù)的公式為：

23、；其中，為細(xì)胞在時(shí)間時(shí)刻的狀態(tài)，為歸一化常數(shù)，表示細(xì)胞可能轉(zhuǎn)移到的新狀態(tài)，為細(xì)胞在時(shí)間時(shí)刻的狀態(tài)，表示細(xì)胞的鄰居細(xì)胞在時(shí)間時(shí)刻的狀態(tài)集合，為使最大化時(shí)的自變量值，表示影響細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)移的其他因素的集合；是一個(gè)能量函數(shù)，表示細(xì)胞轉(zhuǎn)移到的能量代價(jià)；

24、根據(jù)時(shí)間點(diǎn)的順序，二維網(wǎng)格從上向下或從下向上將狀態(tài)碼分配給每個(gè)細(xì)胞；每個(gè)細(xì)胞檢查自身和鄰居細(xì)胞的狀態(tài)，根據(jù)更新規(guī)則函數(shù)對所有細(xì)胞同步進(jìn)行狀態(tài)的更新，形成細(xì)胞新的狀態(tài)；持續(xù)若干個(gè)時(shí)間步，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或收斂；統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定狀態(tài)下每種細(xì)胞的狀態(tài)的數(shù)量及其在整個(gè)二維網(wǎng)格中的分布，記作細(xì)胞狀態(tài)分布；建立細(xì)胞的狀態(tài)與電纜運(yùn)動參數(shù)之間的映射關(guān)系表；根據(jù)得到的細(xì)胞狀態(tài)分布，查找映射關(guān)系表，還原出對應(yīng)的電纜運(yùn)動參數(shù)的分布；構(gòu)建電纜的物理模型，將還原出的電纜運(yùn)動參數(shù)代入物理模型；計(jì)算得到電纜在運(yùn)動過程中所需的理想拖曳力矩值。

25、進(jìn)一步地，所述定位差異區(qū)域的方式包括：

26、將電纜的運(yùn)動空間離散化為一個(gè)規(guī)則網(wǎng)格；根據(jù)當(dāng)前的電纜運(yùn)動參數(shù)，確定電纜在規(guī)則網(wǎng)格中所處的初始的格子，將該格子標(biāo)記為當(dāng)前狀態(tài)；定義目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)為實(shí)際拖曳力矩值與理想拖曳力矩值的差值；遍歷規(guī)則網(wǎng)格中的每個(gè)格子，計(jì)算其對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)的值，將目標(biāo)函數(shù)的值存儲在相應(yīng)的格子中；預(yù)設(shè)差異閾值，將目標(biāo)函數(shù)的值低于差異閾值的格子作為差異區(qū)域格子，所有差異區(qū)域格子構(gòu)成差異區(qū)域。

27、進(jìn)一步地，所述有向圖模型的構(gòu)建方式包括：

28、將差異區(qū)域進(jìn)行離散化處理，將其劃分為若干個(gè)離散的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表差異區(qū)域中的一個(gè)子區(qū)域或狀態(tài)；若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的子區(qū)域相鄰，則確定它們之間存在連接關(guān)系，在存在連接關(guān)系的相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之間連接有向邊，有向邊的方向是雙向的，即在兩個(gè)方向上各連接一條有向邊；定義有向邊的權(quán)重為對應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)移所需的調(diào)整量；將所有節(jié)點(diǎn)及其之間的有向邊組合起來，形成一個(gè)完整的有向圖模型。

29、進(jìn)一步地，所述基于有向圖模型，對電動鏟運(yùn)機(jī)的控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整的方式包括：

30、在構(gòu)建的有向圖模型中，根據(jù)當(dāng)前電纜的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)，確定對應(yīng)的初始狀態(tài)節(jié)點(diǎn)；為有向圖模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)一組狀態(tài)參數(shù)，表示該節(jié)點(diǎn)所代表的運(yùn)動狀態(tài)；計(jì)算理想拖曳力矩值對應(yīng)的電纜運(yùn)動參數(shù)與每個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)狀態(tài)參數(shù)之間的距離或相似度；選取距離最小或相似度最高的節(jié)點(diǎn)作為理想狀態(tài)節(jié)點(diǎn)；

31、以初始狀態(tài)節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，理想狀態(tài)節(jié)點(diǎn)為終點(diǎn)，在有向圖模型中采用dijkstra算法或a*算法搜索從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑，從搜索得到的最短路徑中提取出每條有向邊對應(yīng)的調(diào)整量，將這些調(diào)整量按最短路徑的順序排列，構(gòu)成一個(gè)調(diào)整序列，將調(diào)整序列中的每個(gè)調(diào)整量進(jìn)一步分解為對應(yīng)的控制參數(shù)調(diào)整量；根據(jù)分解得到的各個(gè)控制參數(shù)調(diào)整量，生成相應(yīng)的控制指令；將生成的控制指令下發(fā)到電動鏟運(yùn)機(jī)的相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制指令對電動鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

32、本發(fā)明一種電動鏟運(yùn)機(jī)電纜拖曳力矩自適應(yīng)控制方法的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：

33、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電纜拖曳力矩控制的智能化和自適應(yīng)性，通過融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，建立精確的電纜運(yùn)動模型，可以實(shí)時(shí)預(yù)測理想的拖曳力矩值，為控制提供精準(zhǔn)的目標(biāo)，同時(shí)，利用有向圖模型描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系，并基于圖搜索算法自主優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)了控制邏輯的自適應(yīng)調(diào)整，大幅提升了控制的智能化水平；顯著提高了控制的精度和穩(wěn)定性；通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和融合，提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性；利用建模和預(yù)測算法，提高了對電纜運(yùn)動的描述精度；有向圖模型和圖搜索算法確保了控制調(diào)整的合理性和最優(yōu)性，從而提升了控制的精確度和穩(wěn)定性；提高控制的智能化水平、精確度和穩(wěn)定性，提高電動鏟運(yùn)機(jī)設(shè)備的工作效率和安全性。