具有时变时延的机器人遥操作系统控制研究

摘要

随着社会经济和科学技术的快速发展，机器人遥操作技术已广泛应用于深海作业、太空探测和核设施等各个领域，在大大降低了经济成本的同时，也最大程度的保障了操作人员的安全。机器人遥操作技术在很多领域的成功应用越来越显示出其巨大的研究价值，目前已成为控制领域的研究热点。
　　机器人遥操作系统的动力学方程具有非线性和不确定性的特点，特别是通信环节存在的通信时延，大大地降低了机器人遥操作系统的稳定性和操作性能。针对上述问题，本文主要做了如下工作:
　　1.采用拉格朗日方法给出了机器人遥操作系统的动力学模型。为了便于分析时延对系统稳定性和操作性能的影响，引入了机器人遥操作系统等效的二端口网络模型，并在此基础上分析了时延对整个遥操作系统稳定性和透明性的影响，证明了时延是导致遥操作系统不稳定、降低遥操作系统透明性的根本原因。
　　2.针对机器人遥操作系统中存在的时变通信时延问题，通过反馈线性化将遥操作控制系统的同步控制描述为一类不确定线性时滞系统H∞控制问题，其中的不确定性用于描述时变时延引起的系统动态。进而，采用Lyapunov-Krasovskii函数方法和积分不等式方法，给出了保证系统渐近稳定并具有给定H∞性能指标的一个充分条件。然后，基于线性矩阵不等式方法设计H∞控制器，实现了遥操作系统的同步控制，并通过仿真算例验证了所提基于H∞控制的遥操作系统的同步控制方法的有效性。
　　3.对前面通过反馈线性化得到的机器人遥操作系统的线性时滞系统模型进行增广处理，给出二次性能指标，把机器人遥操作系统的同步控制描述成模型不确定线性时滞系统的保性能控制问题。进而，对系统的鲁棒性能进行分析，并采用线性矩阵不等式方法给出了保性能控制器的设计方法。最后通过仿真验证了基于保性能控制的遥操作系统的同步控制方法的有效性，并且同步误差具有更小的波动、能够更加快速的收敛到零状态。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．2 遥操作系统研究综述

1．2．1 遥操作系统的研究现状

1．2．2 遥操作系统的控制算法概述

1．3 遥操作系统研究存在的问题

1．4 本文主要研究内容及章节安排

第2章 机器人遥操作系统的建模和分析

2．1 引言

2．2 机器人遥操作系统的建模

2．2．1 机械臂动力学模型

2．2．2 机器人遥操作系统动力学模型

2．2．3 通信环节的时延

2．3 时延对遥操作系统的稳定性和透明性的影响

2．3．1 二端口网络模型

2．3．2 时延对遥操作系统稳定性的影响

2．3．3 时延对遥操作系统透明性的影晌

2．4 本章小结

第3章 基于H∞控制方法的机器人遥操作系统同步控制

3．1 引言

3．2 问题描述

3．3 基于H∞控制方法的机器人遥操作系统同步控制

3．3．1 稳定性及H∞性能分析

3．3．2 H∞控制器的设计

3．4 仿真结果

3．5 本章小结

第4章 基于保性能控制方法的机器人遥操作系统同步控制

4．1 引言

4．2 问题描述

4．3 基于保性能控制方法的机器人遥操作系统同步控制

4．3．1 鲁棒性能分析

4．3．2 保性毹控制器的设计

4．4 仿真结果

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 研究工作总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果