大时延遥操作系统的波变量双边自适应控制

2012年07月17日13:41:22 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

刘红云，熊　伟，居鹤华，崔平远
北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京

北京理工大学宇航学院深空探测技术研究所，北京

摘　　　要：针对通信时延对遥操作系统稳定性和透明性的影响，研究了一种基于双边自适应控制和波变量理论的控制方法。通过设计波控制器保证通信传输模块的无源性，在保证系统稳定的基础上，调节波阻抗系数来提高系统的透明性，并在时延１０ｓ的情况下进行主从端速度、位置和力的跟踪仿真实验，结果表明该方法和已有的双边自适应方法相比既能保证系统稳定且透明性好，达到较好的控制效果。

关　键　词：大时延；遥操作；自适应；波变量；透明性；稳定性

１　引　言
在遥操作系统中即使通信传输环节存在很小的时延，都有可能使遥操作系统不稳定，于是遥操作系统存在两个主要的目标：系统的鲁棒稳定性和系统的透明性。目前国内外很多人针对通信时延对遥操作系统稳定性和透明性的影响进行了大量的研究工作，提出了不同的控制方法，主要有波变量方法，力反馈方法，预测显示方法，自适应方法等［１１１］。早在１９８９年的时候，Ａｎｄｅｒｓｏｎ和Ｓｐｏｎｇ基于无源和散射理论的方法来补偿系统的时延，保证遥操作系统的稳定性［２］；１９９１年，Ｎｉｅｍｅｙｅｒ和Ｓｌｏｔｉｎｅ从能量的角度基于无源理论，提出了波变量的概念，并通过波变量的方法提出了一种能够保证在任意时延下系统都能够稳定无源控制算法［３］，２００７年张永林和宋爱国针对时延遥操作系统的控制的波变量法［２１］，是基于无源性理论的波变量法来保证遥操作系统在任意时延下稳定，并对波变量的技术的应用和发展做了全面的阐述和系统的分析，指出了其未来的研究方向以及２００８年张永林和宋爱国就广义波变量遥操作系统的透明性分析做了一系列的研究［２２２３］，针对波变量系统的力反馈遥操作系统的透明性和波反射在遥操作系统中对系统的稳定性和透明性的影响做了深入的研究；随后Ｌｅｅ和Ｓｐｏｎｇ（２００６），Ｌｏｚａｎｏ，Ｃｈｏｐｒａ，Ｓｐｏｎｇ（２００２），Ｍｕｎｉｒ和Ｂｏｏｋ（２００２），Ｒｙｕ，Ｋｗｏｎ和Ｈａｎｎａｆｏｒｄ（２００４），ｓｔｒａｍｉｇｉｏｌｉ，Ｓｃｈａｆｔ，Ｍａｓｃｈｋｅ和Ｍｅｌｃｈｉｏｒｒｉ（２００２）及Ｔａｎｎｅｒ和Ｎｉｅｍｅｙｅｒ（２００５）等都是利用系统的输入和输出以及通信传输环节的无源性来保证系统的稳定性。１９９２年，ＷＳｋｉｍ等人利用力反射和共享柔顺控制的方法，来设置控制器使主端的操作者能“感知” 环境力信息，达到力觉临场的效果，实现力的透明性［６］；在遥操作系统中，力跟踪是非常关键的技术，力跟踪的效果不仅仅依赖自身，而且还影响到位置的跟踪效果，一旦从端的机器人不能够精确地把从端的力信息反馈到主端，这样从端的力就不可控，这对于系统很危险，因此提出了力反馈控制算法［７９］。２０００年ｚｈｕ和Ｓａｌｃｕｄｅａｎ就不同的环境情况下提出了双边自适应控制方法，并证明了该算法在小时延的情况下系统的稳定性和透明性，但是在大时延的情况下系统的透明性明显恶化［４］；２００５年李林辉和李元春在ｚｈｕ和Ｓａｌｃｕｄｅａｎ的基础上改进算法，使系统的透明性有了一定的改善［５］。本文针对大时延遥操作系统的２个主要目标，在自适应控制［４５］的基础上应用波变量的方法，在保证系统稳定的前提下，通过在通信模块采用波变量的方法来设置波控制器，实现通信传输模块不存储能量和无源。保证从端的力信息能够反馈到主端，使主端能够真正的“感知” 环境力，从而使系统能够在１０ｓ时延的情况下能够稳定且具有良好的透明性。

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