关键词:
遥操作系统
时变时延
拒绝服务攻击
自抗扰理论
全局有限时间稳定性
摘要:
网络遥操作机械臂能够代替人类在危险、恶劣环境下进行作业,因此在核能设施、航天、医疗等都有存在其身影。然而,由于其主从机械臂之间通过网络连接,其信息之间的相互传递就存在时变时延、网络攻击等现象。时变时延、网络攻击,再加上建模不确定等因素将严重影响遥操作系统的主从轨迹跟踪、控制性能和系统稳定性。本文针对上述问题设计控制器实现网络主从遥操作系统全局有限时间稳定跟踪。
首先,为了在时变时延下获得更快更稳定的主从遥操作控制,本文结合P+dlike全局有限时间控制器和传统的PD+d控制器,提出了一种PD+d-like全局有限时间控制器,改善了时变时延下主从遥操作的轨迹跟踪性能,实现了系统的全局有限时间稳定,并基于LMI矩阵理论建立了系统稳定准则。实验结果表明该控制器的轨迹跟踪误差比传统PD+d控制器的轨迹跟踪误差小,具有更好的轨迹跟踪性能。同时该控制器由于增加了微分环节()的作用,相对于P+d-like全局有限时间控制器,速度跟踪效果更平滑、速度跟踪误差减小,实现更快更稳定的主从速度跟踪性能。
其次,为了解决Do S网络攻击下遥操作系统稳定性问题,提出一种将零阶保持器与比例微分补偿器相结合的切换弹性补偿控制器,能够识别Do S攻击并补偿相应的数据丢包问题。再将切换弹性补偿控制器与PD+d-like全局有限时间控制器结合,构建全局有限时间切换弹性控制器,实现了在时变时延和网络攻击下遥操作系统快速稳定地主从轨迹跟踪,并对系统稳定性进行分析,基于线性矩阵不等式求得控制器稳定参数和最大稳定时延之间的关系,并建立了系统稳定准则。仿真和实验结果都表明,全局有限时间切换弹性控制器在时变时延下和网络受到Do S攻击时,切换弹性补偿控制器的加入使系统显著抑制了Do S攻击的不利影响,实现更稳定且准确的主从轨迹跟踪。同时,还对系统的透明性进行分析,结果表明,操作者能很好感受到从端机械臂与环境的交互,系统具有良好的透明性。
最后,针对实际系统中存在的内部建模不确定以及外部扰动等干扰因素,设计非线性扩张状态观测器(ESO),精准估计系统的状态以及干扰量并加以补偿。设计了基于ESO的全局有限时间切换弹性控制器,实现遥操作系统对时变时延、Do S攻击、系统建模不确定以及外部干扰的快速同时处理。基于Lyapunov理论对观测器的收敛性进行了分析,并基于LMI矩阵理论建立了系统稳定准则。仿真和实际实验结果表明,该观测器可以估算并补偿系统内部建模不确定以及外部环境干扰,有效抑制了抖振的问题,改善系统主从轨迹跟踪效果,同时提高主从的轨迹同步性能。