关键词:
双边遥操作系统
反步控制法
径向基神经网络
有限时间稳定
固定时间稳定
网络控制非线性系统
柔性关节机器人
摘要:
双边遥操作系统可以使从端机器人代替人类进入危险的领域,并复现人类的灵活操作。凭借其独特的工作优势,人类可操作范围得到了有效延伸,应用领域不断扩展。随着遥操作系统在任务中面临的环境复杂度不断提高,人们对遥操作系统的控制精度、稳定速度等控制性能也提出了更高的要求。在实际应用中,模型参数很容易对双边遥操作系统的控制性能产生影响,外界的扰动不确定性和网络通讯环境中的通讯时延等问题都对控制性能有着较大影响,因此,在很多复杂的遥操作任务中,传统的控制方法越来越难以满足实际工程的控制需求。本论文以传统的欧拉-拉格朗日方程建立双边遥操作系统的非线性动力学模型,基于反步控制法并融合了径向基神经网络,提出一种新的自适应控制框架。在该框架下设计控制器,完成主从两端快速、准确、稳定的同步跟踪,实现系统的预设性能控制目标,同时保证了双边遥操作系统的稳态与暂态性能。本论文的主要研究内容如下:
1.针对双边遥操作系统受系统不确定性、未知外力、未知干扰和不对称通信时延影响下的同步稳定性,提出预设漏斗控制,同时保证系统稳态和暂态性能。预定义了一条漏斗状曲线作为同步跟踪误差的边界,以反步控制框架为基础,对状态变量作协调变换,按逐阶次递进的设计思想来设计控制器,保证变换后的变量收敛,进而保证系统快速准确的同步性能。控制过程中非线性函数的未知问题和不确定性由径向基神经网络去拟合,转化为被控系统的参数更新问题。对稳定性、收敛速度和超调量进行综合考虑,系统在以较高的收敛速度同步跟踪的同时,避免产生较高的超调量,这更能满足实际控制需求。
2.基于预设漏斗约束和有限时间控制在实现双边遥操作系统暂稳态性能的同时满足快速收敛的要求,并针对系统抖振问题提出滞环量化器,避免控制信号的高频切换,提高所设计控制器的物理适用性。在上述对双边遥操作系统同步稳定性控制的基础上,考虑了快速收敛和工程信号量化的问题。为了在不降低系统控制精度的情况下减少控制器控制信号的切换频率,将控制器输出的控制信号经由滞环量化器处理,以实现按照系统当前状态及控制需求自适应地输出控制信号的功能。利用漏斗控制器,以规定的性能快速、准确地实现双边遥操作同步跟踪,通过有限时间稳定控制方法保证系统在有限时间内达到收敛,提供闭环系统中所有信号更快的收敛速度、更好的鲁棒性和更高的精度,实现预设性能控制。该方法在保证系统控制性能的同时,降低了对控制器输出精度的要求,避免了因控制信号高频切换而产生的抖振问题,进一步解决了遥操作系统控制要求高与对控制器物理成本要求低的矛盾问题。
3.针对网络资源受限问题,提出事件触发机制降低控制器触发频率从而降低通讯负担,保证了数据传输量受限情况下的同步稳定性,并基于固定时间进一步考虑控制建立的时间,更适合于对收敛时间有严格要求的双边遥操作系统。为了减少控制信号对网络带宽资源的消耗,在设计所需控制器的过程中,引入事件触发机制,仅在必要的情况下传输控制信号,在网络不确定和带宽受限的情况下有效减少通信负担。同时,利用固定时间控制可以严格保证系统稳定时间,无论初始状态如何,设定时间的上限都可以通过设计参数来确定,这为预设系统性能提供了一种新思路。
4.对于柔性关节机械臂存在的更复杂的非线性问题及振动现象,利用预设漏斗约束和有限时间稳定实现了良好的暂稳态性能。首先将遥操作系统中机械臂的柔性特性按照关节柔性进行解耦,建立了柔性遥操作系统的高阶动态特性方程。进而,基于反步控制方法的高阶控制器设计优势,对被控系统逐阶设计了一种基于漏斗约束反步法的自适应有限时间预设性能控制方案,在柔性关节存在的情况下依旧在有限时间内实现主从端稳定的同步,同时还能够达到暂稳态稳定性的控制目标。为了解决未知扰动对高阶系统的影响,引入了径向基神经网络近似器,只需要通过更新一个自适应参数来逼近机器人非线性特性引起的不确定性,这大大降低了控制器的设计复杂度。