[發明專利]一種時變時延下遙操作系統的連續有限時間控制方法

在審

• 申請號: 201810329332.2
• 申請日: 2018-04-13
• 公開（公告）號: CN108549226A
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發明（設計）人: 楊亞娜;李軍朋;華長春
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產權事務所(普通合伙) 13116
• 代理人: 李合印

1.一種時變時延下遙操作系統的連續有限時間控制方法，其特征在于：內容包括如下步驟：

S1.引入新的中間變量將遙操作系統拆分為兩個子系統，將不帶有時變時延信息的系統定義為第一子系統，帶有時變時延信息的系統定義為第二子系統；并將第一子系統的系統狀態置于第二子系統中；

S2.針對第一子系統基于加冪積分方法設計有限時間控制策略，保證第一子系統的同步誤差在有限時間內趨于零點；

S3.基于Lyapunov理論對第一子系統的有限時間穩定以及有限時間同步性能進行嚴格證明，建立控制參數與系統收斂時間的關系；

S4.針對帶有時變時延信息的第二子系統設計有限時間控制器，保證第二子系統的同步誤差在有限時間內趨于零點；

S5.基于弱有限時間輸入到狀態穩定、弱有限時間輸入到輸出穩定以及有限時間小增益定理，建立第二子系統的收斂時間與控制器參數、時延導數上界的關系。

2.根據權利要求1所述的一種時變時延下遙操作系統的連續有限時間控制方法，其特征在于：在步驟S1中，所述引入新的中間變量將遙操作系統拆分為兩個子系統，并將第一子系統的系統狀態置于第二子系統中；就是考慮引入新的中間變量將n自由度的遙操作主從系統拆分為兩個子系統，并將帶有時變時延的第一子系統的系統狀態置于第二子系統中，考慮由主、從機器人組成的雙邊遙操作系統，其主機器人與從機器人之間通過網絡進行信息傳輸，網絡誘導時延往往存在非對稱以及時變特性；為了在有限時間控制方法設計中避免對時延信息的使用，通過引入輔助中間變量將原遙操作系統拆分為兩個子系統，并將存在非對稱時變時延的信息僅置于第二子系統中；考慮由兩個非線性機器人系統組成的遙操作系統模型：

其中，下標m代表主機器人，下標s代表從機器人，M_m(q_m),M_s(q_s)∈R^n×n為系統的正定慣性矩陣；為哥氏力和離心力的向量；為系統的重力項；F_h∈Rⁿ和F_e∈Rⁿ分別為人類操作者施加的力矩和環境施加的力矩；τ_m∈Rⁿ和τ_s∈Rⁿ為控制器提供的控制力矩；

下面內容中T_m(t)為信息從主端到從端的傳輸時延，而T_s(t)為信息從從端到主端的傳輸時延，由于網絡的存在使得上述兩個時延存在非對稱時變特性；

通過定義x_m1＝q_m，x_s1＝q_s，可得如下閉環遙操作系統的嚴格反饋形式：

定義新的輔助中間變量ψ_m1和ψ_s1，且和具體ψ_m2和ψ_s2的定義將在后面給出；進而，定義主從機器人之間的位置同步誤差為：

以及速度同步誤差為：

根據上面定義的位置、速度同步誤差和機器人系統具有的線性化屬性，可得第一系統的誤差動力學方程為：

其中，i＝m,s，F_mhe＝F_h，F_she＝F_e；

定義新的輔助中間變量進而可得第二子系統方程：

其中，表示變量關于時間的一階導數，變量u_i為第二子系統的控制器；這里通過引入輔助中間變量ψ_m1和ψ_s1，將原遙操作系統(2)拆分為兩個子系統，第一子系統為誤差動力學系統(5)，以及由變量ψ_m1，ψ_s1，ψ_m2和ψ_s2組成的第二子系統(6)。