[發(fā)明專利]一種時變時延下遙操作系統(tǒng)的連續(xù)有限時間控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810329332.2
• 申請日: 2018-04-13
• 公開（公告）號: CN108549226A
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊亞娜;李軍朋;華長春
• 申請（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙) 13116
• 代理人: 李合印

本發(fā)明公開了一種針對非對稱時變時延下遙操作系統(tǒng)的有限時間控制方法，其內(nèi)容包括：引入新的中間變量將遙操作系統(tǒng)拆分為兩個子系統(tǒng)，針對第一子系統(tǒng)基于加冪積分方法設(shè)計(jì)有限時間控制策略，保證第一子系統(tǒng)的同步誤差在有限時間內(nèi)趨于零點(diǎn)；基于Lyapunov理論對第一子系統(tǒng)的有限時間穩(wěn)定以及有限時間同步性能進(jìn)行嚴(yán)格證明，建立控制參數(shù)與系統(tǒng)收斂時間的關(guān)系；針對帶有時延信息的第二子系統(tǒng)設(shè)計(jì)有限時間控制器；基于弱有限時間輸入到狀態(tài)穩(wěn)定、弱有限時間輸入到輸出穩(wěn)定以及有限時間小增益定理，建立第二子系統(tǒng)的有限時間收斂與控制器參數(shù)和時延導(dǎo)數(shù)上界的關(guān)系。本發(fā)明與一般的P+d，PD+d以及直接力反饋方法相比，其收斂速度更快，收斂精度更高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)化非線性遙操作系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及非對稱時變時延下非線性遙操作系統(tǒng)的連續(xù)有限時間控制策略設(shè)計(jì)問題。

背景技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)化遙操作系統(tǒng)其作為能最大限度發(fā)揮人類和機(jī)械系統(tǒng)各自優(yōu)勢的遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)，近年來得到了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。典型的網(wǎng)絡(luò)化遙操作系統(tǒng)主要由五部分組成，其分別為操作者、主機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)信息傳輸通道、從機(jī)器人以及從機(jī)器人所處的外界環(huán)境。其工作模式大致可描述為：操作者操控本地主機(jī)器人使其運(yùn)動，并將主機(jī)器人的位置、速度等信息通過網(wǎng)絡(luò)等傳輸媒介傳送給從機(jī)器人，從機(jī)器人按照接收到的主機(jī)器人的位置和速度信息，在特定環(huán)境下模擬主機(jī)器人的行為從而完成各種復(fù)雜工作，同時從機(jī)器人的工作狀態(tài)將反饋至主端操作者，便于操作者根據(jù)從機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)做出正確的決策。

近年來遙操作系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于核事故救援、空間探測，深海作業(yè)以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域。文獻(xiàn)《Bilateral teleoperation:An history survey》對遙操作的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，針對遙操作系統(tǒng)其核心控制思想是：在存在主從通信時延以及外界干擾的情形下，保證閉環(huán)遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。且主流控制方法均采用的是無源性控制方法，通過選取合適的阻尼系數(shù)，從而保證系統(tǒng)的漸近收斂。

然而隨著遙操作系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，一些實(shí)際應(yīng)用對遙操作系統(tǒng)的控制性能如系統(tǒng)的收斂速度、收斂精度以及系統(tǒng)的抗干擾性能都提出了更高的要求。傳統(tǒng)的無源性控制方法很難滿足以上性能要求。另外，雖然基于終端滑模的有限時間控制方法在文獻(xiàn)《Finite-time coordination control for networked bilateral teleoperation》中被用于控制遙操作系統(tǒng)，但一般的終端滑模控制中存在奇異值問題，且基于終端滑模的控制方法不可避免地存在抖動問題。這些問題使其很難直接應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)。

另一方面，現(xiàn)有針對遙操作系統(tǒng)的有限時間控制方法大多假設(shè)主、從之間的通信時延為常時延，而實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下主從通信時延大多帶有時變及不對稱性。時變時延下有限時間控制器的設(shè)計(jì)面臨巨大的挑戰(zhàn)。基于一般P+d控制策略，對系統(tǒng)穩(wěn)定性證明是只需保證Lyapunov方程滿足條件或者其中α＞0。但對于有限時間穩(wěn)定系統(tǒng)，Lyapunov方程需滿足或者其中β＞0，0＜γ₁＜1，γ₂≥1。因此有限時間控制器的設(shè)計(jì)不可避免地需用到主從系統(tǒng)位置誤差的導(dǎo)數(shù)信息。位置誤差的導(dǎo)數(shù)勢必引起對時變時延的求導(dǎo)，因此控制器設(shè)計(jì)將依賴于精確的時延導(dǎo)數(shù)信息。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，時延導(dǎo)數(shù)精確值很難測得。在文獻(xiàn)《Finite-time control for nonlinearteleoperation systems with asymmetric time-varying delays》中，針對時變時延下的不確定遙操作系統(tǒng)，提出了新的自適應(yīng)有限時間控制策略，保證了遙操作系統(tǒng)在時變時延下的有限時間收斂。然而該控制策略依賴于時延導(dǎo)數(shù)信息，且當(dāng)系統(tǒng)存在不確定時，只能實(shí)現(xiàn)主從同步誤差的有限時間有界收斂。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有控制技術(shù)下帶有非對稱時變時延的遙操作系統(tǒng)需要在無窮時間下同步誤差趨于零點(diǎn)且控制策略非連續(xù)問題，為遙操作系統(tǒng)提供了一種簡單且有效的有限時間控制方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了以下控制方案：