基于无源性的双边力反馈控制算法研究

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空间机器人的遥操作技术是目前空间控制技术发展的重要方向,遥操作中存在的时延对系统的稳定性产生了很大影响,操作者怎样准确获得远端信息也面临很大的困难,如何消除时延带来的不利影响和提高操作者的临场感是遥操作的核心问题。双边力反馈控制方法就是这样一种能够很好地解决时延和临场感问题的控制方法,通过无源性的引入可以使得系统的稳定性不再依赖于控制器参数的选择,改进后的波变量法以及阻抗匹配在一定程度上可以提高系统的操作性能,把波变量法与操作性很好的四通道法结合可以在时延不大的情况下保证稳定,并得到较好的透明性和跟踪性,有效地解决了遥操作中存在的问题。  本文首先建立了双边力反馈控制系统的模型,分析了双边力反馈控制系统的稳定性和操作性并展开进行了详细的阐述,分析了基于绝对稳定性准则的双边力反馈控制系统,发现这种准则只能在一定条件下才能保证系统的稳定性。研究了无源性理论,找到了鲁棒性更强的稳定性准则,通过对基于无源性的Anderson方法进行仿真,证实了无源性控制方法具有很强的稳定性,但操作性不佳。研究了基于无源性的波变量法,并提出了一种新的波变量的表示形式,通过调节主从端的速度波阻抗和力波阻抗后,提高了系统的操作性能。针对波变换过程中出现的波反射,采用阻抗匹配的方式消除了其带来的影响,并在时延不大的情况下获得了较好的透明性和跟踪性。在区别于传统双通道的四通道控制架构上,结合了波变量法得到了基于波变量法的四通道方法和三通道方法,通过仿真验证了控制系统的稳定性和操作性,证实了以上方法可以较好地解决遥操作的时延和临场感问题。  本文最后搭建了一套实时的空间机械手电模拟器仿真平台,通过在主端发送期望关节角,将主端运动命令通过时延通讯环节传递到从端的空间机械手电模拟器上,从端根据接收到的主端信息,根据空间机械手电模拟器的真实关节角与期望关节角的差,规划出空间机械手电模拟器的运动,并确定模拟空间机械手的虚拟力矩,把此虚拟力矩通过通讯环节反馈回主端,从而实现基本的主从控制。
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