网络化多边遥操作系统的模糊控制方法

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遥操作系统巧妙的将人类的智慧与机器人操作的精确度和力量相结合,使得具有人机交互特征的遥操作系统在多个领域得到广泛的应用,包括空间探索、核废料处理、海底作业、远程医疗等等。随着应用领域的拓展,对遥操作系统的研究也逐渐深入,在计算机技术飞速发展的时代,遥操作系统的通信信道一般建立于网络化通信环境中。立足于遥操作系统在实际应用中的性能要求,论文针对系统中存在的以下几个关键性问题进行讨论:首先是网络化环境下的主从系统间通信时延问题,时延的存在会对系统稳定性产生不良影响;其次,动态操作环境下,存在于系统中的动力学不确定性和运动学不确定性导致了无法用准确的数学公式描述系统模型,同时在未知的结构化复杂环境中,未知的扰动因素也必然会干扰系统的正常运动;最后,当双边系统向多边系统进化的过程中,系统模型进一步复杂化,高度的非线性和主从端的耦合性也成为多边遥操作系统研究的难点之一。针对上述存在的问题,本文主要进行了以下的研究工作:首先,针对双边遥操作系统在同时存在动力学不确定性、运动学不确定性及未知外部扰动的情况下,建立系统的欧拉-拉格朗日动力学模型和机器人运动学模型。在此基础之上,设计带有滤波器的未知输入干扰观测器,观测未知外部扰动;同时在主从端设计基于滑模的模糊自适应控制器,对系统的动力学和运动学参数进行在线估计,结合干扰观测器,以消除遥操作系统不确定性及外部扰动对系统性能的影响。通过李雅普诺夫稳定性方法和Matlab仿真分析证明了所设计的控制器的稳定性和跟踪性能。其次,在双边遥操作系统的研究基础上,考虑具有多主单从结构的多边遥操作系统模型,利用T-S模糊控制理论对非线性多边遥操作系统进行线性化处理。最后,基于线性化的多边系统模型,利用并行分布补偿的控制策略,在主从端分别设计模糊控制器,控制器中利用控制权系数矩阵来描述主端机械臂对从端的控制权限,使得从端机械臂在主端的协同控制下稳定运动。根据控制器的组成,构造时滞依赖的Lyapunov-Krasovskii函数,建立稳定性判定条件,并给出控制器增益的设计方法。最终通过仿真结果验证控制方法的有效性。
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