网络化遥操作系统的控制器设计与稳定性研究

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遥操作系统在远程或危险环境中已经成为完成任务的重要工具,例如外太空探索、机器人远程探测、海底作业以及外科手术等领域。典型的遥操作系统由五个单元组成:人类操作员、主机器人、通信信道、从机器人和外部环境。在遥操作系统中,操作人员在主机器人上进行操作,主机器人通过通信信道连接到从机器人。同时,从机器人跟踪主机器人并执行任务。本文针对网络化遥操作系统的轨迹跟踪问题做出了如下研究:1)针对带有对称时变时延的非线性三边遥操作系统的轨迹跟踪问题,提出了一种自适应控制策略。首先,假设n关节非线性机械臂作为主机器人和从机器人执行任务,建立相关非线性动力学方程,然后使用无源弹簧-阻尼系统来模拟外界所施加的力,并设计了自适应控制器。其次,基于Lyapunov稳定性定理、Barbalat引理和自适应控制理论,实现了主从机械臂的同步误差渐近收敛于零,并满足了实际应用中对系统的收敛速度与精度的要求。最后,通过对时变时延的三边遥操作系统进行Matlab仿真,验证了该控制策略的准确性和有效性。2)针对通信常时延下的非线性三边遥操作系统的轨迹跟踪问题,提出了自适应控制与神经网络相结合的控制策略,并对自由运动的三边遥操作系统进行了控制器设计。首先,在加速度可测量的情况下,构造了包含位置和速度误差的同步变量和自适应控制器,以保证三边遥操作系统之间的位置和速度跟踪误差渐近收敛于零;在加速度不可测量的情况下,构造了另一种同步变量并设计了自适应控制器,使得三边遥操作系统可以获得相同的轨迹跟踪性能。其次,将自适应控制与神经网络相结合用于处理系统的不确定性和外部干扰。并通过建立合适的Lyapunov-Krasovskii泛函,获得了三边遥操作系统的渐近稳定性条件。最后,通过对常时延的三边遥操作系统进行Matlab仿真,验证了该控制策略的准确性和有效性。3)针对带有时变时延的非线性三边遥操作系统的固定时间稳定性约束控制问题,提出了将非奇异快速终端滑模(NFTSM)控制、自适应控制与神经网络相结合的固定时间控制策略。首先,引入了同步误差的约束函数并设计了新的非奇异快速终端滑模(NFTSM)面。其次,将自适应控制与神经网络相结合用于处理系统的不确定性和外部干扰。基于Lyapunov固定时间稳定性定理,证明了主从机械臂同步误差在固定时间内收敛于零。最后,通过对时变时延的三边遥操作系统进行Matlab仿真,验证了该控制策略的准确性和有效性。
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