（控制科学与工程专业论文）半闭环双边控制系统研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着空间探索的深入，遥操作技术的应用将会越来越广泛。双边控制是一种 很重要的遥操作方式，它能应用于非结构化且未知的从端环境。在时延力反馈双 边控制系统中，根据主端操作者获取反馈力的方式的不同，将双边控制区分为全 闭环方式和半闭环方式。本文针对空间在轨监测任务需求，采用半闭环方式构建 力反馈双边控制系统。 在前人的研究中，时延力反馈双边控制系统的性能指标被概括为稳定性、透 明性和跟踪性。由于透明性和跟踪性是借用电路理论中的阻抗概念定义的，缺乏 直观性，定量度量也比较困难，因此提出一种新的性能指标相位差指标，其 特点是容易理解，简单实用。通过仿真实验，验证了相位差指标的实用性。 在新的性能指标的框架下，对时延力反馈双边控制系统进行研究。 建立了半闭环力反馈双边控制系统模型，基于l y a p u n o v 稳定性得到保证系统 稳定的参数约束方程，设计了双边控制器，分别在单边时延0 5 、1 5 、3 、5 秒时 进行了仿真实验，运用相位差指标分析了实验结果，得到系统时延对系统性能的 影响规律，为大时延情况下的双边控制器设计提供了指导。 在保证系统稳定的基础上进一步研究系统的操作性能。分析了系统输入频率、 系统时延以及相位差之间的相互关系。研究了系统输入频率对系统性能的影响规 律，找出了合理的输入频率限定，用来指导操作员的操作；研究了系统时延对系 统性能的影响规律，由此就可以在系统时延未知的情况下，通过相位差推导出当 前的系统时延；研究了系统时延与输入频率的相互关系，在系统时延增大的情况 下，输入频率必须降低，才能保证相位差指标良好，系统操作性能良好。 搭建了半实物仿真实验系统，分别在系统单边时延为l 、3 、5 秒的情况下进 行实验，验证了所设计的双边p d 控制器的稳定性。通过分析不同时延下的实验曲 线，验证了系统时延变化对相位差指标的影响规律。针对工程实践中遇到的时延 跳变情况，由程序模拟时延跳变过程，实验结果表明在时延由1 秒跳变为3 秒时， 双边控制系统保持稳定，操作性能良好。 主题词：遥操作双边控制半闭环l y a p u n o v 稳定性相位差跳变时延 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t p a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to fs p a c ee x p l o r a t i o n , t e l e o p e r a t i o nt e c h n o l o g yw i l lb eu s e d m o r ea n dm o r ew i d e l y b i l a t e r a lc o n t r o l ，w h i c hc a na p p l yi nn o n - s t n i c n 】r e ，u n k n o w n e n v i r o n m e n t , i sav e r yi m p o r t a n tm e t h o do ft e l e o p e r a t i o n i nt h es y s t e mo fb i l a t e r a l c o n t r o l 晰mf o r c ef e e d b a c ka n dt i m ed e l a y ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo fo b t a i n i n g f e e d b a c kf o r c eb yo p e r a t o r , t h eb i l a t e r a lc o n t r o lm e t h o dc a nb ed i v i d e di n t oh a l fc l o s e d l o o pa n dc l o s e dl o o pm o d e i nt h i sp a p e r , a i m i n ga tt h em i s s i o nr e q u i r e m e n t so f s p a c e o r b i tm o n i t o r i n g ，w ec o n s t r u c tt h es y s t e mo fb i l a t e r a lc o n t r o lw i t l lf o r c ef e e d b a c k a d o p t i n gh a l fc l o s e dl o o pm e t h o d b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c h , t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft h es y s t e mo fb i l a t e r a l c o n t r o l 嘶mf o r c ef e e d b a c ka n dt i m ed e l a yc a l lb es u m m a r i z e da ss t a b i l i t y ，t r a n s p a r e n c y a n dt r a c k i n g d u et ou s i n gt h ei m p e d a n c eo fc i r c u i tt h e o r yt od e f m et r a n s p a r e n c ya n d t r a c k i n g ，i tl a c k so fi n t u i t i o na n di sd i f f i c u l tt om e a s u r e ，t h u sw ep r o p o s ean e wk i n do f p e r f o r m a n c ei n d e x p h a s ed i f f e r e n c e ，w h i c hi se a s yt oc o m p r e h e n da n ds i m p l et ou s e 1 1 l ep r a c t i c a b i l i t yo ft h ep h a s ed i f f e r e n c ew a sv a l i d a t e db ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t u n d e rt h ef r a m eo ft h en e wp e r f o r m a n c ei n d e x ，w er e s e a r c ho nt h es y s t e mo f b i l a t e r a lc o n t r o lw i n lf o r c ef e e d b a c ka n dt i m ed e l a y am o d e lo fb i l a t e r a lc o n t r o ls y s t e mo fh a l fc l o s e dl o o pi sb u i l tu p ，n l ep a r a m e t e r c o n s t r a i n te q u a t i o n sa r eo b t a i n e db a s e do nl y a p u n o vs t a b i l i t y b i l a t e r a lc o n t r o l l e r sa r e d e s i g n e df o rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw i t ht i m ed e l a yo f0 5 ，1 5 ，3a n d5s e c o n d s 硼1 e r e s u l to ft h ee x p e r i m e n ti sa n a l y z e dw i t ht h ei n d e xo fp h a s ed i f f e r e n c e f i n d st h er u l eb y w h i c ht h et i m ed e l a ya f f e c t st h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n dp r o v i d e sg u i d e l i n e sf o rd e s i g n o fb i l a t e r a lc o n t r o ls y s t e mw i t hl a r g et i m ed e l a y m o r es t u d yo ft h em a n i p u l a t i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi sm a d ew i t ht h e a s s u r a n c eo f s t a b i l i t yo ft h es y s t e m 1 1 圮c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ei n p u tf r e q u e n c yo ft h e s y s t e ma n dt h ei n d e xo fp h a s ed i f f e r e n c ei sa n a l y z e d a sw e l la st h ec o n n e c t i o nb e t w e e n t h et i m ed e l a yo ft h es y s t e ma n dt h ei n d e xo fp h a s ed i f f e r e n c e 1 1 1 er u l eb yw h i c ht h e i n p u tf r e q u e n c ya f f e c t st h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d a n dal i m i t a t i o no fi n p u t f r e q u e n c yi so b t a i n e df o rd i r e c t i n gt h em a n i p u l a t o r sm o v e m e n t 1 f l l er u l eb yw h i c ht h e t i m ed e l a ya f f e c t st h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d , a n db a s e do nt h e r o l et h e u n k n o w nt i m ed e l a yo ft h es y s t e mc a nb ed e d u c e df r o mt h ep h a s ed i f f e r e n c e 1 r t 圯 c o n n e c t i o nb e t w e e nt h et i m ed e l a ya n dt h ei n p u tf r e q u e n c yi ss t u d i e d ，a n df i n dt h a tt h e i n p u tf r e q u e n c yo ft h es y s t e mm u s tb ed e c r e a s e dw h e nt h et i m ed e l a yo ft h es y s t e mi s i n c r e a s i n g o t h e r w i s e ，t h ei n d e xo fp h a s ed i f f e r e n c ew i l lb ei n c r e a s i n g ，a n dt h es y s t e m p e r f o r m a n c eo fm a n i p u l a t i o nw i l lb eg e t t i n gb a d w eb u i l das e m i s i m u l a t i o n s e m i - p r a c t i c a l i t ye x p e r i m e n ts y s t e m d o t h e e x p e r i m e n t 谢m1 ，3 ，5s e c o n d su n i l a t e r a ld e l a yr e s p e c t i v e l y ，v a l i d a t et h es t a b i l i t yo ft h e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 b i l a t e r a lp dc o n t r o l l e rt h a tw ed e s i g n e d b yt h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n tc l l r v e su n d e r d i f f e r e n tt i m ed e l a y ，v a l i d a t et h ei m p a c tr u l eo ft h ep h a s ed i f f e r e n c ea l o n g 晰t 1 1t h e v a r i a t i o n a lt i m ed e l a y f o rt h ev a r i a b l et i m ed e l a yi ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，s i m u l a t i n g t h et i m ed e l a yj u m pb yt h ep r o g r a m ，e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tw h i l et h et i m ed e l a y f r o m1s e c o n dj u m pt o3s e c o n d s ，t h eb i l a t e r a lc o n t r o ls y s t e mi ss t a b l e ，i ng o o dw o r k i n g o r d e r k e yw o r d s ：t e l e o p e r a t i o n b i l a t e r a lc o n t r o l h a l fc l o s e dl o o p l y a p u n o vs t a b i l i t y p h a s ed i f f e r e n c ev a r i a b l et i m ed e l a y 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 系统模型中的变量和参数2 2 表5 1 从手d h 参数表3 9 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图目录 双边控制系统结构2 全闭环双边控制系统5 半闭环双边控制系统。5 半闭环双边控制信号回路1 2 双边p d 控制框图1 3 基于绝对稳定性的双边p d 控制力位置跟踪曲线1 6 基于l y a p u n o v 稳定性的双边p d 控制力位置跟踪曲线1 9 半闭环双边控制框图2 l 单边时延o 5 秒时的力位置跟踪曲线2 2 单边时延1 5 秒时的力位置跟踪曲线2 3 单边时延3 秒时的力位置跟踪曲线2 4 单边时延5 秒时的力，位置跟踪曲线2 4 从手位置跟踪主手位置的相位差与系统时延的关系2 5 主手力跟踪从手力的相位差与系统时延的关系2 6 输入频率、系统时延、控制器参数和相位差的关系示意图2 9 单边时延3 秒时，输入频率与主端力位置跟踪相位差的关系曲线。3 l 输入频率o 1 h z 时，系统时延与主端力位置跟踪相位差的关系曲线3 2 位置跟踪相位差为6 0 0 时，输入频率与系统时延的关系曲线3 3 实验系统组成3 5 三自由度并联主手3 6 s i e m e n sm a n u t e cr 3 型工业机器人模型3 6 s i e m e n sm a n u t e cr 3 型工业机器人坐标系3 7 实验系统结构框图4 3 时延为1 秒时，从端位置对主端位置的跟踪曲线4 4 时延为3 秒时，从端位置对主端位置的跟踪曲线4 5 时延为5 秒时，从端位置对主端位置的跟踪曲线4 5 系统时延由1 秒跳变为3 秒时的位置跟踪曲线4 6 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：坐闺丕丞垫整剑丞统盟究 学位论文作者签名：益立晕一 日期：岁年f 月工6 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查i 阅和借i - 阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：坐闺巫瑟边整剑丞统盈窥 卜p 爿 一 学位论文作者签名：二垄兰芏 日期：沙d 夕年i t 月日 作者指导教师签名：查k 日期：听年ff 月日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 人类对于太空有着与生俱来的好奇心。随着科学技术的不断进步和人类文明 的向前发展，人们开拓太空的愿望和需求在不断增强。从1 9 5 7 年1 0 月4 日前苏 联在拜科努尔发射场发射首颗人造地球卫星，到1 9 6 9 年7 月2 0 日美国人阿姆斯 特朗在月球上首次留下人类的足迹，再到1 9 7 6 年9 月3 日美国的“海盗1 号第 一次着陆火星并发回照片，人类的触觉不断向未知的宇宙深处延伸，人类的活动 空间不断向遥远的太空扩展。在人类对外层空间的探索和开发过程中，卫星的回 收、释放，空间站的建立、维护等工作越来越多【l 】，这些工作如果都依靠人类自己 来完成，就会带来高昂的成本代价和巨大的危险性，因此我们需要空间机器人来 代替人类完成这一系列的任务，这样不仅可以避免人类在恶劣的太空环境中可能 受到的伤害，而且可以降低成本，提高空间探索的效益。 空间机器人从2 0 世纪6 0 年代开始应用，一步步发展到今天，其应用领域在 不断扩大：从最初仅仅需要完成单纯的星球表面探测，到现在需要完成卫星的回 收、释放，舱内的科学实验以及空间站的在轨装配与维修等任务；与此同时，空 间机器人所承担任务的复杂性也在不断增加：从结构化、已知环境中的重复性操 作到非结构化、未知环境中的非重复性操作；操作的精度要求也越来越高，需要 完成一些诸如运动目标捕获、卫星装配、卫星维修之类的精密任务。为了适应操 作环境的未知性、操作任务的复杂性、操作要求的精密性，空间机器人需要具有 较强的环境适应能力。从长远来看，能够感知环境、高度自主、不需人类干涉的 智能机器人是空间机器人最终的发展方向【2 1 。但受限于当前的技术( 传感器技术、 人工智能技术、控制技术等) 水平，可以在复杂、非结构化的环境中全自主工作 的智能空间机器人在相当长的时间内难以实现，一个现实的选择就是从全自主方 式转向局部自主方式，即有人参与的机器人局部自主方式。机器人在完成底层控 制方面有优势，能够精确地完成诸如位置控制、力控制这类任务，而人类在智能 决策、异常情况处理等方面有优势。有人参与的机器人局部自主控制方式综合了 两者的长处，可以大大提高系统的控制精度和对外界环境的适应能力。 遥操作是一种典型的有人参与的机器人局部自主方式。遥操作机器人系统拓 展了人的感知和行为能力，可以协助人完成一些危险、极限环境下或精度要求高 的作业，在空间、海洋、战场、核工业、远程教学及医疗等方面有着广泛的应用 前景，逐渐成为机器人领域的研究热点。从上世纪9 0 年代以来，空间机器人的遥 操作技术受到了国内外的广泛关注，欧洲、美国、日本等地区和国家都对空间机 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 器人的遥操作技术进行了深入的研究【3 1 ，取得了一定的成果，为遥操作技术在空 间机器人上的应用打下了良好的基础，显示了遥操作空间机器人在空间探索方面 的巨大应用前景。 遥操作系统是指在本地端操作者的控制下，能够在远端环境中重复操作者在 本地端动作的一种远距离控制系统。最早的遥操作系统是为了处理对人体有害的 核原料而设计的，出现于2 0 世纪4 0 年代。现在，遥操作技术的应用范围已经扩 展到各个方面嗍：1 ) 人类不能直接到达的场合。比如深海、距离很远的外层太空 等【9 】；2 ) 对人类有害的场合。比如有核辐射或被有害化学物质沾染的场合【1 0 】；3 ) 延伸了专业人员的服务范围，比如远程教学、远程手术等【1 1 1 ，通过这种方式就可 以把专家的技术服务扩展到全球范围。由此可见，遥操作系统能够大大扩展人类 的活动范围，代替人类完成一些危险和不能直接完成的任务。、 遥操作系统面临的主要问题是本地端和远端之间的通信时延【1 2 1 。当本地端和 远端相距较远时，本地端和远端之间存在的通信时延会影响本地端操作者对远端 从手的操作性能【1 3 , 1 4 】。根据克服通信时延的方式，遥操作控制系统基本上可以划 分为三大类【1 5 】：预测控制( p r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 【1 6 1 、遥编程【1 7 1 ( t e l e p r o g r a m m i n g ) 、 双边控制( b i l a t e r a lc o n t r 0 1 ) l i s l 。 预测控制通过在本地端建立远端机械手的操作模型来补偿时间延迟所带来的 影响。它的局限性在于必须对系统的运动学和动力学有足够的了解，并且对系统 的图形、图像处理速度有着很高的要求。 遥编程控制包括各种监督控制结构，远端机器人拥有一定的自主控制能力， 其难点在于采用何种标称形式的命令划分，使得在时延条件下遥操作系统能够安 全、稳定、高效地完成其操作任务。 双边控制方法中，本地端和远端都在一个控制回路中，两者之间直接相互作 用，通过设计控制算法克服通信时延的影响1 1 9 1 。双边控制系统的结构如图1 1 所示 【2 0 】，系统包括以下几个部分：1 ) 主手及其控制器；2 ) 主从端之间的通讯环节；3 ) 从手及其控制器。对主手来说，它一方面在操作者的控制下运动，向从端发送运 动命令，控制从手运动；另一方面，它把从端反馈回的力信息作用于操作者，使 其产生临场感。对从手来说，它一方面跟从主手的位置( 速度) 指令运动，同时 将自己与环境的作用力反馈回主端，反作用于操作者，使其产生临场感【2 1 1 。 操 作 者 医 纠士挫 机械 手 一 从端 机械 手 腿 l 端 i 环 t 一境 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 由于不需要对从手的运动进行预测，双边控制方法能应用于非结构化且未知 的从端环境。双边控制中，反馈回主端的从手与环境的作用力使得主端操作者能 感知从端环境，操作者根据感受到的从端环境决定下步动作，从而把操作者的 智能投射到远端，使得系统能够完成一些复杂的任务。 1 2 双边控制综述 当双边控制系统主从端之间的距离很远时，两者之间的通讯会引入很大的时 延。由于双边控制系统的主从端在一个闭环控制回路中，两者之间的时延使得系 统由一个有限维的系统变为一个无限维的系统，系统的稳定性和操作性能都会受 到影响【7 捌。以前的研究者基于不同的思想提出了多种保证时延力反馈双边控制系 统稳定的双边控制方法，主要包括： l 、基于无源性的双边控制方法。无源性理论是电网络理论中发展起来的一种 稳定理论【4 2 】，无源性方法是双边控制方法中研究最多、最深入的方法，基于无损 传输线理论的a n d e r s o n 方法【2 0 1 和波变量方法【1 3 】就是比较有代表性的无源性方法。 2 、基于事件的控制方法【6 。基于事件的控制方法不直接依赖于时间，所以主 端和从端之间的通讯时延不会对系统的稳定性产生任何影响，在任何时延条件下 系统都稳定。基于事件的控制方法的主要工作在于寻找一个合适的事件参考变量。 由于事件参考变量的选取还没有一套通用的方法，主要依靠研究者的个人经验， 所以基于事件的控制方法有很大的随意性和局限性。 3 、基于l y a p u n o v 函数的方法【4 1 1 。l y a p u n o v 方法从能量的角度判断系统的稳 定性，能应用于各种系统。对于遥操作系统可构建l y a p u n o v k r a s o v s k i 或 l y a p u n o v r a z u m i k h i n 函数，利用l y a p u n o v 稳定理论，确保系统的稳定性。 4 、基于滑模思想的控制方法【6 2 】。在非线性及具有不确定性的系统的控制中， 滑模控制一直是一个比较有效的方法，但滑模控制本身所固有的一些问题如高频 振荡等会对系统的性能产生影响。 5 、自适应速度力控制方法。文 6 3 ，6 4 提出了力反馈双边控制的速度力自适 应控制方法，此方法中主手和从手分开考虑，分别采用独立的自适应位置力控制 器。操作者和环境的动力学模型分别作为主手和从手动力学模型的一部分进行考 虑。 6 、基于。理论的控制方法【6 5 1 。h 。控制方法能够保证时延有界的双边控制系 统稳定，还能将时延对系统的影响降到最低，满足一定的性能要求，同时对系统 其它方面的扰动等不确定性也具有鲁棒性。但这种方法难以处理任意时延的情况， 假定较大的时延会得到比较保守的结果，假定较小的时延又有可能不能保证系统 在所有时延条件下稳定。 。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 接下来，根据时问顺序对双边控制方法的发展做出归纳： 1 9 8 8 年，r a j u 首先提出用二端口网络理论( m s n ) 来分析力反馈遥操作机器 人系统，并指出导致系统不稳定的原因在于时延造成了通信环节的有源性。 1 9 8 9 年，a n d e f s o n 和s p o n g 从传输线理论出发，利用散射算子分析提出了一 种无源性的控制方法。 1 9 9 1 年，n i m e r y e r 和s l o t i n e 从能量传递的角度出发，提出了波变量( w a v e v a r i a b l e s ) 的概念，并利用波变换的方法导出了一种无源控制方法。 1 9 9 3 年，h a n n a f o r d 的实验表明，a n d e r s o n 控制方法和波变量方法虽然可以保 证系统的稳定性，但却付出了系统透明性降低的代价( 只适合2 秒以下的时延) 。 1 9 9 3 年，s h e r i d a n 提出用s m i t h 预估器预测从手状态的思想，在精确知道从 手和环境模型的前提下，主手端用s m i t h 预估器预测从手状态，在从手端用p d 控 制器进行调节，可显著提高系统的性能。 1 9 9 3 年，l a w r e n c e 提出了一种四通道的控制结构，将主从手的力、速度作为 控制信号互相传递，同时用n y q u i s t 方法对闭环系统进行了鲁棒性分析，但只有在 不存在时延时，系统才具有完全的透明性。 1 9 9 7 年，g f l l e g o s 提出仅用系统位置和速度信息进行反馈，在状态空间下对 系统进行设计，不需知道环境的精确模型，仅要求环境满足一定的条件以达到稳 定性，并对系统的稳态跟踪误差进行了分析。 2 0 0 2 年，h a s h t r u d i z a a d 用四通道的方法分析了系统的性能，并提出了本地端 力反馈的概念，并最终用三通道的方法实现，但仍然不能使系统达到最佳的透明 性。 1 3 研究对象 对于空间遥操作机器人，它可以从事各种各样的工作，比如目标监控、空间 站维护、物体捕获等【2 2 1 。根据空间机器人末端执行器与周围环境是否接触，可以 将其任务划分为两类：一类是不与环境接触的任务，主要是在轨监测；另一类是 与周围环境接触的任务，包括空间装配、目标捕获等。比较而言，由于环境因素 加入了控制回路，因此后一类任务的复杂度要高于前一类田】。这两种任务类型根 据需求不同而各有其应用场合，前一类可以作为后一类的技术基础来加以研究。 本文以空间在轨监测这类不与环境接触的任务为背景展开研究。 对于空间在轨监测任务，在力反馈双边控制系统中，主手获取反馈力的方法 通常有两种：一种是将从手控制器产生的控制力经通讯环节直接传递给主手，形 成主手力反馈；另一种是从手向主端传递位置( 速度) 信息，根据位置误差 方法，在主端形成虚拟力反馈，使操作者产生临场剧2 钔。这两种方式对应于两种 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 不同的系统模型：前者是在从手端形成控制力，该力在作用于从手的同时，也反 馈回主端对主手产生作用；后者是在主手端形成控制力，只对主手产生作用。根 据反馈力的形成位置的不同，对系统进行区分，称前者为全闭环双边控制系统， 如图1 2 ；后者为半闭环双边控制系统，如图1 3 。 ；、 一一i _ - 1 图1 2 全闭环双边控制系统 r 匕_i一_ fn 二：1 匕二厂 i k ，虹当n - 一 图1 3 半闭环双边控制系统 对于全闭环双边控制系统，由于反馈力是在从端形成后再传回主端，因此在 从端需要安装测量力的装置( 力传感器) ，这样会使从端系统变得复杂，对于外 层空间的从手来说，在它上面增加部件，不仅实现难度很大，而且会使成本增加 而可靠性降低，系统的安全性减弱；而半闭环双边控制系统从端传回主端的是位 置信息，在主端通过位置误差方法形成虚拟反馈力【2 5 】，位置信息无需安装额 外的测量设备就可获得，对于位于地面的主手来说，付出的控制成本将大大低于 前者，控制器设计的灵活性也会大大提高，系统的安全性也随之增强。另外，根 据文献【l 】的研究结果，对于从端与环境存在硬接触的任务，全闭环控制方式性能 比半闭环控制方式要好，而对于从端自由运动( 与环境无接触) 的任务，全闭环 与半闭环方式的控制效果旗鼓相当。 综合考虑以上因素，针对空间在轨监测任务，选择半闭环方式建立力反馈双 边控制系统。以半闭环力反馈双边控制系统为研究对象，本文对系统控制器设计、 系统性能分析等问题进行深入的研究。 1 4 研究内容 本文针对空间在轨监测这一任务需求，以半闭环的形式构建双边控制系统， 主要研究双边控制中的以下问题： l 、双边控制系统的性能度量。只有定义了完备的系统性能指标才能有效地评 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 价控制方法的性能，比较各种控制方法的优劣。在以往的研究中，双边控制系统 的性能指标包括稳定性、透明性和跟踪性。稳定性度量系统是否稳定，透明性度 量主端操作者感受从端环境阻抗的能力，跟踪性度量从手跟踪主手运动的能力。 透明性和跟踪性的计算借助了电路理论中的阻抗概念，不方便计算也不易理解， 本文引入相位差指标来评价系统的操作性能，直观易用，理解方便。 2 、针对不同大小的时延设计控制器。在应用过程中，双边控制系统面临的单 边时延从o 5 到5 秒不等，对于该范围内的系统时延，如何设计控制器使得系统在 不同时延下都能保持稳定，且具有良好的操作性能，这是本文要着力解决的问题。 3 、探讨影响双边系统操作性能的因素，改进和提高系统性能。对于一个确定 的双边控制系统，从系统输入频率、系统时延、控制器参数选取这几个方面入手， 利用相位差指标分析影响系统性能的因素，指出在特定时间延迟的条件下，若要 保持系统稳定且具有较好的操作性能，系统输入频率存在一个上限。根据这个上 限数值，就可以指导操作员的操作。系统输入频率与系统时延共同影响相位差指 标，若要保持系统相位差指标良好，那么在系统时延增大时输入频率必须减小， 对于一个大的时延，只要输入频率足够低，操作足够缓慢，就可以使得相位差指 标良好，这就是时延双边控制系统的核心特性，也是提出相位差指标的价值所在。 4 、搭建一个半实物仿真实验平台。在这个平台之上进行实验，用以验证相位 差指标的实用性。通过设计时延输入，用实验方法研究工程实践中遇到的时延跳 变问题，寻找解决问题的方法和途径。 1 5 主要贡献 本文的主要贡献有以下几个方面： 1 、在分析以往双边控制系统性能指标的基础上，提出了一种更加简洁直观的 量化性能指标相位差指标，并通过对基于两种不同稳定性理论的双边控制方 法的仿真实验结果对比，证明了相位差指标的实用性。 2 、在单边时延分别为o 5 、1 5 、3 、5 秒的情况下，设计了使系统稳定的双边 控制器，运用相位差指标评价系统性能，仿真实验表明系统性能良好。通过实验 结果分析，发现系统时延与相位差极小值的对应关系，分析了这种现象的本质， 获得了双边控制系统最优化设计的途径。 3 、通过相位差分析，确定了保持系统稳定且操作性能良好的输入频率上限， 用来指导操作员进行操作。对于系统时延未知的情况，可以通过相位差反推时延。 若要保持系统相位差指标良好，那么在系统时延增大时输入频率必须减小，对于 一个大的时延，只要输入频率足够低，操作足够缓慢，就可以使得相位差指标良 好。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 4 、针对工程实践中出现的时延跳变现象，通过改进控制算法，使得时延跳变 时双边控制系统保持稳定并且操作性能良好。 1 6 论文组织结构 本文中各章的组织结构如下： 第二章：首先对双边控制系统进行理论分析，探讨前人研究中提出的系统性 能指标，指出其定性分析的局限性，引入新的性能指标相位差，对系统性能 进行定量分析；在两种稳定性理论之上分别设计了双边控制系统，运用新的性能 指标来评价两个系统，验证了相位差指标的实用性和优越性。 第三章：基于l y a p u n o v 稳定性理论，以半闭环方式构建力反馈双边控制系统， 在单边时延为0 5 、1 5 、3 、5 秒的条件下，分别设计稳定的双边控制器，运用相 位差指标分析系统性能，通过m a t l a b 仿真实验，得到了从手位置跟踪主手位置的 相位差随系统时延变化的关系曲线，以及主手力跟踪从手力的相位差随系统时延 变化的关系曲线，在分析这两个曲线特性的基础上，找到相位差最小值与系统时 延的对应关系，以此为基础可以设计性能最优的双边控制系统。 第四章：分析半闭环双边控制系统操作性能，对于系统输入频率、系统时延 以及主端力位置跟踪相位差之间的三角关系，进行了深入的研究，得到了系统时 延固定时系统输入频率与主端力位置跟踪相位差之间的关系曲线，根据这两个曲 线，就可以确定出保持系统稳定且性能良好的系统输入频率上限，这样就可以指 导操作员进行操作。另外，仿真实验还得到系统输入频率固定时系统时延与主端 力位置跟踪相位差之间的关系曲线，根据该曲线，就可以在时延未知的情况下通 过相位差反推出当前的时延。在这两个实验的基础上，保持相位差指标为6 0 0 ，得 到了系统时延与输入频率的对应关系，随着系统时延的增大，输入频率必须减小， 才能保证相位差指标恒为6 0 0 ，也就是保证了系统性能良好。 第五章：建立实验系统，采用并联主手提供输入信号，建立虚拟从手模型， 构建时延双边遥操作系统，进行半实物仿真实验。针对实际工程应用中出现的测 控基站切换导致的时延跳变，进行实验分析，检验所设计双边控制系统的稳定性 和操作性能。 在结束语中，首先对全文所做的主要工作进行了总结，然后对未来要做的工 作进行了展望。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章双边控制系统性能指标 2 1 引言 只有定义了完备的系统性能指标才能有效地评价控制方法的性能【2 6 】，比较各 种控制方法的优劣。对于力反馈双边控制系统，要求从手能够快速准确地跟随主 手的运动，同时主手可以较好地感受从手的受力。这两个方面是设计一个双边控 制系统所要关注的，是一个双边控制系统性能好坏的体现。本章从双边控制系统 已有的性能指标出发，根据其不足之处，提出衡量双边控制系统性能的新的性能 指标相位差指标，然后通过仿真实验验证了相位差指标的可行性和实用性。 2 2 原有性能指标 双边控制系统的性能包括两个方面【1 8 】：1 ) 系统的稳定性。稳定性是所有控制 系统都必须满足的特性，是控制系统可用的前提。2 ) 系统的操作性能1 2 7 】。操作性 能衡量控制系统完成任务的能力。力反馈双边控制系统的操作性能包括两方面： 主手的操作性能和从手的操作性能。力反馈双边控制主手的主要功能是把从手与 环境的作用力反作用于操作者，使操作者产生临场感，所以其操作性能就是操作 者通过它感受从端环境的能力。力反馈双边控制系统从手的主要功能是跟随主手 运动，所以其操作性能就是其跟踪主手运动的能力。 在前人的研究中【2 8 】，已经归纳总结出双边控制系统的三个性能指标：稳定性， 透明性，跟踪性。稳定性度量双边控制系统是否稳定，透明性度量双边控制系统 中主端操作者感受从端环境的能力，跟踪性是指从手的运动跟踪主手的运动，只 有具备良好的跟踪性能，从手的运动才受主端操作者的控制，操作者才能通过此 系统完成期望的任务。下面分别介绍双边控制系统的稳定性、透明性和跟踪性， 然后针对透明性和跟踪性指标的局限性，提出定量度量双边控制系统操作性能的 新的性能指标相位差指标，将透明性和跟踪性通过相位差统一起来。 2 2 1 稳定性 简单地说，双边控制系统稳定是指包括环境和操作者在内的系统的状态变量 始终有界 2 9 1 。系统的稳定性由控制方法和控制参数两者共同或单独决定 3 0 , 3 。对 某些控制方法，任意选取的控制参数都能保证系统稳定；对另一些控制方法，参 数的选取决定系统的稳定性：某些参数能保证系统稳定，另一些参数会使得系统 不稳定；设计不好的控制方法在任何条件下都不能使系统稳定。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 对时延力反馈双边控制系统而言，时延是其主要的特征，时延使得系统不稳 定，即使此系统在不存在时延时是稳定的。所以双边控制系统的稳定性就可根据 其与时延的关系分为时延无关稳定性和时延相关稳定性。 时延无关稳定性，顾名思义，就是系统的稳定性与时延无关，具有这种稳定 性的时延力反馈双边控制系统在任何时延条件下都能稳定。 时延相关稳定性【3 2 1 ，就是系统的稳定性与时延相关，具有这种稳定性的时延 力反馈双边控制系统只有在时延满足一定条件时才稳定；当时延不满足此条件时， 系统不稳定。相比较而言，时延无关稳定性的鲁棒性更强，在外界扰动的影响下 系统更容易保持稳定。 2 - 2 2 透明性 力反馈双边控制系统中，主端的操作者通过从端反馈回主端的力信息感受从 端环境的信息，从而产生临场感。临场感不仅与反馈回主端的力有关，还与系统 的运动情况有关。理想的临场感是主端操作者操作双边控制系统与从端环境作用 时的感受同他直接与从端环境作用时的感受完全一样f 3 3 】，相当于双边控制系统完 全透明、不存在一样，所以引入透明性概念来度量双边控制系统的临场感【3 4 】。系 统的透明性越好，操作者的临场感就越好。借用电路理论中的阻抗概念，用主端 操作者感受到的阻抗和从端环境阻抗之间的关系来表示双边控制系统的透明性 3 5 , 3 6 1 。操作者通过双边控制系统与环境作用时，操作者感受到的是操作阻抗 磊= 争，真实的环境阻抗为乙= 等，z h 和乙之间的相似程度就决定系统的透明性。 y 肼y 墨 一个力反馈双边控制系统完全透明要求主端操作者感受到的操作阻抗元完全 匹配从端环境阻抗乙【3 7 】，两者之间的误差越小，系统透明性越好。当从端环境阻 抗不为零时，系统的透明性为操作者感受到的阻抗与从端环境阻抗之间的偏差与 从端环境阻抗的比值决定；当从端环境阻抗等于零时，操作者感受到的阻抗与零 的偏差决定系统的透明性。由此可定义系统透明性的定量度量函数： f i 三凸iz ，o p = l 乙i ( 2 1 ) 【蚓。乙= 则p 的值决定系统的透明性：p 越小，系统透明性越好，当p = 0 时，系统完全透 明，操作者操作双边控制系统与环境作用的感受等于他直接与环境作用的感受；p 越大，系统透明性越差，p 专时系统透明性最差，主端操作者操作双边控制系 统与环境作用时感受不到任何从端环境信息。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 3 跟踪性 跟踪性度量遥操作系统的从手跟踪主手运动的能力1 3 引。力反馈双边控制系统 的跟踪性是一个很重要的性能指标，因为只有保证系统具有良好的跟踪性，才能 保证系统从手的运动受主端操作者的控制。 双边控制系统的跟踪性是指从手跟踪正时刻前主手