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        基于散射矩陣的時(shí)延力反饋遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

        2016-07-01 01:39:39天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空航天與汽車(chē)學(xué)院王春絮天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院李立鵬
        電子世界 2016年10期
        關(guān)鍵詞:力反饋時(shí)延穩(wěn)定性

        天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空航天與汽車(chē)學(xué)院 王春絮天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 李立鵬

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        基于散射矩陣的時(shí)延力反饋遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

        天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空航天與汽車(chē)學(xué)院 王春絮
        天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 李立鵬

        【摘要】具有力反饋功能的遙操作系統(tǒng)一般采用雙邊控制方式,系統(tǒng)的主從端在傳輸過(guò)程中存在一定的時(shí)延,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞。本文利用二端口網(wǎng)絡(luò)將遙操作系統(tǒng)的通信環(huán)節(jié)模擬成無(wú)損耗傳輸線,有效地解決了具有力反饋功能的遙操作系統(tǒng)在存在時(shí)延的情況下的穩(wěn)定性問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,該方法能給保證系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性。

        【關(guān)鍵詞】時(shí)延;力反饋;穩(wěn)定性

        遙操作系統(tǒng)使本地操作者能夠操縱遠(yuǎn)端機(jī)器人等智能設(shè)備,在危險(xiǎn)、人類(lèi)不能到達(dá)或人類(lèi)不適于長(zhǎng)期駐留的環(huán)境中完成指定任務(wù),但當(dāng)系統(tǒng)操作端和遠(yuǎn)端機(jī)器人相距遙遠(yuǎn)時(shí),通訊會(huì)引入時(shí)延。實(shí)驗(yàn)證明,若存在0.25s的時(shí)延則可能造成遙操作系統(tǒng)的不穩(wěn)定,嚴(yán)重影響工作效率和安全性。

        1 時(shí)延遙操作系統(tǒng)描述

        遙操作系統(tǒng)采用主從控制方式時(shí),操作者與主端進(jìn)行交互,感受到遠(yuǎn)端機(jī)械手與環(huán)境的作用力,操作者的指令通過(guò)信號(hào)傳輸發(fā)送到從端機(jī)器人,使它跟從操作人員的指令運(yùn)動(dòng),同時(shí)將反饋信息通過(guò)信號(hào)傳輸過(guò)程返回給主端并反饋給操作者。將遙操作系統(tǒng)傳輸模塊視為二端口網(wǎng)絡(luò)[12-14],系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,遙操作系統(tǒng)的力F與速度v和電路中的電壓V與電流I存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系,即F->v,V->I。

        圖1 遙操作系統(tǒng)控制示意圖

        2 穩(wěn)定性分析

        在電網(wǎng)絡(luò)理論中,無(wú)源性反映了系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量的耗散特性。穩(wěn)定性是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)特性,表明了系統(tǒng)輸出的有界性。

        圖2 二端口網(wǎng)絡(luò)

        二端口網(wǎng)絡(luò)如圖3所示,可以采用不同的參數(shù)對(duì)其進(jìn)行描述,當(dāng)方向時(shí)可表示為:

        忽略重力影響后的具有力反饋的遙操作系統(tǒng)主端、從端的動(dòng)力學(xué)方程[13]如下:

        根據(jù)無(wú)源性定義構(gòu)造如下形式的儲(chǔ)能函數(shù):

        圖3 有時(shí)延的通信環(huán)節(jié)

        如圖3所示,當(dāng)遙操作系統(tǒng)的通信環(huán)節(jié)存在時(shí)延為T(mén)時(shí),系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系如下:

        即:

        所以混合矩陣為:

        3 基于傳輸線理論的無(wú)源控制策略

        圖4 傳輸線

        根據(jù)散射矩陣定理可知:

        根據(jù)散射矩陣定義得到利用無(wú)損耗傳輸線去模擬通信環(huán)節(jié)時(shí),時(shí)延通信環(huán)節(jié)是無(wú)源的的,從而整個(gè)遙操作系統(tǒng)是無(wú)源的,即系統(tǒng)是穩(wěn)定的??傻猛ㄐ怒h(huán)節(jié)的無(wú)源控制算法為:

        上式是對(duì)通信環(huán)節(jié)的一種控制算法,使通信環(huán)節(jié)保持無(wú)源性。當(dāng)具有力反饋的遙操作系統(tǒng)的通信環(huán)節(jié)具有T=0.5秒的時(shí)延時(shí),系統(tǒng)主、從端的位置、速度、力變量曲線如圖5—圖7所示,可見(jiàn)系統(tǒng)處于自治狀態(tài)時(shí)是收斂的,即系統(tǒng)穩(wěn)定。

        圖5 主、從端的位置曲線

        圖6 主、從端的速度曲線

        圖7 主、從端的力曲線

        4 結(jié)論

        根據(jù)遙操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),指出時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,分析了無(wú)源性與穩(wěn)定性之間的聯(lián)系,通過(guò)對(duì)時(shí)延力反饋遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,指出基于二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸線理論是解決由于通訊環(huán)節(jié)存在時(shí)延造成遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的有效手段。

        參考文獻(xiàn)

        [1]莊駿,邱平,孫增圻.大時(shí)延環(huán)境下的分布式遙操作系統(tǒng)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2000,40(1):80-83.

        [2]于振中,閆繼紅,趙杰,等.利用波域預(yù)測(cè)的四通道時(shí)延雙邊遙操作[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,38(5):32-36.

        [3]Hokayem P.E.,Spong M.W.Bilateral teleoperation:An historical survery[J].Automatica,2006,42(12):2035-2057.

        [4]Gu Y.,Zhang C.L.,Chong K.T.Adaptive passive control with varying time delay[J].Simulation Modelling Practive and Theory,2010,18(1):1-8.

        作者簡(jiǎn)介:

        王春絮,碩士研究生,助教,主要研究方向:自動(dòng)化技術(shù),機(jī)械工程。

        李立鵬,碩士研究生,實(shí)驗(yàn)員,主要研究方向:自動(dòng)化技術(shù),控制工程。

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