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机械臂系统的网络远程控制研究与实现

作　者: 郑桦
导　师: 丛爽
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 网络远程控制延时补偿时间驱动事件驱动确定性控制机械臂系统连续轨迹控制
分类号: TP241
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 785次
引　用: 9次
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内容摘要

网络远程控制是计算机技术、通信技术和控制技术相结合的产物，已经在诸多领域得到了广泛应用，具有重要的实践意义与理论价值。网络中数据传输的不确定延时是网络远程控制所面临的主要问题，它降低了控制系统的运行性能，甚至会导致系统不稳定。本论文即是围绕着远程控制系统中的网络延时及其控制补偿策略，从理论和实验两个方面对其进行了研究，主要内容可归纳如下：(1)在单包传输、单回路且不考虑数据包丢失的网络远程控制系统中，针对在整数倍的采样周期与其后的一个采样周期之间随机出现的延时，基于传感器采用时间驱动、控制器和执行器分别采用时间驱动或事件驱动的各种情况，推导了系统状态方程的一般表达形式，分析了不同节点驱动方式对被控系统性能的不同影响，比较了各种节点驱动方式的特点，总结出如何针对不同的系统要求和延时范围来对系统中节点的驱动方式作出合理的选择，并在不同的延时范围下进行了各种节点驱动方式的对比仿真实验。(2)对网络远程控制系统的确定性控制进行了研究，通过引入接收缓冲区，将随机时变的延时转化为固定延时，进而针对固定延时来设计控制器。介绍了确定性控制中三种主要的方法即状态预测控制、分步变换控制和Smith预估控制的基本思想，通过相应的状态转换，探讨了三种方法之间的关系，并利用仿真实验对理论结果进行了证明。(3)描述了远程实验的被控对象，即一个具备绘图能力的二自由度串联机械臂系统的硬件组成、软件结构和工作原理，提出了为实现运动的高速高精度而进行的本地控制补偿方案。以远程控制器作为客户机，连接机械臂系统的本地主机作为服务器，使用Winsock API、以软件底层控制和UDP连接的C-S方式搭建了二自由度机械臂网络远程控制平台。(4)使用自行编制的测量软件获取了实验过程中的网络延时，并为实现远程控制在任务完成时间上和本地控制相一致的控制目标，在机械臂系统运行的点位控制方式下分别设计了离线与在线的延时补偿策略，对比分析了补偿前后的实验结果。为克服点位控制方式应用于远程控制中的局限性，提出将连续轨迹控制方式引入串联机械臂远程控制系统，通过对任务时序图的分析，给出了保证机械臂连续运动时系统参数需满足的条件，并实现了远程控制下连续的轨迹跟踪。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
插图目录  12-15
第一章绪论  15-39
  1.1 引言  15-17
  1.2 网络远程控制系统的发展历程  17-20
  1.3 网络远程控制系统的研究现状  20-36
    1.3.1 网络的引入所带来的问题  20-22
    1.3.2 运用网络技术的延时解决策略  22-24
    1.3.3 运用控制方法的延时解决策略  24-33
    1.3.4 机器人网络远程控制技术研究  33-36
  1.4 本文的研究工作和创新之处  36-39
第二章网络远程控制系统中的延时问题  39-48
  2.1 引言  39-40
  2.2 网络延时的提出及对系统的影响  40
  2.3 网络延时的组成部分  40-43
  2.4 网络延时的不确定性产生的原因  43-44
  2.5 网络延时的测量与分析  44-46
    2.5.1 网络延时的测量方法  44-45
    2.5.2 网络延时的特点及分布规律  45-46
  2.6 网络延时的预测算法  46-47
  2.7 本章小结  47-48
第三章网络节点驱动方式对远程控制系统性能影响的研究  48-65
  3.1 引言  48
  3.2 网络节点的时间驱动方式与事件驱动方式  48-49
  3.3 不同的节点驱动方式下系统模型的建立  49-54
  3.4 节点驱动方式对系统性能的影响  54-58
    3.4.1 节点驱动方式对系统性能的影响分析  54-56
    3.4.2 节点驱动方式的特点分析  56-58
  3.5 各节点驱动方式的适用范围  58-59
  3.6 系统仿真实验  59-64
    3.6.1 被控对象的数学模型及LQR最优控制器的设计  59-60
    3.6.2 仿真实验结果及其分析  60-64
  3.7 本章小结  64-65
第四章网络远程控制系统的确定性控制研究  65-76
  4.1 引言  65
  4.2 确定性控制的基本思想  65-66
  4.3 确定性控制中的三种方法  66-70
    4.3.1 Smith预估控制  67
    4.3.2 状态预测控制  67-69
    4.3.3 分步变换控制  69-70
  4.4 确定性控制中三种方法之间的相互关系  70-73
    4.4.1 状态预测控制与分步变换控制之间的等价转换  70-72
    4.4.2 Smith预估控制与上述两种方法之间的关系  72-73
  4.5 系统仿真实验  73-75
  4.6 本章小结  75-76
第五章二自由度机械臂网络远程控制系统的实现  76-100
  5.1 引言  76-77
  5.2 二自由度串联机械臂系统  77-91
    5.2.1 机械臂系统简介  77-80
    5.2.2 机械臂系统的本地控制  80-91
  5.3 网络远程控制的实现方式  91-93
    5.3.1 软件实现方式  91-93
    5.3.2 硬件实现方式  93
  5.4 二自由度串联机械臂网络远程控制系统  93-99
    5.4.1 机械臂网络远程控制系统的架构  93-95
    5.4.2 采用C-S模式的机械臂远程控制平台  95-96
    5.4.3 机械臂远程控制平台的软件结构  96-99
  5.5 本章小结  99-100
第六章机械臂网络远程控制系统中延时补偿的实验研究  100-118
  6.1 引言  100
  6.2 网络延时的测量方法和测量结果  100-104
  6.3 进行延时补偿的机械臂远程控制  104-111
    6.3.1 离线的延时补偿策略  105-106
    6.3.2 在线的延时补偿策略  106-107
    6.3.3 实际系统实验及结果对比分析  107-111
  6.4 连续轨迹控制在机械臂远程控制系统中的实现  111-117
    6.4.1 传统的点位控制应用于远程系统中的缺陷  111-112
    6.4.2 连续轨迹控制的关键技术及特点  112-113
    6.4.3 连续轨迹控制方式下的机械臂远程控制  113-115
    6.4.4 实际系统实验及结果对比分析  115-117
  6.5 本章小结  117-118
第七章总结  118-120
参考文献  120-132
致谢  132-133
攻读博士学位期间发表的学术论文  133

机械臂系统的网络远程控制研究与实现

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