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网络遥操作机器人系统的模糊预测控制研究

作　者: 陈静
导　师: 曾庆军
学　校: 江苏科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 网络遥操作机器人时延广义预测控制模糊控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

网络遥操作机器人系统通过计算机网络通讯对远端机器人进行远程控制，实现了人类作业空间的拓展，具有广阔的应用前景。然而由于网络也存在着时延、数据丢失等问题，会造成系统的不稳定，降低操作性能，所以对于网络遥操作机器人系统如何克服时延等问题影响的研究具有重要意义及应用价值。本文主要对网络遥操作机器人系统的模型建立与稳定性分析以及时延问题进行了研究，结合预测控制与模糊控制二者的优点，设计了一种新型的模糊预测控制器，在保证系统稳定的基础上实现了良好的位置跟踪与力反馈，克服了网络时延以及模型失配问题的影响，并完善了一套单自由度主从式网络遥操作实验系统。首先，本文介绍了课题的背景及研究意义，并对国内外发展现状进行了回顾与分析，针对时延问题设计了一套解决方案。其次，在系统动力学模型的基础上，对现有的几种建模方式及稳定性分析方法进行了研究，在对各自优缺点进行分析后，最后选择了研究较为成熟、稳定性较强的无源二端口网络模型。然后，本文针对系统存在的时延问题，设计了自适应广义预测控制器，并分别在无时延，固定时延和随机时延几种情况下进行MATLAB仿真实验，仿真结果表明设计的控制器能满足系统稳定性和操作性能的要求，实现了位置跟踪与力反馈。接着，针对预测控制算法可能存在的模型失配问题，在反馈校正环节引入模糊控制，设计了一种新型的模糊预测控制器设计方案。在几种时延环境下的仿真结果表明该控制器可以有效解决模型失配问题，保证了系统的稳定性。最后，完善了一套单自由度主从式网络遥操作机器人系统，在LabVIEW环境下采用本文设计的控制器，并在该系统上完成了位置跟踪和力反馈实验。理论分析与实验结果表明：本文设计的新型的模糊预测控制器具有良好的控制效果和稳定性，可以有效解决时延问题，为进一步随机大时延下的网络遥操作系统的研究奠定了一定的基础。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-13
第1章绪论  13-21
  1.1 课题研究背景及意义  13-15
    1.1.1 遥操作机器人系统简介  13
    1.1.2 网络遥操作机器人系统简介  13-14
    1.1.3 网络遥操作机器人系统研究意义  14-15
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  15-20
    1.2.1 网络遥操作机器人系统国内外研究现状  15-18
    1.2.2 控制策略研究  18-20
  1.3 本文主要内容安排  20
  1.4 本章小结  20-21
第2章网络遥操作机器人系统的结构及建模方法分析  21-32
  2.1 网络遥操作机器人系统的结构及工作原理  21-23
    2.1.1 网络遥操作机器人系统的结构组成  21
    2.1.2 网络遥操作机器人系统的工作原理  21-22
    2.1.3 网络遥操作机器人系统动力学模型  22-23
  2.2 网络遥操作机器人系统的二端口网络模型  23-25
    2.2.1 二端口网络模型的建立  23-24
    2.2.2 二端口网络模型的稳定性分析  24-25
  2.3 基于状态空间方程的遥操作系统模型  25-28
    2.3.1 状态空间方程模型的建立  25-27
    2.3.2 状态空间方程模型的稳定性分析  27-28
  2.4 基于事件的遥操作系统模型  28-30
    2.4.1 基于事件模型的建立  28-29
    2.4.2 基于事件模型的稳定性分析  29-30
  2.5 几种建模方式的分析总结  30-31
  2.6 本章小结  31-32
第3章网络遥操作机器人系统的预测控制器设计及仿真  32-49
  3.1 预测控制的基本理论  32-33
  3.2 广义预测控制的基本方法  33-40
    3.2.1 对象模型和控制律推导  34-36
    3.2.2 丢番图方程的递推求解  36-38
    3.2.3 广义预测自适应控制算法  38-40
  3.3 基于 S-函数的广义预测自适应控制器设计及仿真结果分析  40-48
    3.3.1 主端 PID 控制器设计  40-41
    3.3.2 S-函数简介  41-42
    3.3.3 广义预测自适应控制器设计  42-45
    3.3.4 仿真结果及分析  45-48
  3.4 本章小结  48-49
第4章网络遥操作机器人系统的模糊预测控制器设计  49-65
  4.1 模糊控制的基本原理  49-56
    4.1.1 模糊控制的基本概念  49-51
    4.1.2 模糊控制系统的构成  51-56
  4.2 网络遥操作机器人系统的模糊预测控制器设计  56-58
    4.2.1 模糊预测控制的输入变量模糊化与模糊控制规则  57
    4.2.2 模糊预测控制的隶属度函数  57-58
    4.2.3 模糊预测控制的模糊推理和反模糊化  58
  4.3 网络遥操作机器人系统的模糊预测控制器设计及仿真结果分析  58-64
    4.3.1 模糊预测控制器设计  58-61
    4.3.2 仿真结果及分析  61-64
  4.4 本章小结  64-65
第5章网络遥操作机器人系统实验研究  65-86
  5.1 遥操作机器人系统结构及原理  65-66
  5.2 硬件电路介绍  66-69
    5.2.1 电源电路  66-67
    5.2.2 位置与力信号检测与调理电路  67-68
    5.2.3 单片机最小系统  68-69
    5.2.4 电机驱动电路  69
  5.3 C51 单片机程序设计  69-73
    5.3.1 串行数据传输模块  69-70
    5.3.2 PWM 脉冲产生模块  70-73
  5.4 LabVIEW 实验平台设计  73-81
    5.4.1 虚拟仪器与 LabVIEW  73-74
    5.4.2 数据采集  74-76
    5.4.3 串口通信  76-77
    5.4.4 网络通讯  77-79
    5.4.5 控制算法的实现  79-81
  5.5 LabVIEW 框图程序及实验数据  81-85
    5.5.1 LabVIEW 程序框图  81-84
    5.5.2 位置跟踪及力反馈实验  84-85
  5.6 本章小结  85-86
结论与展望  86-88
参考文献  88-91
攻读硕士学位期间的主要学术成果和参与科研情况  91-92
致谢  92-93
详细摘要  93-97

网络遥操作机器人系统的模糊预测控制研究

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