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半闭环双边控制系统研究

作　者: 李锋
导　师: 韦庆
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 遥操作双边控制半闭环 Lyapunov稳定性相位差跳变时延
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 31次
引　用: 2次
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内容摘要

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Lyapunov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1、3、5秒的情况下进行实验,验证了所设计的双边PD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。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
第一章绪论  11-19
  1.1 研究背景  11-13
  1.2 双边控制综述  13-14
  1.3 研究对象  14-15
  1.4 研究内容  15-16
  1.5 主要贡献  16-17
  1.6 论文组织结构  17-19
第二章双边控制系统性能指标  19-31
  2.1 引言  19
  2.2 原有性能指标  19-21
    2.2.1 稳定性  19-20
    2.2.2 透明性  20-21
    2.2.3 跟踪性  21
  2.3 相位差指标  21-23
  2.4 用相位差指标衡量系统性能  23-30
    2.4.1 基于绝对稳定性的双边控制方法  23-26
    2.4.2 基于Lyapunov稳定性的双边控制方法  26-29
    2.4.3 两种控制方法的性能对比  29-30
  2.5 本章小结  30-31
第三章半闭环双边控制系统设计与分析  31-39
  3.1 引言  31
  3.2 半闭环双边控制系统设计  31-35
  3.3 半闭环双边控制系统分析  35-37
  3.4 力跟踪相位差与时延关系的进一步分析  37-38
  3.5 本章小结  38-39
第四章半闭环双边控制系统操作性能分析  39-45
  4.1 引言  39-40
  4.2 输入频率对系统性能的影响  40-41
  4.3 系统时延对系统性能的影响  41-43
  4.4 系统时延与输入频率的关系  43-44
  4.5 本章小结  44-45
第五章半闭环双边控制系统的实验研究  45-59
  5.1 引言  45
  5.2 实验系统构成  45-53
    5.2.1 主手  45-46
    5.2.2 从手  46-52
    5.2.3 时延通信环节  52-53
  5.3 不同时延下的控制结果  53-56
  5.4 对于跳变时延的分析  56-57
  5.5 本章小结  57-59
结束语  59-61
  全文总结  59-60
  未来展望  60-61
致谢  61-63
参考文献  63-67
作者在学期间取得的学术成果  67

半闭环双边控制系统研究

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