【正文】 參 考 文 獻(xiàn)參 考 文 獻(xiàn)[1] 景興建，網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和規(guī)劃方法研究[D]，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所博士論文，2005 .[2] R. 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Hunter Downs.“ Adaptive control of Teleoperation Systems”[J].Proceeding of the 38th Conference on Decision amp。在仿真中，本文分別對三種情況進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，為了使穩(wěn)定的系統(tǒng)有更好的控制效果，又對波變量進(jìn)行改造，消除了波反射。在這一分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用波變量方法對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)。在遙操作機(jī)器人模型的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用無源性方法，詳細(xì)分析了時(shí)延影響遙操作機(jī)器人穩(wěn)定性和控制效果的原因。大時(shí)延的存在會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果。在此基礎(chǔ)上，分析遙操作機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生時(shí)延的原因以及時(shí)延產(chǎn)生的影響。本文基于對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)傳輸時(shí)延的分析，采用無源控制算法和波變量方法對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，通過仿真軟件對算法進(jìn)行驗(yàn)證。大時(shí)延會(huì)給系統(tǒng)的控制效果帶來不利影響，甚至?xí)斐烧麄€(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在遙操作機(jī)器人的幫助下，人類不用親臨現(xiàn)場，就可以完成一些極端環(huán)境中的工作。所以，這一小節(jié)中設(shè)計(jì)的遙操作機(jī)器人模型是合適的，可以使用。當(dāng)給定信號的頻率提高到50Hz時(shí)，整個(gè)遙操作系統(tǒng)的控制效果就沒有在低頻率下理想。為了對控制效果進(jìn)行全面的驗(yàn)證，正弦波發(fā)生器的頻率將被改變，分別在兩種頻率下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖57 消除了波反射的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)仿真模型這個(gè)模型對波變量環(huán)節(jié)進(jìn)行了改造，在波變量的前后分別加入兩個(gè)阻抗。在下面一節(jié)中，將在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)消除了波反射的系統(tǒng)模型，以獲得更好的控制效果。前面的章節(jié)已經(jīng)說明，直接使用不經(jīng)改造的波變量會(huì)產(chǎn)生波反射，影響控制效果。圖54 更加真實(shí)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)仿真模型圖55 力跟蹤結(jié)果這是一個(gè)比較真實(shí)的系統(tǒng)模型，這個(gè)模型很完整而且有阻抗匹配更加合理的波變量。在這個(gè)仿真模型中，正弦波信號發(fā)生器被用來模擬主端操作者施加的力，然后根據(jù)公式（）—（）分別為主從端機(jī)器人、從端控制器以及從端環(huán)境建立傳遞函數(shù)模型，并運(yùn)用波變量方法改造通信環(huán)節(jié)。圖52 力跟蹤結(jié)果圖53 速度跟蹤結(jié)果 更加真實(shí)的遙操作機(jī)器人仿真模型一個(gè)更加真實(shí)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)該建立在主從端、環(huán)境、以及控制器的數(shù)學(xué)模型之上。通過這個(gè)最簡單的系統(tǒng)，波變量方法的正確性得到了驗(yàn)證。在這個(gè)簡單的系統(tǒng)中，方波發(fā)生器被用來模擬主從端受到的力，雖然并不真實(shí)，但是通過這個(gè)系統(tǒng)，可以驗(yàn)證經(jīng)過波變量改造的通信環(huán)節(jié)是否穩(wěn)定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：圖51 經(jīng)波變量改造后的通信環(huán)節(jié)仿真模型在圖51中，兩個(gè)方波發(fā)生器分別模擬主端和從端的作用力，使用50%的占空比，兩個(gè)示波器分別顯示力跟蹤和速度跟蹤結(jié)果。 對波變量方法的驗(yàn)證首先搭建一個(gè)運(yùn)用了波變量的通信環(huán)節(jié)，主端和從端都用方波發(fā)生器來模擬作用力。第五章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)第五章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)使用Matlab軟件的Simulink工具包搭建系統(tǒng)模型，對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行模擬，驗(yàn)證波變量方法是否能夠很好的控制具有時(shí)延的遙操作系統(tǒng)。在控制器的設(shè)計(jì)上，采用PI控制；在總體結(jié)構(gòu)上，遵循前面各章提出的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，對通信環(huán)節(jié)用波變量方法進(jìn)行改造，并將這些模型進(jìn)行拉式變換。在后面章節(jié)的仿真模擬中，我們將看到，通信環(huán)節(jié)經(jīng)過阻抗匹配消除了波反射后，整個(gè)系統(tǒng)的控制效果確實(shí)得到了改善。 遙操作機(jī)器人的總體控制結(jié)構(gòu)有了遙操作機(jī)器人各部分的數(shù)學(xué)模型后，就可以著手設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。因此，可以選用PI控制算法來對從端機(jī)器人進(jìn)行控制。微分控制能在偏差信號出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢產(chǎn)生超前的“預(yù)見”調(diào)節(jié)作用，以加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，改善系統(tǒng)的暫態(tài)性能。（3） 比例積分微分（PID）控制器如果在上述PI控制器中再引入一個(gè)微分控制環(huán)節(jié)，便構(gòu)成了比例+積分+微分控制器。它的控制作用是隨時(shí)間逐步積累的，動(dòng)作比較遲緩，對系統(tǒng)暫態(tài)特性不利。只要有偏差，控制器輸出就不斷地變化；偏差存在的時(shí)間越長，輸出的變換量就越大；當(dāng)輸入偏差信號為零時(shí)，其輸出就不再變化而維持在某一恒值上，故積分控制作用的特點(diǎn)就是力圖消除穩(wěn)態(tài)誤差。相應(yīng)的比例控制器時(shí)域中的輸入輸出關(guān)系為：將上式進(jìn)行拉式變換則可得，比例積分控制器的傳遞函數(shù)為：式中，Ti稱作積分常數(shù)，它的倒數(shù)1/Ti稱為積分速度。在控制系統(tǒng)中使用比例控制器，只要被調(diào)量偏離給定值，控制器就能及時(shí)地產(chǎn)生一個(gè)與偏差成比例的控制信號作用于受控系統(tǒng)來消除偏差，由于比例控制的這種及時(shí)控制作用，故在實(shí)際控制系統(tǒng)中通常都含有比例控制環(huán)節(jié)。對從端機(jī)器人，我們采用PID算法進(jìn)行控制。 遙操作機(jī)器人的控制器設(shè)計(jì)根據(jù)遙操作機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程（）—（），重寫如下： （） （） （）這三個(gè)方程分別是遙操作機(jī)器人主端、從端以及環(huán)境的動(dòng)力學(xué)模型。第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì)第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì)在前面的章節(jié)中，已經(jīng)分析了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型、動(dòng)力學(xué)模型，為遙操作機(jī)器人系統(tǒng)建立了基于二端口網(wǎng)絡(luò)的等效模型，又運(yùn)用無源性理論分析了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性，指出系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因在于通信環(huán)節(jié)的有源性，它由通信環(huán)節(jié)的時(shí)延產(chǎn)生，最后又給出了改造通信環(huán)節(jié)使其重新成為無源傳輸線的辦法。因此，通過波變量方法的矯正，通信環(huán)節(jié)重新具有了無源性，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定。由于時(shí)延的存在，通信環(huán)節(jié)原本的無源性被改變，成為一個(gè)有源傳輸線。所以在遙操作機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，需要要綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)