基于散射矩阵的时延力反馈遥操作系统稳定性研究

天津中德职业技术学院航空航天与汽车学院 王春絮天津商业大学信息工程学院 李立鹏



基于散射矩阵的时延力反馈遥操作系统稳定性研究

天津中德职业技术学院航空航天与汽车学院 王春絮
天津商业大学信息工程学院 李立鹏

【摘要】具有力反馈功能的遥操作系统一般采用双边控制方式，系统的主从端在传输过程中存在一定的时延，使系统的稳定性遭到破坏。本文利用二端口网络将遥操作系统的通信环节模拟成无损耗传输线，有效地解决了具有力反馈功能的遥操作系统在存在时延的情况下的稳定性问题，实验仿真结果表明，该方法能给保证系统较高的稳定性。

【关键词】时延；力反馈；稳定性

遥操作系统使本地操作者能够操纵远端机器人等智能设备，在危险、人类不能到达或人类不适于长期驻留的环境中完成指定任务，但当系统操作端和远端机器人相距遥远时，通讯会引入时延。实验证明，若存在0.25s的时延则可能造成遥操作系统的不稳定，严重影响工作效率和安全性。

1　时延遥操作系统描述

遥操作系统采用主从控制方式时，操作者与主端进行交互，感受到远端机械手与环境的作用力，操作者的指令通过信号传输发送到从端机器人，使它跟从操作人员的指令运动，同时将反馈信息通过信号传输过程返回给主端并反馈给操作者。将遥操作系统传输模块视为二端口网络［12-14］，系统结构如图1所示，遥操作系统的力F与速度v和电路中的电压V与电流I存在着对应关系，即F-＞v，V-＞I。

图1　遥操作系统控制示意图

2　稳定性分析

在电网络理论中，无源性反映了系统在运动过程中能量的耗散特性。稳定性是动态系统的基本结构特性，表明了系统输出的有界性。

图2　二端口网络

二端口网络如图3所示，可以采用不同的参数对其进行描述，当方向时可表示为：

忽略重力影响后的具有力反馈的遥操作系统主端、从端的动力学方程［13］如下：

根据无源性定义构造如下形式的储能函数：

图3　有时延的通信环节

如图3所示，当遥操作系统的通信环节存在时延为T时，系统的输入输出关系如下：

即：

所以混合矩阵为：

3　基于传输线理论的无源控制策略

图4　传输线

根据散射矩阵定理可知：

根据散射矩阵定义得到利用无损耗传输线去模拟通信环节时，时延通信环节是无源的的，从而整个遥操作系统是无源的，即系统是稳定的。可得通信环节的无源控制算法为：

上式是对通信环节的一种控制算法，使通信环节保持无源性。当具有力反馈的遥操作系统的通信环节具有T=0.5秒的时延时，系统主、从端的位置、速度、力变量曲线如图5—图7所示，可见系统处于自治状态时是收敛的，即系统稳定。

图5　主、从端的位置曲线

图6　主、从端的速度曲线

图7　主、从端的力曲线

4　结论

根据遥操作系统的结构，指出时延对系统稳定性的影响，分析了无源性与稳定性之间的联系，通过对时延力反馈遥操作系统的稳定性进行分析，指出基于二端口网络的传输线理论是解决由于通讯环节存在时延造成遥操作系统稳定性较差的有效手段。

参考文献

［1］庄骏，邱平，孙增圻.大时延环境下的分布式遥操作系统［J］.清华大学学报，2000，40（1）：80-83.

［2］于振中，闫继红，赵杰，等.利用波域预测的四通道时延双边遥操作［J］.华中科技大学学报：自然科学版，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.

作者简介：

王春絮，硕士研究生，助教，主要研究方向：自动化技术，机械工程。

李立鹏，硕士研究生，实验员，主要研究方向：自动化技术，控制工程。