基于网络远程控制滑模变结构控制策略
刘 华, 颜国正, 丁国清
(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200030)
摘 要:基于网络远程控制循环中存在随机通信延迟时间,影响控制循环的稳定性.提出采用滑模变结构控制来消除控制循环中随机通信延迟时间对稳定性的影响,研究了滑模变结构控制的实现方法、滑动平面求解、控制函数的实现等.滑模变结构控制的仿真结果与远程机器人直接控制结果的对比表明,前者能够保证在存在随机通信延迟时间时控制系统的稳定,证明了滑模变结构控制应用于机器人远程控制的合理性.
关键词:远程控制;滑模变结构控制;延迟时间
中图分类号:TP872
文献标识码:A
基于网络远程控制是利用网络来实现远程控制的一种控制方式,其实质是采用网络作为通信媒介进行机器人远程控制.由于采用网络作为通信媒介,不可避免地带来通信延迟时间的影响,并且通信延迟时间受诸多因素的影响,其大小是随时间而变化的随机变量.因此,基于网络远程控制理论研究的实质是采用合理的控制策略保证存在随机延迟时间的控制系统的稳定.
本文在文献[1]中预测估计出的通信延迟时间的基础上,采用滑模变结构控制来消除控制循环中存在的随机变化通信延迟时间的影响,保证控制系统的稳定性.
3 仿真分析
本地虚拟机器人可采用四阶Runge-Kutta法在Matlab[9]软件里直接求解偏微分方程,本地虚拟机器人不存在延迟时间等影响因素,采用闭环控制方法实现本地虚拟机器人控制,实现仿真分析.
根据机器人实际结构可推导出虚拟机器人运动力学方程式[2].采用广义滑模作为滑模存在性及可达性的保证,利用本文方法进行远程机器人滑模控制器设计,设计的滑模控制器须保证滑模运动能够实现的3个条件:①滑动模态存在;②滑动模态的可达性;③运动的稳定性.
根据以上分析可得远程机器人滑模变结构控制作用的运动结果与实际采用远程机器人直接控制的实验结果,如图2所示.
图2中,α为圆周方向旋转角度,β1、β2为机器人位置第1、2关节角度变化,γ1、γ3为机器人姿态第1、3关节角度变化.
综上所述可知:
(1)远程机器人可以平滑地跟随本地虚拟机器人运动轨迹,实现期望的运动轨迹.
(2)采用不同的远程控制方式,滑模控制策略的性能优于远程直接控制方式,采用滑模控制策略时远程机器人各关节角度变化均值及方差均小于远程直接控制,以保证存在随机通信延迟时间条件下远程机器人的稳定控制.
4 结 语
研究了基于网络远程控制机器人的控制策略,提出了本地虚拟机器人采用闭环控制策略、远程机器人采用滑模变结构控制策略的控制方法,本地虚拟机器人和远程机器人的控制策略实现采用模块化结构.针对远程机器人滑模控制循环的输入控制向量存在随机延迟时间τ(t),本文提出了一种通过频率域求解滑模切换超平面s(x)的设计方法,解决了存在延迟时间的滑模变结构控制的切换超平面的求解,并由此建立了比例切换控制的滑模变结构控制策略,详细研究了滑模变结构控制的存在条件、控制函数求解等.滑模变结构控制的仿真实验结果显示了存在随机通信延迟时间的控制系统的稳定性,证明了本文建立的滑模变结构控制策略是合理的.
参考文献:
[ 1 ] 刘 华.基于网络远程控制焊缝自动检测机器人系统及其滑模控制策略研究[D].上海:上海交通大学电子信息学院,2003.
[ 2 ] 贺兴书.机械振动学[M].上海:上海交通大学出版社,1985.
[ 3 ] 王丰尧.滑模变结构控制[M].北京:机械工业出版社,1995.
[ 4 ] 田宏奇.滑模控制理论及其应用[M].湖北:武汉出版社,1995.
[ 5 ] 姚琼荟,黄继起,吴汉松.变结构控制系统[M] .重庆:重庆大学出版社,1997.
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