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目录

摘要 (3)

英文摘要 (4)

符号表 (4)

第一章绪论 (4)

1.1引言 (4)

1.2课题背景（研究意义） (4)

1.3存在的问题 (4)

1.4遥操作机器人系统的研究概况 (4)

1.4.1预见控制 (4)

1.4.2遥规划 (4)

1.4.3双边控制 (4)

1.4.4 Internet环境下遥操作系统的研究概况 (5)

1.4.5各种方法的比较 (5)

1.5本文的主要工作 (5)

第二章预备知识 (5)

2.1遥操作机器人系统 (6)

2.1.1遥操作机器人系统的基本结构 (6)

2.1.2具有力觉临场感的位置－力反馈控制系统结构 (6)

2.1.3系统稳定性描述（重点） (6)

2.1.4系统透明性描述（重点） (6)

2.1.5系统鲁棒性描述（重点） (6)

2.2不确定系统的H∞控制问题 (6)

2.2.1H∞控制原理 (7)

2.2.2Nyquist稳定判据 (7)

2.2.3小增益定理 (7)

2.2.4不确定系统的鲁棒稳定性 (7)

2.2.5不确定系统的鲁棒性能问题 (7)

2.3.1内模控制原理 (7)

2.3.2内模控制的优势 (7)

2.3.3内模控制的缺点 (7)

2.4Internet网络特性 (7)

2.4.1通讯协议对网络时延的影响 (8)

2.4.2传输距离对网络时延的影响 (8)

2.4.3时间段对网络时延的影响 (8)

2.4.4数据量大小对网络时延的影响 (8)

2.4.5Internet网络的包交换策略及丢包问题 (8)

2.4.5网络测试实例 (8)

2.5控制问题的系统描述 (8)

第三章固定时延连续力觉临场感遥操作系统的研究 (8)

3.1引言 (9)

3.2问题的描述 (9)

3.3基于内模结构的定时延遥操作控制 (9)

3.3.1控制系统结构 (9)

3.3.2控制器设计 (9)

3.4仿真结果 (9)

3.5本章小节 (9)

第四章变时延连续力觉临场感遥操作系统的研究 (9)

4.1引言 (10)

4.2问题的描述 (10)

4.3基于内模结构的变时延遥操作控制 (10)

4.3.1变化时延在控制结构中的处理 (10)

4.3.2控制器设计（重点） (10)

4.4仿真结果 (10)

4.5本章小节 (10)

第五章基于Internet的力觉临场感遥操作系统研究 (10)

5.2具内模结构的力觉临场感遥操作系统的离散化 (11)

5.3包交换Internet传输策略对遥操作系统性能的影响 (11)

5.4主要结果 (11)

5.5仿真结果 (11)

5.6本章小节 (11)

第六章结论 (11)

基于Internet的遥操作机器人时延控制研究

摘要

遥操作系统通讯时延严重影响系统特别是力觉临场感遥操作系统的稳定性和透明性，为了解决这个问题，为具有力觉临场感的力反馈系统建立了内模控制结构，设计两端控制器分别实现主从机械手的速度和力的跟踪和稳定性条件，从而兼顾系统在时延下的稳定与透明。针对变时延系统，采用鲁棒控制，将在一定

最优控制理范围内变化的传输时延看作被控对象参数的不确定（摄动），运用H

∞

论确定鲁棒反馈控制器参数的取值范围，以实现系统在一定范围变化时延下的鲁棒稳定性和主从机械手力的鲁棒跟踪性能。通过对Internet进行的网络测试，分析Internet网络性能，在传输控制两端加入算法规范随机时延、丢包、抖动，使得网络控制系统满足上述变时延控制方法可处理系统的条件，将上述变时延控制系统应用到以Internet为传输媒介的遥操作控制中，以系统在Internet网络时延环境下依然保持良好的稳定性和透明性。整个控制系统具有内模结构，双控制器设计，没个控制器分别有一个控制参数，参数数量少且相关度低，依照某种性能进行选取的灵活性强。借助内模控制结构的特殊性，以透明性为目标的控制器设计独立于稳定性来进行，降低了控制器设计的复杂度。此外，系统的内部模型、反馈控制器都在主端实现，简化了从端设备，提高了系统的可靠性。

遥操作机器人系统应用在空间计划、海底探测时，环境模型往往是变化的，而系统性能与环境模型息息相关。这时，普通的内模控制结构便无法达到预期的控制目的。可以考虑使用自适应内模控制[10]，当被控对象模型变化或不确定时，

内部模型会自适应地改变来维持系统的稳定和透明。

英文摘要

符号表

第一章绪论

1.1引言

1.2课题背景（研究意义）

1.3存在的问题

时间延迟特别是大时延和变化时延给系统带来的影响，主要体现在系统稳定性和系统透明性，此外遥操作系统还存在：环境的适应性、抗干扰能力、鲁棒性等问题；

Internet条件下的遥操作系统还要经受随机时延、丢包、乱序、断路等考验。

1.4遥操作机器人系统的研究概况

学者们通常把各类控制按以下方法分类，在双边控制更倾向于依据控制结构规则（双边控制即两端双控制器），在双边控制结构中同样可以使用预见控制等。（采用的系统模型在介绍控制方法时描述。）

1.4.1预见控制

图像预测仿真（卡尔曼滤波器）；Smith预估；预测控制；神经网络建模预测；虚拟现实

1.4.2遥规划

（重点是基于事件的控制方法）

1.4.3双边控制

无源控制（包括散射理论和波变理论）；通道控制；基于H

理论的控制；滑

∞

模控制；阻抗控制；共享柔顺控制。（待补充）

1.4.4 Internet环境下遥操作系统的研究概况

a）基于Internet的遥操作系统的分类

b）网络通讯协议和拥塞算法的改进

c）从控制角度对Internet遥操作系统的研究现状

1.4.5各种方法的比较

各种控制方法的控制出发点，主要从哪些方面改善系统性能，保守性，控制结构和算法的复杂度，适应性。各类方法的优缺点及待改进的地方。（不依赖时延的稳定性往往比较保守，认为要想得到高效的时延控制策略应该对时延环境进行分析，同时兼顾稳定性和透明性。）

1.5本文的主要工作

借助内模控制应用于过程控制所体现出来的诸多优势，把带有预测功能的内模结构应用到力觉临场感遥操作系统中。

*利用内模控制的特点和遥操作机器人系统结构的特殊性，实现了固定时延下力反馈－位置系统稳定性和透明性的兼顾；

*针对具有变化传输时延的力反馈遥操作系统，采用内模结构，将变化的延迟因子看作模型参数的不确定，利用鲁棒控制原理，实现系统在一定范围时延下的鲁棒稳定性和鲁棒性能；（第一部分的工作恰是完成了本部分系统的标称系统的设计。）

*针对Internet包交换网络的特点，将网络随机时延、乱序、丢包等特性规范到以上设计可以处理的界之内，将以上实现的系统离散化后应用于Internet网络。

第二章预备知识

本章主要介绍了遥操作机器人系统的基本结构、本课题的研究对象、一些基础的控制理论的知识和Internet网络性能测试，为以后章节的讨论做准备。

2.1遥操作机器人系统

2.1.1遥操作机器人系统的基本结构

基本结构包括两端控制站，速度（位置）命令信道、视觉反馈信道和力觉反馈信道。遥操作机器人系统为实现其功能一般需要具有视觉临场感和力觉临场感。本课题重点研究力觉临场感遥操作系统，（f与v图），采用位置－力反馈控制结构。

2.1.2具有力觉临场感的位置－力反馈控制系统结构

具有类似于分离控制的双控制器结构，列出主从端和环境的动力学模型以及通用的控制器结构。

2.1.3系统稳定性描述（重点）

稳定性和透明性问题是研究遥操作系统的核心问题。对于固定时延的遥操作系统，重点研究确定系统的稳定性和透明性的兼顾问题；对于变时延的遥操作系统，重点研究不确定系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。

2.1.4系统透明性描述（重点）

系统的透明性是比静态跟踪性能更强的性能指标，它更强调了系统的动态跟踪性能，是静动态性能的综合而且是力和速度的同时跟踪。（包括对弱透明性的描述）

2.1.5系统鲁棒性描述（重点）

*从系统不确定性的起因看，可分为系统对干扰信号的鲁棒性和对模型参数不确定的鲁棒性；（带有随机时延的遥操作系统具有的是parametric uncertainty）*从控制指标看，可分为鲁棒稳定（robust stability）和鲁棒性能(robust performance)。

2.2不确定系统的H∞控制问题

这一节是第四章系统分析和控制器设计的理论基础，给出了系统在时延不确定下鲁棒稳定和鲁棒性能实现的依据。

2.2.1H∞控制原理

2.2.2Nyquist稳定判据

2.2.3小增益定理

2.2.4不确定系统的鲁棒稳定性

2.2.5不确定系统的鲁棒性能问题

2.3 内模控制

内模控制是闭环控制的一种，与普通的反馈控制相比，它更能体现闭环系统本质的东西。本课题的研究对象所采用的都是带有预测功能的内模结构，便于分析与控制器设计，并可以在其基础上实现鲁棒内模控制和自适应内模控制。2.3.1内模控制原理

2.3.2内模控制的优势

1）内部模型将被控对象稳定部分和不稳定部分分离，对于标称系统来说，内模控制结构中的反馈控制器和实际被控对象稳定，则整个系统稳定。这样就可以以某种系统性能为目标来设计控制器而不用同时顾及稳定性问题；

2）反馈信息不再是输出，而是干扰和模型参数摄动（或者是建模误差），更易于参数不确定的鲁棒控制，系统抗干扰性和鲁棒性强；

3）输出对输入和扰动的二自由度控制；

4）带有预测结构的内模控制可以解决一类大时滞问题；

5）控制器设计方便简单；

2.3.3内模控制的缺点

2.4Internet网络特性

（2.4.1~2.4.4内容待定）

2.4.1通讯协议对网络时延的影响

2.4.2传输距离对网络时延的影响

2.4.3时间段对网络时延的影响

2.4.4数据量大小对网络时延的影响

2.4.5Internet网络的包交换策略及丢包问题

2.4.5网络测试实例

2.5控制问题的系统描述

解控制问题的四个要素：

*过程模型

*不确定界

*输入类型

*性能指标

以下的章节中都将依照这四个要素解问题。

第三章固定时延连续力觉临场感遥操作系统的研究

因为内模控制多用于处理过程控制中的固定时延或缓慢变化时延，所以先用其分析固定时延的遥操作机器人系统。这一方面是为变时延系统的分析和设计打基础，另一方面也具有一定的实用价值，具有数据专线如光缆、无线数据通道的遥操作系统通常具有大的固定的时延。在本章中，利用内模结构在闭环系统分析中的优势，为固定时延力觉临场感系统设计了内模控制结构和两机械手控制器，克服了以往时延控制方法仅以一种性能作为控制目标的弱点，兼顾了系统在固定时延下的稳定性和透明性。给出的控制结构简单，控制器易于实现。

3.2问题的描述

3.3基于内模结构的定时延遥操作控制

首先给出阻抗匹配条件，这是透明性的一个必要条件。

3.3.1控制系统结构

给出力反馈－速度遥操作系统的内模控制结构，双控制器。

3.3.2控制器设计

根据问题描述中给出的透明度性能指标来依次设计位置跟踪控制器和反馈控制器，然后对得到的控制系统进行稳定性分析。双控制器设计，分别实现跟踪，每个控制器各有一个控制参数，各自管理自己的跟踪，当二者相等时，阻抗匹配，但不一定是好的跟踪。如果二者相等程度的跟踪，阻抗匹配。匹配＋动态跟踪＝透明。结论：两个控制器参数（可实现因子参数）取何值时阻抗匹配，动态跟踪，静态跟踪，透明。

3.4仿真结果

3.5本章小节

第四章变时延连续力觉临场感遥操作系统的研究

基于网络的遥操作系统受到网络变化时延的严峻考验。以上一章的分析为基础，考虑到整个系统是模型控制，将在一定范围内变化的时延看作模型参数的摄动，采用H∞鲁棒控制。在系统描述给出的四个元素的基础上，研究这一不确定系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能（在时延参数不确定情况下的系统透明性），设计控制器。仿真结果证明给出的控制方法可以克服一定范围内变化的时延对系统稳定性和操作性能的影响。

4.2问题的描述

根据预备知识中给出的控制问题的系统描述方方法，重点是分析系统的不确定性。

4.3基于内模结构的变时延遥操作控制

4.3.1变化时延在控制结构中的处理

4.3.2控制器设计（重点）

依然是双控制器设计，速度跟踪控制器的设计与时延无关，力跟踪控制器的设计是鲁棒控制器设计，要对时延摄动有鲁棒性，力跟踪性能是鲁棒性能。这样以来，一个是准确跟踪，一个是鲁棒跟踪，阻抗匹配是肯定不能满足了。但要使两个跟踪都尽量好。给出鲁棒反馈控制器参数的范围，使系统满足给定范围内时延摄动下的鲁棒性能。

4.4仿真结果

4.5本章小节第五章基于Internet的力觉临场感遥操作系统研究

在上一章中，已经解决了变化时延下力觉临场感系统的设计，这一章将把它用到Internet网络连接的遥操作系统中。Internet网络传输有别于以上实验环境的特性主要有离散（数字）、无界、乱序、丢包。所以要在设计中对信息的传递和接收进行处理，将各种设计要素规范到上章所述鲁棒控制所能处理的范围内。在这一章中，首先对具有内模结构的遥操作系统进行了离散化，然后分析了Internet 传输环境对系统性能的影响，并据此在系统中加入算法处理时延无界、抖动、乱序、丢包等问题，得到能实际应用到Internet网络的内模结构力觉临场感遥操作系统。

5.2具内模结构的力觉临场感遥操作系统的离散化

5.3包交换Internet传输策略对遥操作系统性能的影响

有别于以上实验环境的特性主要有离散（数字）、无界、抖动、乱序、丢包。

5.4主要结果

针对以上问题给出处理算法，并把网络测试得到的时延分离成“大”时延和“小”时延（即时延抖动），“大”时延的处理与第四章吻合，抖动可以看作是其它性能问题。

5.5仿真结果

5.6本章小节

第六章结论

*总结系统的设计出发点、关键和优缺点。

*可以或必须进一步考虑的问题：

环境模型的未知问题，可以采用神经网络建模或自适应鲁棒内模控制；

扰动问题；

系统的其他不确定性；等。

课题完成情况：

1）预备知识第四节没有做完，计划在七月完成；其它已学习完毕；（第四节在网络测试时再完成）

2）第三章分析、设计与仿真已完成；

3）第四章鲁棒稳定性的分析与仿真已完成；鲁棒性能设计还存在问题，计划在七月完成并给出仿真结果；（全部分析仿真已完成）

4）第五章只完成了性能影响分析，其它内容在九月前完成。（离散化在九

月完成，向Internet的过渡在十月完成）

目前课题遇到的困难：

1）输入信号的形式和输入加权函数；（解决：输入信号的形式只影响系统的静态性能，对不同的输入要有不同阶次的控制器实现静态跟踪，动态跟踪对任何输入都一样。完全由性能指标决定加权函数。）

2）系统不确定的度、范围，这里只考虑时延不确定性；

3）预备知识和正文符号是否要统一的问题；（不用统一）

4）离散化问题：因为具有类似分散控制的双控制器结构，系统的离散化不像单纯的内模控制那么简单；

5）第四章采用什么样的实验时延，第五章采用什么样的实验时延。标准的H∞控制没有规定不确定时延的变化速度，只需要它的不确定范围，所以第四章的理论分析设计可以用符号表示时延范围，仿真实验依据第二章网络测试的结果来选择实验参数，以便第五章使用。第五章针对实际网络特性，将Internet网络时延分为“大”变化和“小”变化（抖动），分别处理；

6）变化时延下的遥操作控制中，鲁棒性能的分析与设计若运用标准的鲁棒性能设计，控制器参数的选取复杂，是如此试探着选取控制参数还是证明它的“弱透明性”；（解决：运用鲁棒性能准则，不讨论弱透明性问题。如果时间充足，可以探讨。）

7）系统的性能（相对于稳定性）范围很广，主要集中在静态和动态性能，标准的透明性同时保证系统位置和力的动态跟随性能（在标称系统中可以分别分析其跟踪，也可整体分析）。鲁棒性能设计中的控制参数改善的是动态性能如上升速度和超调等，而且仅设计反馈控制器即力的跟随性能，位置的跟随要用单独设计位置控制器；（整体分析跟踪是）

8）控制器的可实现性和复杂性，而且鲁棒控制中有“可适定性”问题；（系统传递函数最多是非严格正则系统，除环境阻抗G e，不影响）