具有通信延迟的遥操作系统的稳定:一种IMC方法

摘要

通信中时延的存在给双边遥操作系统的稳定性带来了限制。考虑带时滞线性遥操作系统的内模控制设计，分析了闭环系统的稳定性。结果表明，该系统具有时滞独立的稳定性保证。在所提出的遥操作系统设计中，消除了外力的无源性假设。所产生的遥操作系统的行为通过仿真来说明。

1.简介

远程操作系统使人类能够扩展他们的能力，以更好的安全，更低的成本，甚至更好的准确性操作界面。一个典型的遥操作系统由五部分组成:人操作者、由人操作者操作的主机器人、从机器人、与从交互的环境、主与从的通信通道。双向系统控制设计的主要目标是闭环系统的稳定性、主从系统的位置协调以及环境的触觉力对操作者的显示。

当存在于遥操作系统的通信信道显著延迟，一个主要的问题是系统的稳定性1]。其基于散射理论的无源性控制方法[1或波动变量[2这一概念被广泛应用于设计具有时滞的稳定遥操作系统。这些控制器使通信链路处于被动状态，从而保证任何被动用户对任何被动环境进行稳定的双边遥操作;参见[3.和其中的参考资料。对于基于被动的遥控操作系统，需要对外力的被动假设。但在实际应用中，要满足这一假设并不容易，因此该控制策略在实际应用中有其局限性。

摘要针对采用无源控制方案控制遥操作系统的缺点，提出了一种将内模控制(IMC)结构引入线性遥操作系统设计的新方法。IMC在20世纪80年代是一种成熟的控制策略，其最初的配置和几个改进的结构已成功应用于从化学过程到汽车系统的各种应用(见[4- - - - - -7]等众多参考文献）。扩展到非线性系统也有报道，因为它显示超出线性系统设计有吸引力的性质[8]。一些智能方法被引入到IMC结构和非线性扩展[的修改9- - - - - -12]。此外，已经有关于延伸的IMC设计方法非线性系统的线性变参数（LPV）框架[一些努力13,14近年来。内模控制在遥操作系统中的应用也不是现有技术。Hayn和Schwarzmann使用IMC结构设计了以液压机械手为奴隶、触觉设备为主人的遥操作系统的位置控制器[15]。然而，在[15假设在通信中不存在延迟。[16[]提出了一种针对时变时滞遥操作系统的内模控制设计，而实际上，它是一种基于史密斯预测器的遥操作系统设计。本文提出了一种基于imc的延迟遥操作系统控制结构，并没有对该结构做任何限制性假设。所提出的控制方案不需要无源性假设。

在本文的其余部分的结构如下。节2系统建模和一些预赛中给出。节3.文中给出了一种控制体系结构，并对其稳定性进行了分析4。文中以一个简单的自由度遥操作系统为例，验证了该方法的有效性5。最后，对全文进行了总结和总结6。

2.预赛

单自由度线性主/从机械手可写成[17] 在哪里 是关节位置，速度，和主的加速度值和从设备与 要么分别表示主机械手或从机械手。同样的, 为主、从装置的有效质量、阻尼和弹簧系数。由操作者和环境施加在设备上的外力表示 , ,分别,而 , 表示控制信号。

为简便起见，主、从的传递函数如下:

在本工作中，需要以下假设。

假设1。通过通信信道的正向延迟和向后延迟，表示 分别被假定为常数，但任意值。

备注2。假设1是为了简单。本文的主要结果也适用于时变时滞的遥操作系统。节5，我们还提供了具有时变延迟的情况下，一些模拟研究。

3.遥操作系统的内模控制结构

本节提出这保证了闭环系统的延迟无关的稳定性基于IMC-控制结构。

让我们开始从遥操作系统，这是从主端，如果不引起混淆的一侧控制器的设计过程。由传统的IMC结构的启发，我们推测该IMC结构图主1在哪里表示主动态，如(2),表示主机械手的模型。请注意，二自由度内模控制结构[4由于这两个输入的动态特性被利用 是大大不同的。为了描述透明度，参考信号应该是奴隶发出的信号。考虑到主机与从机之间的通信时延，对系统进行了仿真是延迟;也就是说, 显然,控制器 是的运算符 分别;也就是说, 和 。人类操作员似乎是一种来自于原有IMC设计解读的“扰动”;然而，我们可能会发现它不应该在我们的设计中被取消。稍后将进行详细讨论。

类似地，从端IMC结构如图所示2,在那里 的线性算子和 ;也就是说, 和 和

协调力矩为

方程（6)也可以用their表示-功能：

控制架构如图所示3.。

备注3。从图3.并与经典的内嵌式结构进行比较[4，我们可能会发现，外部力量 根据经典的内模控制解释，是“扰动”。区别在于这些“干扰”直接作用于主从机。实际上，这些力是一种“激励信号”，不应该被抵消。

备注4。实际上,输出 可以是位置或速度，或主机和从机的连状态。在本文中，我们假定只有可用的位置进行测量;也就是说, 和 。

4.稳定性分析

在本节中，闭环系统的稳定性进行了讨论。

假设 , , 和 ;然后闭环系统如图所示3.可以按图重画吗4在哪里 和 。

让 的拉普拉斯变换 ;然后控制器(7)可以改写为 在哪里 如图所示的IMC结构的框图4,输出与输入有关吗作为

以来 ,(10)可以改写为

当系统模型匹配的工厂完美的, ,一个

可以看出，只要有一个稳定的参数，就可以保证内部稳定 是用来控制稳定的工厂 。像传统的内模控制系统一样，我们有以下重要的特性。

定理5(对偶稳定性)。假设主/从模型与主/从机械手动力学完全匹配;也就是说, 。那么足以保证整个闭环系统的稳定性。

注6。在所提出的控制设计，也有人类的力量没有被动的假设和环境的力量 。这些部队可以从IMC解释任何有限的信号。

注7。事实上,当 ，该系统基本上是开环的。因此这种基于imc设计的遥操作系统具有开环的优点。当没有完美的模型时，也就是说， 中，整个系统是一个闭环系统。因此，IMC控制策略具有开环和闭环结构[二者的优点18]。但是，稳定性条件为 变得复杂，因为亚对角延迟存在 ,这将是一个正在进行的研究课题。

注8。对于情况 ，这种结构的好处是，通信时间延迟不进入反馈通道。在给定稳定控制器的情况下，可以简化整个系统的稳定性 , , ,和 。以另一种方式，这意味着该控制结构能保证整个系统的稳定性与通信延迟改变从0到任意值。这意味着一个方法来选择合适的 , , ,和良好的性能。

备注9。定理5也适用于时变延迟的遥操作系统，因为通信延迟不进入反馈回路。

5.仿真和结果

我们考虑一个简单的单自由度遥操作系统(1）与 公斤, 公斤,  Ns/m,  Ns/m, N / m,  N/m.

假设算子具有以下动力学特性: 在哪里图中是否描述了一个矩形信号5, 和 。环境力量被选为 。

我们首先实现图中的控件3.假设有在通信信道没有延迟，并获得在图中所示的模拟结果7和8。选择的控制参数通过它们的步骤的响应，其被描述于图表示6。可以看出，主人和奴隶的响应是稳定的。如图所示7，奴隶的动作很快地、毫不迟延地跟着主人的动作;然而，在主控制器的位置有一点振荡，这意味着控制参数可以有更好的选择。虽然主人和奴隶之间的位置实现了完美的跟踪，但是人的力量和环境的力量之间存在静态误差(图)8)。由于位置跟踪和力跟踪是两个需要权衡的目标，因此这个误差不能被取消。

现在我们对通信信道中存在延迟的情况进行了仿真。首先假设前向信道和后向信道的时延是对称的;也就是说, 。在此情况下，用所设计的控制器对系统性能进行了图形描述9和10。从图中可以看出10当操作者对主人施加力的时候  s, the slave contacted the environment after the delay of 1 second and then received an active force 。(延时)位置跟踪性能如图所示9类似于在通信信道中没有延迟时的情况。

我们进一步对突然出现的通信延迟和突然消失的通信延迟进行了仿真 )，但延迟是对称的。为简单起见，我们仅提供如图所示的位置跟踪性能11和12。在这种情况下，很容易看出闭环系统是稳定的。对于存在通信延迟的时间间隔，从机在相应延迟后跟随主机的动作。

我们进一步关注自己与系统性能时，向前和向后的通信延迟是不一样的。We decrease the forward communication delay to 0.5 s and increase the backward communication delay to 2 s and implement the control in Figure3.，得到如图所示的仿真结果13和14。这些数字暗示闭环系统的稳定与不对称通信延迟保证。因此，它表明，所设计的控制器是一个延迟依赖性稳定控制器。

最后，我们做模拟与变化的通信延迟遥操作系统。在通信信道的前向和后向时间延迟建模为 ,在那里随机变量是否具有其均值的正态分布特征和标准偏差 ,用标准符号表示的 。以选择通信信道中的前向和后向时间延迟 。位置跟踪性能和力跟踪性能将在图15和16。结果表明，即使在有界随机通信时延下，该系统仍具有良好的跟踪性能。这意味着我们的方法对于具有不同延迟的遥操作系统也是有效的。

6.结论

本文研究了基于imc的具有通信延迟的线性遥操作系统的控制设计。如果模型是完美的，整个系统的稳定性是有保证的。这种方法消除了外力的无源性假设。对单自由度线性遥操作系统的仿真表明，所设计的控制器具有良好的稳定性。采用该参数可获得较好的跟踪性能选择合适的。扩展到模型和工厂不完全匹配的情况和非线性遥操作系统正在研究中，研究结果将在不久的将来报告。

利益冲突

作者宣称，有兴趣就本文发表任何冲突。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金(no. 8)的联合资助。中央高校基础研究基金(编号:FRF-TP-16-024A1、FPR-BD-16-005A)和北京市重点学科发展计划(编号:61333002);XK100080537)。

参考

1. R. J.安德森和M. W.斯彭，“带时间延迟的远程操作员的双边控制”，电气和电子工程师学会自动控制事务卷。34，没有。5，第494-501，1989。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
2. Niemeyer和j.e。Slotine， "稳定自适应遥操作"IEEE期刊海洋工程第16卷，no。1, 152-162页，1991。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
3. E. Nuno, L. Basanez, R. Ortega，“基于被动的双边遥操作控制:教程”，自动化卷。47，没有。3，第485-495，2011。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
4. M. Morari和E. Zafiriou，健壮的过程控制1989年，美国新泽西州恩格尔伍德悬崖，普伦蒂斯霍尔。
5. d . Schwarzmann非线性内模控制与汽车应用,2008年Logos-Verlag。
6. D.金，D. Lee和K. C. Veluvolu，“使用本地诊断和IMC-PID致动器故障的住宿，”国际控制、自动化和系统杂志第12卷，no。6, 1139-1149, 2014。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 吴，李建民，“基于带Mp判据的广义IMC-PID方法的多环PID控制器设计”，国际控制、自动化和系统杂志第5卷，no。2007年，第212-217页。查看在：谷歌学术搜索
8. C. G. Economou的，M. Morari和B. O.保尔松，“内部模型控制：扩展非线性系统，”工业与工程化学，工艺设计与开发第25卷，no。1986年第402 - 411页。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 陈志强，“多变量内模神经网络自适应解耦控制器”，国立中山大学学报，20021998年美国控制会议，1998年ACC的论文集，第532-536页，美国费城，1998年6月。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
10. K. Hunt和D. Sbarbaro，“非线性内模控制神经网络，”IEE程序D部分:控制理论与应用第138卷，no。1991年，第431-438页。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 《神经网络模型的非线性内模控制策略》，国立台湾师范大学出版社。计算机与化学工程第16卷，no。1992年，第1039-1057页。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
12. “利用神经网络的非线性内模控制:应用于时滞和设计问题的过程”，李国伟，“非线性内模控制的研究”。IEEE交易神经网络和学习系统第11卷，no。1, 80-90页，2000。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
13. W. Xie和T. Eisaka，“增益计划控制的广义内部模型架构”，数学控制和信息杂志第25卷，no。4，第447-459页，2008。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
14. “线性变参数系统的内模控制设计”，国立台湾大学机电工程研究所硕士论文第一届美国控制会议会议记录(ACC '13)，第2409至2414年，华盛顿特区，美国，​​2013年6月。查看在：谷歌学术搜索
15. 海恩和舒瓦兹曼，“使用触觉操作装置的液压移动机器的控制概念”，在第二届国际会议上的人机交互，2009年ACHI诉讼进展，第348-353页，墨西哥，2009年2月。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
16. P. Jian和Q.-Q。具有变时滞的力反射遥操作系统的内部模型控制，孔智Lilun宇Yingyong /控制理论与应用卷。24，没有。1，第13-18，2007。查看在：谷歌学术搜索
17. P. F. Hokayem和M. W. Spong，“双边远程操作:历史调查”，自动化卷。42，没有。12，第二〇三五年至2057年，2006年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
18. I.卡亚，“IMC基于用于在史密斯预测配置的PID控制器自动调谐的方法，”计算机与化学工程第28卷第2期3, 281-290页，2004。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索

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