[发明专利]一种基于自适应Smith预估器的遥操作双边PID控制方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应Smith预估器的遥操作双边PID控制方法。首先建立双边控制系统在大时延下的名义动力学模型；提出自适应Smith预估控制方法及其结构，将传统的模型参考自适应控制中的被控过程与参考模型对换，使得Smith预估器的参数可以自适应校正；然后利用李雅普诺夫能量函数法设计多参数可调的自适应调节律；其次在从端控制器中加入低通滤波器，并选取合适参数，消除关节高频信号的干扰。与其他控制方法相比，本发明所提出的控制方法可以在大时延且具有系统建模误差的情况下保持遥操作系统稳定，并且具有良好的跟踪性能。

【技术领域】

本发明属于遥操作技术领域，涉及双边控制和自适应控制技术，具体是一种基于自适应Smith预估器的遥操作双边PID控制方法。

【背景技术】

遥操作技术是将操作人员的控制指令和控制行为利用现代通讯手段传输并作用于远程机器人系统的一种手段，被广泛应用于航空、航天、核环境等领域。遥操作系统的主要特点是主从端通信时延的存在，为了保证时延条件下遥操作系统的稳定性，通常采用的控制方法包括无源性理论、波变量、现代控制理论、智能控制等方法。但是随着人类对空间未知领域探索的不断扩大，遥操作系统主从端的时延也越来越大，上述传统的控制方法在大时延条件下稳定性和操作性方面的不足逐渐体现出来，研究者们开始针对大时延条件下遥操作系统的控制方法做进一步研究。

在遥操作系统大时延问题的研究方面，研究者们在传统方法上提出各种各样的改进，但大多数是通过降低系统的操作性能来保持闭环系统的稳定性，是一种间接保持系统稳定的方法，并没有直接对系统中的时间延迟环节进行研究。

【发明内容】

有鉴于此，鉴于上述的控制方法所存在的问题，本文提出一种基于自适应Smith预估器的PID控制方法。这种方法基于模型参考自适应理论，采用李雅普诺夫函数法设计自适应律，通过系统闭环输出误差直接在线调整Smith预估器的补偿参数，并结合PID控制器保证闭环系统稳定性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步：建立双边控制系统在大时延下的名义动力学模型：

考虑单自由度主从端结构，并等效为质量-阻尼系统，其动力学模型如下所示：

上式中，x_i为末端位置，m_i为质量，b_i为黏性系数，u_i为控制输入，i＝m,s分别代表主端和从端，f_h为操作者施加给主手的力，f_e为从端所受环境的作用力；

考虑到时延的影响，假设前向通道和反向通道的时延都为T，并根据遥操作系统结构和任务的不同，添加位置和力的比例缩放因素，则有：

x_sd(t)＝k_px_m(t-T) (3)

f_md(t)＝k_ff_s(t-T) (4)

式中，k_p、k_f分别为位置和力的缩放因子，x_sd为从手跟随的目标位置，f_md为主端接收到的反馈力，x_m(t-T)为经过时延T之后传递到从端的主手位置，f_s(t-T)为经过时延T之后传递到主端的从端反馈力；

第二步：提出自适应Smith预估控制方法及其结构，将传统的模型参考自适应控制中的被控过程与参考模型对换，使得Smith预估器的参数可以自适应校正，其特征在于：