1.一种用于远程操作系统的有限时间容错控制方法,其特征在于:其具体包括以下步骤:
步骤1,针对带有执行器故障的远程操作系统,根据测量的主机器人和从机器人的系统参数,得到远程操作系统的标称系统;
步骤2,基于标称系统中的主机器人位置、从机器人位置、主机器人速度信息和从机器人速度信息,针对主机器人设计有限时间,用于在线估计主机器人的执行器故障及系统不确定信息,针对从机器人设计有限时间,用于在线估计从机器人的执行器故障及系统不确定信息;
步骤3,基于测量的主机器人以及从机器人的关节位置和速度信息,设计终端滑模面;
步骤4,基于步骤3所设计的终端滑模面和步骤2估计的执行器故障及系统不确定信息,设计有限时间控制策略;
步骤5,利用李雅普诺夫方程建立远程操作系统收敛速度与容错控制器参数关系,确保系统在此控制器作用下可以在有限时间内收敛。
2.根据权利要求1所述的用于远程操作系统的有限时间容错控制方法,其特征在于:步骤1中的具体步骤为:
建立基于关节空间的远程操作系统的标称系统的动力学模型:其中,m表示主机器人参数,s表示从机器人参数,qm,qs∈R n分别表示主机器人、从机器人的关节位移向量; 分别表示主机器人、从机器人的关节速度向量,分别表示主机器人、从机器人的关节加速度向量;Mm(qm),Ms(qs)∈Rn×n分别为主系统、从系统的正定惯性矩阵; 分别表示主机器人、从机器人的哥氏力和离心力的向量;Gm(qm),Gs(qs)∈Rn分别为主机器人系统、从机器人系统的重力力矩;
分别为主机器人系统、从机器人系统存在的未知摩擦力以及有界外界干扰;Fh∈Rn为操作者施加的力,Fe∈Rn为环境施加的力矩;τm∈Rn为容错控制器提供n的控制力矩,τs∈R为从控制器提供的控制力矩,考虑实际应用中系统模型均存在不确定,因此Mm(qm)=Mmo(qm)+ΔMm(qm),Ms(qs)=Mso(qs)+ΔMs(qs),Gm(qm)=Gmo(qm)+ΔGm(qm),Gs(qs)=Gso(qs)+ΔGs(qs);
Mmo(qm),Mso(qs), Gmo(qm)和Gso(qs)表示远程操作系统的标称部分即已知部分,而ΔMm(qm),ΔMs(qs), ΔGm(qm)和ΔGs(qs)表示远程操作系统的不确定部分。
3.根据权利要求2所述的用于远程操作系统的有限时间容错控制方法,其特征在于:步骤2中,针对主机器人和从机器人分别设计有限时间在线估计执行器故障及系统不确定信息的具体步骤为:
结合步骤1中考虑实际应用中系统存在不确定因素,远程操作系统的动力学模型(1)被重新写作
其中, 视为远程操作主机器
人系统的不确定; 视为远程操作从机器人系统的不确定;
针对主机器人和从机器人设计故障重建律在线估计系统故障及不确定部分,当主机器人、从机器人发生执行器故障时,有
其中,τm(t)表示主机器人执行器产生的扭矩,τs(t)分别表示从机器人执行器产生的扭矩;τm0(t)表示主机器人执行器产生的标称扭矩,τs0(t)表示从机器人执行器产生的标称扭矩; 表示主机器人执行器故障向量, 表示从机器人执行器故障向量,结合式(1),主机器人和从机器人的远程操作动力学模型进一步表示为:其中,
定义一个新矢量: 它的导数为:
其中,
定义新的变量
其中,Km1、Ks1是已知的正实数,ψm(l)、ψs(l)是根据式(5)所设计的辅助函数,由式(6)可知ψm(t)、ψs(t)为新定义的与时间有关的辅助函数,且当时间给定时二者是可得的;
其导数为:
上式看作是分别以 为未知输入的线性系统,其输出表示为针对主机器人和从机器人执行器设计滑模观测器,如下:其中, 分别表示ψm、ψs的观测值,εm、εm分别表示ψm和 ψs和 之间的观测误差,即 pm1、ps1∈Rn,pm2、ps2∈Rn且pm1<pm2,ps1<ps2,Km2,Km3,Km4,Ks2,Ks3,Ks4均为可调参数,em表示主机器人系统位置同步误差变量,es表示从机器人系统位置同步误差变量;
设计重建律以在线估计系统不确定性及故障进一步可得
其中,xme表示主机器人执行器故障及不确定信息的估计误差,xse表示从机器人执行器故障及不确定信息的估计误差。
4.根据权利要求3所述的用于远程操作系统的有限时间容错控制方法,其特征在于:步骤3具体包括以下步骤:
首先,定义主机器人系统和从机器人系统位置同步误差变量分别为em=qm-qs(t-Ts),es=qs-qm(t-Tm) (15)其中,t表示时间变量,Tm、Ts分别为主机器人、从机器人信息传输的时延,本发明所针对的在固定时延下主机器人、从机器人间的信息传输问题,故Tm、Ts为可测常数值;
针对主机器人和从机器人选取终端滑模面:其中,sm,ss∈Rn分别表示主机器人、从机器人滑模面上的滑动变量,σm1、σm2、σs1、σs2是根据实际应用所分别选取的主机器人、从机器人遥操作系统正定矩阵,其中σm1=diag(σm11,σm12,…,σm1n)∈Rn×n,σs1=diag(σs11,σs12,…,σs1n)∈Rn×n,σm2=diag(σm21,σm22,…,σm2n)∈Rn×n,σs2=diag(σs21,σs22,…,σs2n)∈Rn×n;lm,ls和zm,zs是正数且分别满足1<lm/zm<2,1<ls/zs<2,βm>lm/zm,βs>ls/zs。
5.根据权利要求4所述的用于远程操作系统的有限时间容错控制方法,其特征在于:基于步骤2中在线估计出的主机器人和从机器人执行器故障,在步骤4中,分别对主机器人和从机器人设计有限时间控制策略的方法,以在有限时间内消除远程操作系统中执行器故障,
容错控制器设计为:
其中,τmeq、τseq分别用来控制主机器人、从机器人标称系统部分,τmre、τsre分别用来补偿主机器人、从机器人系统中的不确定部分以消除远程操作系统中产生的不确定部分,设计如下:
其中,
6.根据权利要求5所述的用于远程操作系统的有限时间容错控制方法,其特征在于:步骤5中,利用李雅普诺夫方程建立系统收敛速度与容错控制器参数关系,确保系统在此控制器作用下可以在有限时间内收敛,具体方法如下:选取新的李亚普诺夫方程如下:
其导数为:
将(19)、(20)和(21)三式代入(23),结合步骤2得出:其中, 且 由李雅普诺夫稳定判
据可知系统稳定;
确定主机器人系统容错控制有限时间为:有限时间Tm、Ts分别表示主机器人系统和从机器人系统到达滑模面所用的时间。