基于时延预测的空间遥操作系统广义预测控制

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1、V01．19No．230载人航天第19卷第2期2013年3月基于时延预测的空间遥操作系统广义预测控制杨艳华1,2,3，阳方平1，一，李洪谊1，化建宁4，张峰1，余飞1(1中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳110016；2泉州师范学院应用科技学院，福建泉州362000；3中国科学院大学，北京100049；4东北大学，辽宁沈阳110014)摘要针对导致遥操作系统性能下降甚至不稳定的时变大时延问题，提出一种基于在线时延预测的广义预测控制(GPC)方法。鉴于空间遥操作系统一般由多自由度主、从端构成，而且环境模型未知，则在主端以一种基

2、于稀疏矩阵的核非线性回归方法设计时延预测器．同时将多自由度从端机械臂的非线性动力学模型线性化，根据预测的时延设计GPC，使系统稳定并且满足位置和速度跟踪性能要求。在从端，通过设计非线性补偿器以补偿从端的非线性部分。仿真取得有效结果。关键词空间遥操作；大时延；广义预测控制；核非线性回归中图分类号：V556TP24文献标识码：A文章编号：1674—5825(2013)02—0030—081引言空间遥操作系统为人类探索空问环境和完成复杂的空间任务提供了便利。然而，由于信号的长距离传输，空间遥操作系统的回路时延通常可达几秒甚至几十分钟【1】。对于空间遥操作

3、，这种大时延将严重影响操作控制反馈的实时性和透明性，从而影响空间遥操作的安全性及可靠性，而且大的时变时延可能使系统失去稳定性。因此，许多学者针对遥操作系统的时延问题提出了多种控制方法[2_14】。自从Anderson提出基于无源的控制算法以保证系统的稳定性后，很多学者将该方法应用于位置跟踪，时变时延的稳定性分析，以及许多其他的控制目标中M。然而，基于无源性理论的控制算法虽然能保证任何时延下的稳定性，但是当时延超过2s时系统透明性严重下降旧。另一种遥操作系统的控制方法是基于日。理论的方法，Leung和Francis等人[61将时延建模为系统扰动，根据

4、仙一综合设计控制器使系统满足稳定性的同时，还对这种时延扰动具有鲁棒性。文献【7_8J在假设时延有上界的情况下，设计了日。控制器使得遥操作系统稳定，且满足给定的性能指标。这些方法都需要假定时延的上界，然后再优化一个全局目标，因此若假定的时延上界较大则得到的结果必然保守，而假定的时延上界较小却又很难适应各种实际情况。另外，日本的Imaida等人【，1采用比例微分(ProportionDifferentiation，PD)控制方法在大约7s的回路时延下使得双边遥操作系统稳定，而且在ETS—VII型卫星上成功完成了斜坡跟踪和插孑L试验。由于模型预测控制(m

5、odelpredictivecontrol，MPC)在补偿大时延和解决输入输出约束等方面具有很大的优势，因此学者们提出将MPC用于遥操作系统的控制中陋川。Sheng和Spong[10】提出了一种改进的模型预测控制方法解决遥操作系统的时延和输收稿日期：2012—10—10；修回日期：2013—02—27基金项目：国家自然科学基金(61005069)作者简介：李艳华(1983一)，女，博士研究生，研究方向为遥操作、预测控制与网络化控制系统。E-mail：yangyh@sia．1313．第2期杨艳华等：基于时延预测的空间遥操作系统广义预测控制31人输出约

6、束问题。该方法能够提高双边遥操作系统在时延不确定情况下的鲁棒性，但是该方法只适用于固定时延的情况。2005年，Slama等⋯J将广义预测控制(generalizedpredictivecontrol，GPC)方法用于控制具有通讯时延和力反馈的双边遥操作系统，提出了一种时延GPC(DelayedGPC)而且将机械时延系统的H—freeness代数性质应用于从端以实现位置跟踪。但是该方法也只考虑了固定时延的情况。2007年，Slama等又提出一种改进的GPC方法，即双边广义预测控制器(BGPC)[121。他们将这一控制器用于具有通讯延时和从端力反馈的遥

7、操作系统中，考虑由于实时力反馈改变了参考轨迹导致参考轨迹预先未知的情形。而且，他们采用该方法对具有从端力反馈，变时延和数据丢失等特征的比例遥操作系统进行了试验，取得了良好的控制效果【131。陈丹和席宁等【14针对互联网遥操作系统提出了一种基于事件的GPC方法。该方法通过寻找一个与时间无关或者非时间显函数的变量即事件作为运动参考，主端通过设计一个基于时延预测的路径管理器在线产生一个适当的预测事件，从端通过设计一个广义预测控制器计算冗余的控制信息以减小数据丢包和大时延对系统的影响。然而，这些算法要么只考虑固定时延，要么只考虑互联网的时变小时延，均忽略了

8、时变时延大于1s的情形。而且，现有方法通常将主端和从端看作是单自由度机械臂模型[12,131，然而在实际应用中往往需要多自