红色的字是新加入或修改的内容目录摘要 (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。