Contribuciones al control y observación de sistemas de teleoperación háptica

Resumo

En este trabajo se estudiará la aplicación de un método de control no lineal llamado control reset o reseteado en sistemas de teleoperación a través de canales de comunicaciones. La principal ventaja del control reset es la posibilidad de superar ciertas limitaciones de los controladores lineales. El concepto de actuación es muy sencillo y con elementos de los que se conoce bien su funcionamiento. El control resultante es un control no lineal que presenta sus limitaciones pero también presenta posibilidades muy ventajosas respecto a los métodos clásicos de control. Básicamente un sistema de control basado en reset consta de un controlador lineal al que se ha incorporado un mecanismo de reseteo o reinicio a cero del estado. La puesta a cero del estado del controlador (o de alguna de sus coordenadas) se aplica sólo cuando se cumple cierta condición. La condición que activa o dispara el reseteo es normalmente el cruce por cero del error de seguimiento. La idea de control reseteado es antigua, se remonta al controlador de J.C. Clegg de 1958 y fue refundada en la década de los 70 por I. Horowitz, quien hizo hincapié en la capacidad de los sistemas reseteados para superar las limitaciones fundamentales que afectan a sistemas lineales con retardos o con polos o ceros en el semiplano derecho. En Horowitz y Rosenbaum (1975) se propuso el control reseteado de primer orden (FORE). Más actualmente, la técnica de control reset fue retomada por Beker en la pasada década en donde se aportaron resultados formales sobre la estabilidad, como la condición Hβ. Desde entonces, el control basado en reset está recibiendo nuevos impulsos por parte de diferentes grupos de investigación que contribuyen con avances en el análisis, diseño y aplicación experimental de sistemas reseteados. Algunos trabajos se formalizan en un marco de sistemas híbridos y el estudio de nuevas condiciones de reseteo con mayores ventajas. El análisis de los resultados es una tarea a tener en cuenta especialmente complicada debido a la naturaleza no lineal del controlador. Como consecuencia, se deben estudiar los sistemas a partir de su función descriptiva, que representa una aproximación, y por lo que se debe realizar métodos de comprobación muy cuidadosos para no llevar a conclusiones erróneas y comprobar la estabilidad y robustez del conjunto del sistema. El trabajo se centra en la sección de aplicación de control reset para tareas de teleoperación en donde se superan las limitaciones de un sistema lineal para la compensación de retardos que se producen en el lazo de control. La estructura básica de teleoperación consta de de un dispositivo maestro y otro dispositivo esclavo donde el primero es operado por un usuario y a través de un canal de comunicaciones se controla un dispositivo esclavo. Como variantes a este esquema básico se pueden realizar diversas modificaciones como puede ser, por ejemplo, la interacción entre múltiples maestros y esclavos en entornos cooperativos. En la parte de desarrollo teórico se estudiarán las formulaciones matemáticas que permitan estudiar la estabilidad de los sistemas y la aplicación de métodos para garantizarla en los sistemas ante problemas de comunicaciones que se pueden presentar. Por todo ello, una idea muy básica y muy efectiva es la aplicación de pasividad en el sistema que garantiza en todo momento que la energía de un sistema no aumente de forma autónoma. Para ello hay que utilizar condiciones del sistema cuidadosamente elegidas en los elementos que componen el sistema y en el canal de comunicaciones.Neste traballo estudarase a aplicación dun método de control non lineal chamado control reset ou reseteado en sistemas de teleoperación a través de canles de comunicacións. A principal vantaxe do control reset é a posibilidade de superar certas limitacións dos controladores lineais. O concepto de actuación é moi sinxelo e con elementos dos que se coñece ben o seu funcionamento. O control resultante é un control non lineal que presenta as súas limitacións pero tamén presenta posibilidades moi vantaxosas respecto dos métodos clásicos de control. Basicamente un sistema de control baseado en reset consta dun controlador lineal ao que se incorporou un mecanismo de reseteo ou reinicio a cero do estado. A posta a cero do estado do controlador (ou dalgunha das súas coordenadas) aplícase só cando se cumpre certa condición. A condición que activa ou dispara o reseteo é normalmente o cruzamento por cero do erro de seguimento. A idea de control reseteado é antiga, remóntase ao controlador de J.C. Clegg de 1958 e foi refundada na década dos 70 por I. Horowitz, quen fixo fincapé na capacidade dos sistemas reseteados para superar as limitacións fundamentais que afectan a sistemas lineais con retardos ou con polos ou ceros no semiplano dereito. En Horowitz e Rosenbaum (1975) propúxose o control reseteado de primeira orde (FORE). Máis actualmente, a técnica de control reset foi retomada por Beker na pasada década onde se achegaron resultados formais sobre a estabilidade, como a condición Hβ. Desde entón, o control baseado en reset está recibindo novos impulsos por parte de diferentes grupos de investigación que contribúen con avances na análise, deseño e aplicación experimental de sistemas reseteados. Algúns traballos formalízanse nun marco de sistemas híbridos e o estudo de novas condicións de reseteo con maiores vantaxes. A análise dos resultados é unha tarefa a ter en conta especialmente complicada debido á natureza non lineal do controlador. Como consecuencia, débense estudar os sistemas a partir da súa función descritiva, que representa unha aproximación, e polo que se debe realizar métodos de comprobación moi coidadosos para non levar a conclusións erróneas e comprobar a estabilidade e robustez do conxunto do sistema. O traballo céntrase na sección de aplicación de control reset para tarefas de teleoperación onde se superan as limitacións dun sistema lineal para a compensación de retardos que se producen no lazo de control. A estrutura básica de teleoperación consta de de un dispositivo mestre e outro dispositivo escravo onde o primeiro é operado por un usuario e a través dunha canle de comunicacións contrólase un dispositivo escravo.