[发明专利]一种双边遥操作混合控制系统及其设计方法

权利要求书

1.一种双边遥操作混合控制系统，包括双边遥系统，所述双边遥系统由依次连接的操作单元、主机器人、数字控制单元、从机器人和执行单元组成，其特征在于，还包括模拟控制单元，所述模拟控制单元与数字控制单元并联；

所述模拟控制单元由依次连接的外部连续时间位移控制电路和内部电流控制电路组成；

所述外部连续时间位移控制电路主要由FPAA芯片和两个作为电压放大器的运算放大器三UIA3组成，每个运算放大器三UIA3的同相输入端均通过电阻R₀接地，每个运算放大器三UIA3的反相输入端和其输出端通过电阻R₅连接；FPAA芯片的IOCell1脚、IOCell2脚的输入端均分别与均与主机器人位移输出电压V_m、从机器人位移输出电压V_s连接；FPAA芯片的IOCell4脚、IOCell3脚的输出端均各自通过一个电阻R₄分别与两个运算放大器三UIA3的反相输出端连接；

所述内部电流控制电路由两组模拟控制电路组成，每组模拟控制电路均由作为误差计算器的运算放大器四UIA4、作为PI控制器的运算放大器五UIA5、作为缓冲器的运算放大器六UIA6和作为反相放大器的运算放大器六UIA6，运算放大器四、五、六和七的正、负电源端分别接入直流电源Vss、-Vss，运算放大器四、五和七的同相输入端分别通过电阻R₁₈、R₁₉和R₂₀接地；运算放大器四UIA4的反相输入端通过一个电阻R₇与运算放大器七UIA7的输出端连接，运算放大器四UIA4的反相输入端和其输出端之间通过电阻R₈连接，运算放大器五UIA5的反相输入端分别通过电阻R₉和R₁₀与运算放大器四UIA4的输出端和电容C的正极连接，电容C的负极分别与运算放大器五UIA5的输出端和运算放大器六UIA6的同相输入端，电容C还与电阻R₁₁并联，运算放大器六UIA6的反相输入端和其输出端之间连接，运算放大器六UIA6的输出端经稳压二极管分为与电阻R₁₄和R₁₂的一端连接，电阻R₁₄和R₁₂的另一端分别与地和运算放大器七UIA7的反相输入端连接，运算放大器七UIA7的反相输入端和其输出端之间通过电阻R₁₃连接；

内部电流控制电路中的两个运算放大器四UIA4的反相输入端各自通过一个电阻R₇与两个运算放大器三UIA3的输出端连接；

运算放大器六UIA6和电阻R₁₂远离运算放大器七UIA7的一端分别与主机器人的驱动电机的两电源输入端连接；模拟控制电路二中运算放大器六UIA6和电阻R₁₂远离运算放大器七UIA7的一端分别与从机器人的驱动电机的两电源输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种双边遥操作混合控制系统，其特征在于，运算放大器四UIA4、运算放大器五UIA5和运算放大器六UIA6均采用LM741芯片；运算放大器七UIA7采用MC33171P芯片；运算放大器三UIA3采用LM324芯片；所述FPAA芯片采用AN131E04或AN231E04芯片。

3.根据权利要求1或2所述的一种双边遥操作混合控制系统，其特征在于，所述FPAA芯片的IOCell4脚、IOCell3脚的输出端通过Rauch平滑滤波器后的两输出均各自通过一个电阻R₄分别与两个运算放大器三UIA3的反相输出端连接。

4.一种双边遥操作混合控制系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将由外部连续时间位移控制电路和内部电流控制电路组成的模拟控制单元并联地连接到双边遥系统中的数字控制单元上；

步骤二：根据外部连续时间位移控制电路中变幅器、PD控制器和电压放大器的饱和特性推导出双边遥系统的约束条件如下：

a:|V_m|≤V_F,|V_s|≤V_F,|V_PD|≤V_F；

b:|V_PD|＝|(K_p+sK_d)(V_s-V_m)|；

c:

式中，V_m和V_s分别为主、从机器人位移输出电压；

V_PD是作为PD控制器的运算放大器二UIA2的输出电压；

V_F＝3.3V，V_F是保护运算放大器的饱和电压值；

V_ss＝12V，V_ss是所有运算放大器的偏置电压；

V_ref是作为电压放大器的运算放大器三UIA3的输出电压；

s为拉普拉斯常数；

步骤三：以保证主机器人的强力反馈及从机器人的准确位移控制为原则，通过步骤二中的约束条件b和约束条件c中公式的联立可得到最佳控制增益公式

|Vs-Vm||Vref|=R4R5·1Kp+sKd---(1);]]>

在确保运算放大器不会达到饱和状态以及发动机不会发生过载保护的前提下计算得到

|max(V_ref)|≤7.1V (2)；

联立公式(1)和公式(2)联立得到

步骤四：根据步骤二中的约束条件b中公式推导出主、从机器人在初始位置时不会导致外部连续时间位移控制电路中的运算放大器饱和的约束条件，

|Vs-Vm|=|VPD|Kp+s·Kd≤max(VPD)Kp+s·Kd---(4);]]>

并将公式(4)与步骤二中的约束条件a中公式|V_PD|≤V_F联立得到

|Vs-Vm|≤1Kp+s·Kd×3.3V---(5);]]>

步骤五：根据步骤二中约束条件b中的公式、步骤三中的公式(3)和步骤二中约束条件a中的公式|V_PD|≤V_F联立得到

|VPD|=|(Kp+s·Kd)(Vs-Vm)|≤R4R5×7.1V≤3.3V---(6);]]>

由公式(6)整理出

步骤六：确定参数G_m、G_s、G_1m、G_2m、G_1s、G_2s和F_c的数值，通过PD控制增益公式推导出K_pm、K_ps、K_dm和K_ds，并取K_p＝K_pm＝K_ps，K_d＝K_dm＝K_ds，以保证步骤三中的公式(3)、步骤四中的公式(5)和步骤五中的公式(7)均能成立；

所述PD控制增益公式如下：

K_pm＝G_1m-G_m·G_2m,K_dm＝(G_m·G_2m)/F_c (8)；

K_ps＝G_1s-G_s·G_2s,K_ds＝(G_s·G_2s)/F_c (9)；

其中：K_pm、K_ps分别表示主从机器人的比例增益值；

K_dm、K_ds分别表示主从机器人的微分增益值；

G_m、G_s分别表示主从机器人控制器中延迟增益模块的增益值；

G_1m、G_2m分别表示主机器人控制器中加法模块的两个输入增益值；

G_1s、G_2s分别表示从属机器人控制器中加法模块的两个输入增益值；

F_c表示信号频率。