[发明专利]一种双边遥操作混合控制系统及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及双边遥操作系统，具体涉及一种双边遥操作混合控制系统及其设计方法。

背景技术

双边遥操作控制系统的设计需要满足系统稳定性和系统透明性的要求，以实现信息反馈的真实性和实时性。若系统的透明性无法达到理想值，就会降低信息反馈的强度，影响双边遥操作任务效果。因此，研究同时满足高稳定性和高透明性的双边遥操作控制系统是十分必要的。目前，对影响控制系统性能因素的研究，主要针对通讯网络的延迟、终端无源性等，而很少涉及控制器离散化带来的影响。

现有的双边遥系统中多采用单一控制方式，纯模拟控制方式或者纯数字控制方式。纯模拟控制系统在设计过程中不易调试，一旦完成实体也不易于进一步修改，纯数字控制系统中比例增益和采样周期间存在着一种相互制约的关系，并且两者的乘积必须小于一个为了保证稳定性而存在的上限，因此纯数字控制的遥操作系统的性能受到了限制，无法提高控制增益。

同时，由于数字技术的发展，双边遥操作系统控制器的设计大都摒弃了耗费时间的模拟设计方法。但是模拟设计的优势也被同时摒弃掉，继而严重影响系统的稳定性和性能。这主要是因为离散化后，双边遥操作系统的稳定性条件给离散控制增益和采样周期设置了上限，两者间存在了一种平衡关系。也就是说，控制器的离散化会损害双边遥操作系统的稳定性。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种双边遥操作混合控制系统及其设计方法，该系统能既能有效降低控制器离散化对双边遥操作系统的影响，又能在保证系统稳定性的同时提高控制增益上限，能有助于系统稳定性和性能的提高；该方法结合可编程模拟门阵列FPAA，能设计出基于混合方法控制下的双边遥操作系统，能够使双边遥系统同时具有基于FPAA控制和数字控制相结合的优势。

为了实现上述目的，本发明提供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；