网络化系统的自适应跟踪控制研究

发布时间：2016-06-19 05:27

1.  绪论 

1.1   课题的研究背景和意义
计算机与网络技术的发展，促进了网络控制的发展。网络控制由封闭的集中体系向开放分布式体系发展[1]。很多工业公司和机构都对远程工业控制和工厂自动化产生了很高的兴趣，这也促进了网络协议的发展。当时被应用于汽车工业的CAN(Controller Area Network)总线是 Robert Bosch 于 1983 年提出，现在也被应用于其他工业领域[2]。Profibus 协议是德国公司于 1987 年提出的，它是一个广播总线协议，是一个主/从系统。在实时控制中，大部分协议是可靠、鲁棒的。同时以太网也得到了迅速发展，价格不断下降，传输速度不断提升，用途也不断扩大。因特网的流行，把这些网络带进了很多的组织。控制应用能够利用这些网络连接到因特网，实现更远距离的远程控制。最后 NCS 出现，成为现在工业控制中的主流[3]。把计算机等智能硬件作为数据结点，带来了很多好处。通过网络在用户之间进行数据传输与数据交换，降低了成本，也易维护[4]。网络控制在雷达、感应加热、机器人、航空航天等领域都有广泛的应用[5-10]。 与传统控制系统相比，NCS 中多了网络，NCS 也必然拥有网络时延、数据丢包及数据乱序等网络特性  [11]。网络时延等网络特性对开环的开关系统影响不大，但是对于控制性能要求高的系统，往往需要反馈数据来较正系统输出，网络时延对控制性能会有很大的影响，会使控制系统的性能降低，或者引起系统的不稳定。针对不同的 NCS，这些特性又可能会不一样，对整个系统的影响也可能会不一样。设计控制器时，不仅要考虑本地系统模型，仍然需要考虑网络所带来的一些特性，只有这样才能使系统具有更好的性能。 
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1.2   NCS 体系架构
NCS 体系架构如图 1.1，主要分为控制器、执行器、被控对象、传感器、网络[12]。如果执行器和传感器不具备网络传输功能，系统则需要一个具备网络功能并能够与传感器和执行器传递数据的中间件。传感器获得被控对象的信息数据，由网络传给控制器，控制器对数据进行处理，然后通过网络把处理的数据结果传给执行器，调整执行器的输出，并对被控对象的被控属性产生影响。如此不断调整，最终使被控对象达到想要的效果。控制器的功能需要接收网络传输过来的数据，然后根据具体的控制算法程序，对数据进行处理，再把处理结果发送出去。控制器则是需要具有网络功能的，，并且具的较好的人机交互体验，一般为计算机或智能设备。计算机或智能设备都是很好的软件运行平台，能够运行复杂的软件。根据需要可以设计人机交互方便，界面友好的软件。 传感器的选择，则是根据被控对象的属性决定的，可以选择温度传感器、压力传感器、液位传感器、湿度传感器等等。它可以是数字的，也可以是模拟的。当它是模拟的时候，则需要系统中有 A/D 转换器，把模拟信号转换为数字信号，方便数据的传输。 执行器是能够改变被控对象属性的器件，一般都是把电能转化为热能，动能，势能，电磁能等其它形式的能量。它可以是电压控制，电流控制。它可以是直流控制，也可以是交流控制，也可以是 PWM 控制。 
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2.  网络化半导体制冷系统 

2.1   网络化半导体制冷系统总体设计
网络化半导体制冷系统由远端计算机 PC1、本地计算机 PC2、网络、AD 板卡、PWM 板卡、恒温器、珀尔贴制冷装置、温度传感器组成。实验系统的框图如图 2.1所示。两个板卡插在 PC2 主板的插槽中，均未画出来。两个板卡由专用转接端子与信号调理板相连。温度传感器输出的温度信号，经过信号调理板放大，然后由 PC2控制 AD 板卡采集。采集到的数据经过网络，传送到 PC1。PC1 根据得到的温度数据进行控制算法的运算，得到控制器输出，经由网络，再传送到 PC1。PC1 根据得到的数据，控制 PWM 板卡，输出相应占空比的 PWM 波，控制珀尔贴的制冷能力，从而调节恒温器的温度。
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2.2   珀尔贴制冷装置 
半导体制冷的理论主要包括塞贝克(Seebeck)效应、珀尔贴(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应，但在热电制冷分析中，通常忽略汤姆逊效应的影响[48]。珀尔贴效应是电流通过两种不同的导体时，将从外界吸收热量或向外释放出热量。塞贝克效应是两种不同的导体存在温差，则导体两端将会产生电动势。汤姆逊效应是指当电流通过具有湿度梯度的均匀导体时，导体将吸收热量或放出热量。珀尔贴效应和塞贝克效应是两个相反的作用。本文中主要用到珀尔贴效应，半导体制冷片两端加上电压后，紧贴恒温器的半导体冷面将会降温，使恒温器的温度下降。 半导体制冷的结构如图 2.2，把一个 N 型和 P 型半导体的粒子用金属导体焊接而成一个电偶对。当半导体加上直流电，电子由负极出发经过金属导体流向第 1 个P 型半导体，然后经过金属导体流向第 1 个 N 型半导体，再经过金属导体流向第 2个 P 型半导体，最终回到电源正极。空穴带有与电子相反的电荷，在电动势的作用下，运动方向与电子相反。P 型半导体中空穴能量大于金属导体中的空穴的能量，而 N 型半导体中电子势能大于金属导体中电子势能。能量高的粒子移动到低能量时，会放出热量，相反，则会吸收热量。在此结构中，在图 2.2 所示的电场的作用下，N 型半导体的上部与金属导体的结合处，电子向下运动，而 P 型半导体的上部与金属导体的结合处，空穴也向下运动，都是向能量高处运动，都会吸收热量。而N 型半导体的下部与金属导体的结合处，电子向上运动，而 P 型半导体的下部与金属导体的结合处，空穴也是向上运动，都是向能量低处运动，都会放出热量。所以半导体制冷片的上部金属导体不断从外界吸收热量，变为冷端，下部金属导体不断向外界释放热量，变为热端。当电场方向相反时，所有粒子都会逆向运动，吸热部位则会变成放热部位，放热部位则会变成吸热部位，冷端与热端则会相互调换。由于一个电偶对在通电过程中的，冷端的吸热能力与热端的放热能力都是有限的，所以半导体制冷片一般是成千上万个电偶对的组合。
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3.  网络化半导体制冷系统建模 ........ 20 
3.1   恒温器建模的热力学方程 ...... 20
3.2   半导体制冷建模 ........ 21 
3.3   恒温器建模 ......... 22 
3.4   网络化半导体制冷系统模型 ......... 23 
3.5   本章小结 ...... 24 
4.  基于 CGT 的模型输出跟踪控制 ......... 25 
4.1   并行补偿器 ......... 25 
4.2   鲁棒稳定反馈控制器 ....... 26
4.3   CGT 跟踪控制器 ....... 27 
4.4   仿真及实验 ......... 29 
4.5   本章小结 ...... 31 
5.  基于 CGT 的自适应模型输出跟踪控制 .... 32 
5.1   自适应前馈控制器 .... 33 
5.1.1   系统辨识 ...... 33
5.1.2   自适应 CGT 跟踪控制 ..... 35 
5.2   仿真及实验 ......... 37 
5.2.1   仿真 ....... 37 
5.2.2   实验 ....... 40 
5.3   本章小结 ...... 43 

5.  基于 CGT 的自适应模型输出跟踪控制

本文第 3 部分模型的建立只是给出了几个重要热力学过程的理论模型，没有考虑各个热力学过程之间的影响；液体流量没有控制，所以在系统运行过程中，液体的质量与空气的体积都会随时间发生变化；当周围环境温度变化时，模型参数也会发生变化。所以本文的对象的模型参数是时变的，如果控制器调整不及时，就会影响系统的跟踪性能，产生稳态误差。 开环控制器主要用于输入与输出数据之间关系是确定的系统，且系统内部不存在干扰或外部干扰对整个系统影响很小。如果外部干扰对系统产生了不良的影响，但影响不大，也可以用开环控制器，但需要对干扰进行补偿。如果干扰无法预计，且在系统在运行中影响很大，或者系统模型的某些参数且有不确定性，常常采用闭环控制器。通过反馈可以使系统的控制器，根据误差来调整控制信号，使系统整体对外部及内部的一些变化具有抑制作用，保证系统性能。对于数学模型可以被事先确定的对象或过程，一般控制器都能够达到很好的效果。但对于那些数学模型很难确定，数学模型会在运行过程中发生较大范围变化的被控对象或被控过程，常规控制器就达不到很好的控制效果。后来则出现了自适应控制，能够解决常规控制器无法解决的问题[53]。 

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结论

本文简要介绍了网络控制的背景，并分析了网络控制的研究现状。同时搭建了基于半导体制冷的网络化温度控制系统。利用 HORB 网络通信平台，实现了通信程序的跨平台运行。在程序的处理下，把随机网络时延变成确定的。然后根据搭建的NCS，建立了模型。根据温度控制系统易受环境影响，并且此对象运行过程中，内部参数也易发生变化的现象，提出了一种基于 CGT 的自适应模型输出跟踪控制器。此控制器主要思想是在线辨识系统参数，然后根据参数变化调整 CGT 控制器。根据 CGT 理论中对象需要满足 ASPR 条件，设计了一个并行补偿器。还通过反馈控制来实现系统的稳定性。最后实验说明了此控制器在温度等大惯性 NCS 中具有较好的性能。 本文虽然搭建了一个 NCS，并提出了一种新的控制器，也取得了一些进展，但也存在一些不足，希望能在以下方面有些进步：HORB 平台大大增加了网络时延，希望能够改进程序或编写新的网络通信程序，减少网络通信程序对整个系统时延的影响；虽然设计了并行补偿器，扩大了控制器的使用范围，但应用范围依然有限，希望再次扩大控制器的应用范围；本文从网络时延的确定性出发，进行研究。希望以后能在网络时延的随机方便取得一定进展。 
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参考文献(略)

本文编号：58906