1.  緒論 

1.1   課題的研究背景和意義
計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)控制由封閉的集中體系向開放分布式體系發(fā)展[1]。很多工業(yè)公司和機(jī)構(gòu)都對(duì)遠(yuǎn)程工業(yè)控制和工廠自動(dòng)化產(chǎn)生了很高的興趣，這也促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展。當(dāng)時(shí)被應(yīng)用于汽車工業(yè)的CAN(Controller Area Network)總線是 Robert Bosch 于 1983 年提出，現(xiàn)在也被應(yīng)用于其他工業(yè)領(lǐng)域[2]。Profibus 協(xié)議是德國(guó)公司于 1987 年提出的，它是一個(gè)廣播總線協(xié)議，是一個(gè)主/從系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)控制中，大部分協(xié)議是可靠、魯棒的。同時(shí)以太網(wǎng)也得到了迅速發(fā)展，價(jià)格不斷下降，傳輸速度不斷提升，用途也不斷擴(kuò)大。因特網(wǎng)的流行，把這些網(wǎng)絡(luò)帶進(jìn)了很多的組織。控制應(yīng)用能夠利用這些網(wǎng)絡(luò)連接到因特網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的遠(yuǎn)程控制。最后 NCS 出現(xiàn)，成為現(xiàn)在工業(yè)控制中的主流[3]。把計(jì)算機(jī)等智能硬件作為數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)，帶來了很多好處。通過網(wǎng)絡(luò)在用戶之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)交換，降低了成本，也易維護(hù)[4]。網(wǎng)絡(luò)控制在雷達(dá)、感應(yīng)加熱、機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[5-10]。 與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，NCS 中多了網(wǎng)絡(luò)，NCS 也必然擁有網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包及數(shù)據(jù)亂序等網(wǎng)絡(luò)特性  [11]。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)特性對(duì)開環(huán)的開關(guān)系統(tǒng)影響不大，但是對(duì)于控制性能要求高的系統(tǒng)，往往需要反饋數(shù)據(jù)來較正系統(tǒng)輸出，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)控制性能會(huì)有很大的影響，會(huì)使控制系統(tǒng)的性能降低，或者引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。針對(duì)不同的 NCS，這些特性又可能會(huì)不一樣，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響也可能會(huì)不一樣。設(shè)計(jì)控制器時(shí)，不僅要考慮本地系統(tǒng)模型，仍然需要考慮網(wǎng)絡(luò)所帶來的一些特性，只有這樣才能使系統(tǒng)具有更好的性能。 
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1.2   NCS 體系架構(gòu)
NCS 體系架構(gòu)如圖 1.1，主要分為控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象、傳感器、網(wǎng)絡(luò)[12]。如果執(zhí)行器和傳感器不具備網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，系統(tǒng)則需要一個(gè)具備網(wǎng)絡(luò)功能并能夠與傳感器和執(zhí)行器傳遞數(shù)據(jù)的中間件。傳感器獲得被控對(duì)象的信息數(shù)據(jù)，由網(wǎng)絡(luò)傳給控制器，控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過網(wǎng)絡(luò)把處理的數(shù)據(jù)結(jié)果傳給執(zhí)行器，調(diào)整執(zhí)行器的輸出，并對(duì)被控對(duì)象的被控屬性產(chǎn)生影響。如此不斷調(diào)整，最終使被控對(duì)象達(dá)到想要的效果�？刂破鞯墓δ苄枰邮站W(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)具體的控制算法程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再把處理結(jié)果發(fā)送出去。控制器則是需要具有網(wǎng)絡(luò)功能的，，并且具的較好的人機(jī)交互體驗(yàn)，一般為計(jì)算機(jī)或智能設(shè)備。計(jì)算機(jī)或智能設(shè)備都是很好的軟件運(yùn)行平臺(tái)，能夠運(yùn)行復(fù)雜的軟件。根據(jù)需要可以設(shè)計(jì)人機(jī)交互方便，界面友好的軟件。 傳感器的選擇，則是根據(jù)被控對(duì)象的屬性決定的，可以選擇溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、濕度傳感器等等。它可以是數(shù)字的，也可以是模擬的。當(dāng)它是模擬的時(shí)候，則需要系統(tǒng)中有 A/D 轉(zhuǎn)換器，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，方便數(shù)據(jù)的傳輸。 執(zhí)行器是能夠改變被控對(duì)象屬性的器件，一般都是把電能轉(zhuǎn)化為熱能，動(dòng)能，勢(shì)能，電磁能等其它形式的能量。它可以是電壓控制，電流控制。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.  網(wǎng)絡(luò)化半導(dǎo)體制冷系統(tǒng) 

2.1   網(wǎng)絡(luò)化半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)化半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)由遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī) PC1、本地計(jì)算機(jī) PC2、網(wǎng)絡(luò)、AD 板卡、PWM 板卡、恒溫器、珀?duì)栙N制冷裝置、溫度傳感器組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框圖如圖 2.1所示。兩個(gè)板卡插在 PC2 主板的插槽中，均未畫出來。兩個(gè)板卡由專用轉(zhuǎn)接端子與信號(hào)調(diào)理板相連。溫度傳感器輸出的溫度信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理板放大，然后由 PC2控制 AD 板卡采集。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)，傳送到 PC1。PC1 根據(jù)得到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行控制算法的運(yùn)算，得到控制器輸出，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)，再傳送到 PC1。PC1 根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，控制 PWM 板卡，輸出相應(yīng)占空比的 PWM 波，控制珀?duì)栙N的制冷能力，從而調(diào)節(jié)恒溫器的溫度。
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2.2   珀?duì)栙N制冷裝置 
半導(dǎo)體制冷的理論主要包括塞貝克(Seebeck)效應(yīng)、珀?duì)栙N(Peltire)效應(yīng)和湯姆遜(Thomson)效應(yīng)，但在熱電制冷分析中，通常忽略湯姆遜效應(yīng)的影響[48]。珀?duì)栙N效應(yīng)是電流通過兩種不同的導(dǎo)體時(shí)，將從外界吸收熱量或向外釋放出熱量。塞貝克效應(yīng)是兩種不同的導(dǎo)體存在溫差，則導(dǎo)體兩端將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。湯姆遜效應(yīng)是指當(dāng)電流通過具有濕度梯度的均勻?qū)w時(shí)，導(dǎo)體將吸收熱量或放出熱量。珀?duì)栙N效應(yīng)和塞貝克效應(yīng)是兩個(gè)相反的作用。本文中主要用到珀?duì)栙N效應(yīng)，半導(dǎo)體制冷片兩端加上電壓后，緊貼恒溫器的半導(dǎo)體冷面將會(huì)降溫，使恒溫器的溫度下降。 半導(dǎo)體制冷的結(jié)構(gòu)如圖 2.2，把一個(gè) N 型和 P 型半導(dǎo)體的粒子用金屬導(dǎo)體焊接而成一個(gè)電偶對(duì)。當(dāng)半導(dǎo)體加上直流電，電子由負(fù)極出發(fā)經(jīng)過金屬導(dǎo)體流向第 1 個(gè)P 型半導(dǎo)體，然后經(jīng)過金屬導(dǎo)體流向第 1 個(gè) N 型半導(dǎo)體，再經(jīng)過金屬導(dǎo)體流向第 2個(gè) P 型半導(dǎo)體，最終回到電源正極�？昭◣в信c電子相反的電荷，在電動(dòng)勢(shì)的作用下，運(yùn)動(dòng)方向與電子相反。P 型半導(dǎo)體中空穴能量大于金屬導(dǎo)體中的空穴的能量，而 N 型半導(dǎo)體中電子勢(shì)能大于金屬導(dǎo)體中電子勢(shì)能。能量高的粒子移動(dòng)到低能量時(shí)，會(huì)放出熱量，相反，則會(huì)吸收熱量。在此結(jié)構(gòu)中，在圖 2.2 所示的電場(chǎng)的作用下，N 型半導(dǎo)體的上部與金屬導(dǎo)體的結(jié)合處，電子向下運(yùn)動(dòng)，而 P 型半導(dǎo)體的上部與金屬導(dǎo)體的結(jié)合處，空穴也向下運(yùn)動(dòng)，都是向能量高處運(yùn)動(dòng)，都會(huì)吸收熱量。而N 型半導(dǎo)體的下部與金屬導(dǎo)體的結(jié)合處，電子向上運(yùn)動(dòng)，而 P 型半導(dǎo)體的下部與金屬導(dǎo)體的結(jié)合處，空穴也是向上運(yùn)動(dòng)，都是向能量低處運(yùn)動(dòng)，都會(huì)放出熱量。所以半導(dǎo)體制冷片的上部金屬導(dǎo)體不斷從外界吸收熱量，變?yōu)槔涠�，下部金屬�?dǎo)體不斷向外界釋放熱量，變?yōu)闊岫�。�?dāng)電場(chǎng)方向相反時(shí)，所有粒子都會(huì)逆向運(yùn)動(dòng)，吸熱部位則會(huì)變成放熱部位，放熱部位則會(huì)變成吸熱部位，冷端與熱端則會(huì)相互調(diào)換。由于一個(gè)電偶對(duì)在通電過程中的，冷端的吸熱能力與熱端的放熱能力都是有限的，所以半導(dǎo)體制冷片一般是成千上萬個(gè)電偶對(duì)的組合。
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3.  網(wǎng)絡(luò)化半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)建模 ........ 20 
3.1   恒溫器建模的熱力學(xué)方程 ...... 20
3.2   半導(dǎo)體制冷建模 ........ 21 
3.3   恒溫器建模 ......... 22 
3.4   網(wǎng)絡(luò)化半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)模型 ......... 23 
3.5   本章小結(jié) ...... 24 
4.  基于 CGT 的模型輸出跟蹤控制 ......... 25 
4.1   并行補(bǔ)償器 ......... 25 
4.2   魯棒穩(wěn)定反饋控制器 ....... 26
4.3   CGT 跟蹤控制器 ....... 27 
4.4   仿真及實(shí)驗(yàn) ......... 29 
4.5   本章小結(jié) ...... 31 
5.  基于 CGT 的自適應(yīng)模型輸出跟蹤控制 .... 32 
5.1   自適應(yīng)前饋控制器 .... 33 
5.1.1   系統(tǒng)辨識(shí) ...... 33
5.1.2   自適應(yīng) CGT 跟蹤控制 ..... 35 
5.2   仿真及實(shí)驗(yàn) ......... 37 
5.2.1   仿真 ....... 37 
5.2.2   實(shí)驗(yàn) ....... 40 
5.3   本章小結(jié) ...... 43 

5.  基于 CGT 的自適應(yīng)模型輸出跟蹤控制

本文第 3 部分模型的建立只是給出了幾個(gè)重要熱力學(xué)過程的理論模型，沒有考慮各個(gè)熱力學(xué)過程之間的影響；液體流量沒有控制，所以在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，液體的質(zhì)量與空氣的體積都會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化；當(dāng)周圍環(huán)境溫度變化時(shí)，模型參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。所以本文的對(duì)象的模型參數(shù)是時(shí)變的，如果控制器調(diào)整不及時(shí)，就會(huì)影響系統(tǒng)的跟蹤性能，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。 開環(huán)控制器主要用于輸入與輸出數(shù)據(jù)之間關(guān)系是確定的系統(tǒng)，且系統(tǒng)內(nèi)部不存在干擾或外部干擾對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響很小。如果外部干擾對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生了不良的影響，但影響不大，也可以用開環(huán)控制器，但需要對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償。如果干擾無法預(yù)計(jì)，且在系統(tǒng)在運(yùn)行中影響很大，或者系統(tǒng)模型的某些參數(shù)且有不確定性，常常采用閉環(huán)控制器。通過反饋可以使系統(tǒng)的控制器，根據(jù)誤差來調(diào)整控制信號(hào)，使系統(tǒng)整體對(duì)外部及內(nèi)部的一些變化具有抑制作用，保證系統(tǒng)性能。對(duì)于數(shù)學(xué)模型可以被事先確定的對(duì)象或過程，一般控制器都能夠達(dá)到很好的效果。但對(duì)于那些數(shù)學(xué)模型很難確定，數(shù)學(xué)模型會(huì)在運(yùn)行過程中發(fā)生較大范圍變化的被控對(duì)象或被控過程，常規(guī)控制器就達(dá)不到很好的控制效果。后來則出現(xiàn)了自適應(yīng)控制，能夠解決常規(guī)控制器無法解決的問題[53]。 

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結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了網(wǎng)絡(luò)控制的背景，并分析了網(wǎng)絡(luò)控制的研究現(xiàn)狀。同時(shí)搭建了基于半導(dǎo)體制冷的網(wǎng)絡(luò)化溫度控制系統(tǒng)。利用 HORB 網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了通信程序的跨平臺(tái)運(yùn)行。在程序的處理下，把隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變成確定的。然后根據(jù)搭建的NCS，建立了模型。根據(jù)溫度控制系統(tǒng)易受環(huán)境影響，并且此對(duì)象運(yùn)行過程中，內(nèi)部參數(shù)也易發(fā)生變化的現(xiàn)象，提出了一種基于 CGT 的自適應(yīng)模型輸出跟蹤控制器。此控制器主要思想是在線辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)變化調(diào)整 CGT 控制器。根據(jù) CGT 理論中對(duì)象需要滿足 ASPR 條件，設(shè)計(jì)了一個(gè)并行補(bǔ)償器。還通過反饋控制來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后實(shí)驗(yàn)說明了此控制器在溫度等大慣性 NCS 中具有較好的性能。 本文雖然搭建了一個(gè) NCS，并提出了一種新的控制器，也取得了一些進(jìn)展，但也存在一些不足，希望能在以下方面有些進(jìn)步：HORB 平臺(tái)大大增加了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，希望能夠改進(jìn)程序或編寫新的網(wǎng)絡(luò)通信程序，減少網(wǎng)絡(luò)通信程序?qū)φ麄�(gè)系統(tǒng)時(shí)延的影響；雖然設(shè)計(jì)了并行補(bǔ)償器，擴(kuò)大了控制器的使用范圍，但應(yīng)用范圍依然有限，希望再次擴(kuò)大控制器的應(yīng)用范圍；本文從網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的確定性出發(fā)，進(jìn)行研究。希望以后能在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的隨機(jī)方便取得一定進(jìn)展。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：58906