帕尔贴温度触觉感知再现装置的滑模控制算法研究

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虚拟现实技术是21世纪最突出的成就之一,其涉及领域多,应用范围广。温度触觉感知再现作为虚拟现实领域的一个重要分支,受到越来越多的研究者的重视。在温度触觉再现领域,帕尔贴芯片因为其结构精巧,安全环保不产生噪声和氟利昂,因此最为常用。由于帕尔贴设备模型存在诸多非线性因素,加上温度这一物理量本身较为敏感,研究具有好的动态特性的帕尔贴温度控制算法具有重要的理论意义和实际应用价值。滑模变结构控制具有良好的动态响应和很强的鲁棒性。本文首先以单层帕尔贴温度触觉再现设备表面温度为研究对象,对其进行精确建模,并设计滑模控制策略。一方面,设计了有限时间扰动观测器以估计外界不确定扰动,采用有限时间前馈补偿和滑模反馈控制的相结合的方式,消除了扰动对系统的影响,解决了单层帕尔贴表面温度跟踪问题;另一方面,针对控制量不连续的问题并提升滑模面的动态性能,基于扰动观测器采用连续滑模和积分滑模相结合的方法,设计了连续线性积分滑模和连续终端积分滑模。通过仿真和实验得出连续积分滑模控制策略拥有了连续的输入信号并成功降低系统的抖振,并且相比于线性滑模面,系统在终端滑模面上具有更快的收敛速度。由于实际需求的提升,单层帕尔贴不能达到更大的制冷温差,为了解决这一问题,本文采用双层帕尔贴模型,将两个单层帕尔贴进行并联,成功的扩大了系统控制的温差范围。在控制算法方面,针对双层帕尔贴热网络模型,上层和下层不同形式的扰动分别采用有限时间扰动观测器以估计各自的扰动。针对于各子系统,设计连续终端积分滑模控制策略。通过有限时间Lyapunov稳定性分析证明了该方法能实现双层帕尔贴系统各层温度的快速稳定。通过仿真和实验,与有限时间非光滑控制相比,在同样是有限时间收敛的情况下,连续终端积分滑模控制策略具有更好的抗干扰性能。
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