论文总字数：34489字

摘 要

随着虚拟现实技术的发展，触觉再现技术也越来越引起了学者们的关注，尤其热触觉感知再现技术。由于半导体材料的产生与热电理论的完善，人们对热触觉感知再现技术的研究也在不断加强，其中离不开半导体制冷片——帕尔贴模块表面温度的控制。本文主要研究的是帕尔贴的温度控制算法。

首先，文章介绍了帕尔贴器件和基于干扰观测器控制的相关理论知识和发展，利用了基于等效电路的热网模型方法对控制对象——单层帕尔贴进行了建模。由于帕尔贴系统存在一定的模型不确定性和外部的干扰，需要对其设计抗干扰控制来使其表面温度达到所需的目标。

首先采用热网络模型方法对帕尔贴表面温度进行建模，接着采用传统的PI控制算法使得系统温度能够稳定在设定值。然后为了消除扰动对于系统的影响，提升系统的鲁棒性，根据系统模型设计了热扰动观测器，通过热扰动观测器来估计扰动值并对其进行前馈补偿。采用了一种热扰动观测器和渐近反馈控制相结合的复合控制算法，增强了系统的抗干扰能力。最后在Simulink的仿真平台上进行数值仿真，并将三种方法进行对比，从仿真结果中可以得出基于热干扰观测器的渐进反馈控制算法具有更好的控制性能。

关键词：温度触觉再现；单层帕尔贴器件；热扰动观测器；渐进反馈复合控制

Abstract

With the development of virtual reality technology, tactile reappearance technology has attracted more and more attention of scholars, especially thermal tactile reproduction technology. Due to the generation of semiconductor materials and the improvement of thermoelectric theory, with this technology focused on continuously, its realization device, namely the semiconductor refrigerating device – Peltier surface temperature control is the key. In the work the temperature control algorithm of the Peltier is studied.

Firstly, the thermal network model method is used to model the Peltier surface temperature, and then the traditional PI control algorithm is used to make the system temperature stable at the set value. Next, in order to eliminate the influence of disturbance on the control system and improve its robustness, the thermal disturbance observer is designed according to the system model, and the disturbance value is estimated by the thermal disturbance observer and compensated by feedforward.

More, a composite control algorithm based on thermal disturbance observer and asymptotic feedback control is applied to enhance the anti-interference ability of the system. Finally, the numerical simulation is carried out on the Simulink simulation platform, and the three method results are compared. From the simulation results, it can be concluded that the progressive feedback control algorithm based on thermal disturbance observer has best control performance of the three.

Keywords: temperature tactile reproduction; single-layer Peltier device; thermal disturbance observer; gradual feedback compsite control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究的目的与意义 1

1.2 帕尔贴器件 2

1.2.1 帕尔贴热触觉再现器件简介 2

1.2.2 热触觉再现模型的研究现状 4

1.2.3 帕尔贴系统温度控制算法的研究现状 5

1.3 基于干扰观测器控制的研究现状 5

1.4 仿真实现平台 6

1.5 论文结构框架 7

第二章 方案综述 9

2.1 热电理论 9

2.1.1 三大热电效应 9

2.1.2 三种效应的关系 12

2.2 DOBC 基本原理 13

2.3 预备知识 16

2.4 帕尔贴控制系统整体设计 17

2.5 本章小结 18

第三章 控制算法 19

3.1 帕尔贴热传导过程建模 19

3.2 PID控制 22

3.3 基于热扰动观测器的控制 27

3.3.1 扰动热流的定义 27

3.3.2 热干扰观测器设计 27

3.4 控制器设计 30

3.5 本章小结 31

第四章 控制系统仿真 32

4.1 PI控制 32

4.2 热干扰观测器控制 33

4.3 渐进反馈 热干扰观测器控制 35

4.4 本章小结 37

第五章 总结与展望 38

5.1 总结 38

5.2 展望 38

参考文献 39

致 谢 42

绪论

研究的目的与意义

触觉在人的视觉、味觉、听觉、嗅觉、触觉等感觉中，是一种复杂的感觉，它是多种感觉的综合，是接触、滑动、压觉等机械刺激的总称，是一种重要的信息载体。然而，在目前的通信工程中，只有音频信息和视觉信息是能够被传输，其他类型的信息目前都还不能被传输，所以，在目前语音通信、视频通信的基础上，为了使通信更具有临场感和真实感，触觉作为除听觉和视觉之后的第三种多媒体信息载体，越来越有必要实现其传播。

触觉可分为力触觉、纹理触觉还有温度触觉。目前，相比较于温度触觉的缓慢发展而言，力触觉和纹理触觉凭借着力传感器及图像处理技术的迅速发展，取得了较为突出的成绩。但是在感知和复现方面来说，温度触觉相对于其他两者来说，会显得更加直观，并且更容易复现，温度触觉所构成的复现器件也会更方便于集化到整个虚拟现实器件中。并且随着半导体材料的产生与热电理论的完善，触觉再现技术也正在得到越来越多的关注与研究。触觉再现技术是近年来的新兴技术，是一类重要的人机接口器件，它不仅能让操作者真实地感知虚拟物体的粗糙度、纹理、温度等信息, 还可以与视觉、听觉通道融合,因此可以提高人机交互的真实感和临场感，达到真实与虚拟温度触觉的效果，所以它现在是人们研究用户和机器之间交互的一个很大的热点。

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