固体界面传热自动测量系统软件 毕业论文 - 图文

本科毕业论文

题 目：固体界面传热自动测量系统软件

设计

学 生： zh

专 业： 自动化 年 级： 2008级 指导教师： 陈进 日 期： 2012年5月10日

上海第二工业大学本科毕业设计（论文）

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固体界面传热自动测量系统软件设计

摘要：在学校实验室条件下，应用已经设计组装好的固体界面传热自动测量系统：该测量系统由步进电机，发热电阻丝，温度传感器，压力传感器以及其他固定辅助部分构成。在充分了解设备工作方式和工作原理的基础上，利用dSPACE和Matlab/Simulink进行软件设计并进行实时仿真运行。首先用Simulink搭建了压力控制系统，即由步进电机系统组成的伺服系统，在Matlab软件中进行了离线仿真，在实验结果符合控制要求的基础上，利用dSPACE软件中相关组件，通过加入I/O口来替换方框图中步进电机系统模型，下载到dSPACE硬件中，以满足实时半实物仿真的要求。同样，温度控制部分先利用Simulink模型进行了实验验证，然后通过修改完善，下载到dSPACE硬件中进行实验。该方法免去了常规方法的编程步骤，节省了大量的时间，更改控制算法灵活。并且与完全虚拟仿真相比，半实物仿真的实验结果和数据更加可靠，更有实际应用价值。

关键词:界面传热：dSPACE；Matlab；传感器；半实物仿真

Software Design Of Solid Interface Heat Transfer Automatic

Measurement System

Abstract: In the school laboratory conditions, use the assembled solid interface heat transfer

automatic measurement system: the measurement system is made by stepping motor, heat resistance wire, temperature sensors, pressure sensor and other fixed auxiliary parts. In the full understanding of equipment and the working principle of work way basis, use Matlab/Simulink and dSPACE to conduct the software design. First using Simulink to build pressure control system, that consists of a stepping motor servo system, we has carried on the off-line simulation in the Matlab software, conforms to in the control request foundation in the experimental result, using the dSPACE software components, by joining the i / o port to replace the stepper motor system model block diagram, download it to dSPACE hardware, To meet the requirements of real-time semi-physical simulation. The temperature control part has similarly first carried on the experimental confirmation using the Simulink model, then through revision consummation, downloaded to the Dspace hardware to experiment. The method is different from the conventional method of programming steps, save a lot of time, the change of control algorithm and the simulation is flexible . And compared with the full virtual simulation, semi-physical simulation of the experimental results and data are more reliable, more practical.

Key words: interface heat transfer; dSPACE; Matlab; sensor; Semi-physical simulation

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目录

1 绪论 ............................................................ 1 1.1固体界面传热问题涉及的基本概念 ................................ 1 1.2固体表面传热研究的意义 ........................................ 1 1.3本课题研究范围及问题处理说明 .................................. 3 2 固体界面传热测量系统硬件介绍 .................................... 4 2.1系统结构组成 .................................................. 4 2.2步进电机 ...................................................... 5 2.3温度传感器 .................................................... 8 2.4压力传感器 ................................................... 10 2.5 电阻丝（加热器） ............................................ 12 3.控制系统软硬件介绍 ............................................. 15 3.1MATLAB简单介绍 ............................................... 16 3.2 SIMULINK的简单介绍 .......................................... 18 3.3 DSPACE介绍 .................................................. 20 3.4标准组件系统DS1005+各种I/O板卡 ............................. 21 4.程序编辑及仿真运行 ............................................. 22 4.1步进电机模型的搭建及仿真运行 ................................. 22 4.2温度控制系统的搭建及仿真 ..................................... 25 4.3 DSPACE系统软硬件的操作过程 .................................. 26 4.4数据采集处理及软件界面设计 ................................... 30 4.4毕业设计总结 ................................................. 30 致谢 ............................................................. 32 参考文献: ........................................................ 33

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1 绪论

1.1固体界面传热问题涉及的基本概念

汉语“界面”一词的意义是“物体与物体之间的接触面”(现代汉语词典，中国商务印书馆1988年出版，p583)。实际上，“界面”也指物体(物质)之间的连接面和连接层。普遍认为接触面两侧保持同一温度，即假定两层壁面之间保持了良好的接触。而在工程实际中由于任何固体表面之间的接触都不可能是紧密的，如图1所示，假设物体A的温度为t1，物体B的温度为t3，并且t1>t3，那么，根据热力学第二定律，热量会自动从A传递到B。热量在传递过程中必然通过AB界面，此时接触面两侧存在温度差。在这种情况下，两壁面之间只有接触的地方才直接导热，在不接触处存在空隙，热量是通过充满空隙的流体的导热、对流和辐射的方式传递的，因而存在传热阻力，称为接触热阻。产生接触热阻的主要原因是，任何外表上看来接触良好的两物体，直接接触的实际面积只是交界面的一部分（见图1），其余部分都是缝隙。热量依靠缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递，而它们的传热能力远不及一般的固体材料。根据热流的收缩程度，即温差的大小，定义界面热阻为：

（1）

式中，为界面热阻，为界面处产生的温差，Q为传递的热流，为名义的接触面积。

物体A物体BT温度t1t2at2bt31.2固体表面传热研究的意义

固体界面传热问题与人类息息相关，无论是人们日常生活、工农业生产，还

1

()X (距离)图1-1 接触面传热示意图

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动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。

控制指令脉冲发生控制单元功率驱动单元步进电机反馈与保护单元图2-5 步进电机控制系统功能框图

步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图2-5所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。

将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。

图2-6 实验中使用的步进电机驱动器

7

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2.3温度传感器

图2-7 实验中所使用的温度传感器

温度是过程检测与控制中的重要参量,在要求对温度进行精确测量和控制的条件下,铂热电阻是一种应用广泛的温度传感器,具有体积小、准确度高、测温范围宽、稳定性好、正的温度系数等特点,但它同时也存在非线性的缺点,因此在利用铂热电阻进行精确温度测量时,除要克服测量电路自身的噪声干扰外,还要对铂热电阻的非线性进行矫正。

铂电阻的物理特性。在氧化性介质中，甚至在高温下，铂的物理、化学性质很稳定；但在还原性介质中，特别是在高温下，很容易被氧化中还原成金属蒸汽所玷污，以至使铂丝变脆，并改变电阻与温度的关系，另外，铂是贵金属，价格较贵。尽管如此，从对热电阻的要求来衡量，铂在极大程度上能满足要求，所以它是制造基准热电阻，标注热电阻和工业用热电阻的最好材料，至于它的缺点，可以用保护套管设法避免或减轻。

铂电阻与温度的关系可以用下式表示：

（3）

式中:

(?)Rt——温度为t℃时铂电阻的电阻值

(?)R0——温度为0℃时铂电阻的电阻值

8

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A——常数 A?3.96847?10?3(1/?C) B??5.847?10(1/C)B——常数

?7?C??4.22?10(1/C) C——常数

表2-1 铂电阻分度表（Pt100）

?12?温度℃0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320330340350360370380390400410420430

0100.00103.90107.79111.67115.54119.40123.24127.07130.89134.70138.50142.29146.06149.82153.58157.31161.04164.76168.46172.16175.84179.51183.17186.82190.45194.07197.69201.29204.88208.45212.02215.57219.12222.65226.17229.67233.17236.65240.13243.59247.04250.48253.90257.32100.001100.39104.29108.18112.06115.93119.78123.62127.45131.27135.08138.88142.66146.44150.20153.95157.69161.42165.13168.83172.53176.21179.88183.53187.18190.81194.44198.05201.65205.23208.81212.37215.93219.47223.00226.52230.02233.52237.00240.47243.93247.38250.82254.24257.66100.392100.78104.68108.57112.45116.31120.16124.01127.84131.66135.46139.26143.04146.81150.57154.32158.06161.79165.50169.20172.90176.57180.24183.90187.54191.18194.80198.41202.01205.59209.17212.73216.28219.82223.35226.87230.37233.87237.35240.82244.28247.73251.16254.59258.00100.783101.17105.07108.96112.83116.70120.55124.39128.22132.04135.84139.64143.42147.19150.95154.70158.43162.16165.87169.57173.26176.94180.61184.26187.91191.54195.16198.77202.36205.95209.52213.09216.64220.18223.70227.22230.72234.22237.70241.17244.62248.07251.50254.93258.34101.174101.56105.46109.35113.22117.08120.93124.77128.60132.42136.22140.02143.80147.57151.33155.07158.81162.53166.24169.94173.63177.31180.97184.63188.27191.90195.52199.13202.72206.31209.88213.44216.99220.53224.06227.57231.07234.56238.04241.51244.97248.41251.85255.27258.68101.565101.95105.85109.73113.61117.47121.32125.16128.98132.80136.60140.39144.17147.94151.70155.45159.18162.90166.61170.31174.00177.68181.34184.99188.63192.26195.88199.49203.08206.67210.24213.80217.35220.88224.41227.92231.42234.91238.39241.86245.31248.76252.19255.61259.02101.956102.34106.24110.12113.99117.85121.70125.54129.37133.18136.98140.77144.55148.32152.08155.82159.55163.27166.98170.68174.37178.04181.71185.36189.00192.63196.24199.85203.44207.02210.59214.15217.70221.24224.76228.27231.77235.26238.74242.20245.66249.10252.53255.95259.36102.347102.73106.63110.51114.38118.24122.09125.92129.75133.56137.36141.15144.93148.70152.45156.19159.93163.65167.35171.05174.74178.41182.07185.72189.36192.99196.60200.21203.80207.38210.95214.51218.05221.59225.11228.62232.12235.61239.09242.55246.00249.45252.88256.29259.70102.738103.12107.02110.90114.77118.62122.47126.31130.13133.94137.74141.53145.31149.07152.83156.57160.30164.02167.72171.42175.10178.78182.44186.09189.72193.35196.96200.57204.16207.74211.31214.86218.41221.94225.46228.97232.47235.96239.43242.90246.35249.79253.22256.63260.04103.129103.51107.40111.28115.15119.01122.86126.69130.51134.32138.12141.91145.68149.45153.20156.94160.67164.39168.09171.79175.47179.14182.80186.45190.09193.71197.33200.93204.52208.10211.66215.22218.76222.29225.81229.32232.82236.31239.78243.24246.69250.13253.56256.98260.38103.51电阻值（Ω） 9

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2.4压力传感器

（1）电阻应变式传感器

图2-8 双孔悬臂梁电阻应变式压力传感器

电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。

当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。

2）电阻应变式传感器的工作原理

导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。

导体或半导体的阻值随其机械应变而变化的道理很简单，因为导体或半导体

?.L的电阻R = 与电阻率及其几何尺寸（其中L为长度，S为截面积）有关，

S当导体或半导体受到外力作用时，这三者都会发生变化，从而引起电阻的变化。因此通过测量阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小。

设有一圆形截面的金属丝，长度为l，截面积为S，材料的电阻率为，这段金属线的电阻值R为

ll（4） ??2Sπrr为金属丝的半径，当金属丝受拉力作用时，其长度l，截面积S（），电阻

R??率的相应变化为dl，dS，d，因而引起电阻变化dR。

对上式全微分可得:

dR??Sdl??lS2dS?ld?S （5）

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?以R除左式， 除右式，得电阻相对变化量:

lS

dRdldrd???2?（6） Rlr?d?dldr式中， ??x为金属丝的轴向应变； ??y为金属丝的径向应变； 为电阻

?lr率的相对变化量。

轴向应变和径向应变的关系可表示为：

?y????x式中：? ———金属材料的泊松系数。 综合以上两式可得:

dRd??(1?2?)?x?R?（7）

（8）

令:

Ks?dR/R?x?(1?2?)?d?/??x （9）

Ks称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位应变时，电阻相对变化的大小。显然，Ks越大，单位应变引起的电阻相对变化越大，故越灵敏。

通常采用电桥电路来将电阻的变化转换成电压的变化，图9是一个单臂桥电路，R1、R2、R3为固定电阻，R4为电阻应变片，U为加载在电桥上的电源电压，我们考虑它不变，U0为输出电压。分析一下U0与R4的关系。

R1

R2

U

R3

U0

R4

图2-9 单臂桥电路

通过简单计算可以得出：

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(10)

假定 R1?R2?R3?R4时，有:

（11） R(R?dR)?RRUdR

金属应变片：

U0?(R?R?dR)(R?R)U?4?RdR?(1?2?)?R （12）

在实际使用中为了提高灵敏度，常采用等臂电桥，四个应变片接成差动的全桥工作方式,使得：

dRU?U?0 （13） R2.5 电阻丝（加热器） 焦耳定律：

电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律，它最先是由英国科学家焦耳发现的。 焦耳定律可以用如下的公式表示：

（14）

但是这种公式只适用于纯电阻电路，即电流通过导体时，如果电能全部转化为热，而没有同时转化成其他形式的能量，那么就是纯电阻电路，电流产生的热量Q就等于消耗的电能W，即

= （15）

2.6 简单的可控恒流电路设计

实验中我们所用的电阻丝加热器，需要的电流大约为几十毫安，基于此，本次实验本人用运算放大器和三极管设计了一个恒流电路，见图2-10。此电路受输入电压控制。

图中V1为电压源，采用12V供电，V2为输入电压，由D/A板输出，R1为负载R2为控制电阻，根据集成运放输入虚短与虚断的理论，以及三极管在工作区，集电极电流受基极电流控制，可以很容易的得出，输出电流I:

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（16）

，从安全以及设计需要，本人用Multisim进行了仿真，Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。关于Multisim这一模拟电路中经常用到的仿真软件的其他信息，文中不再赘述。仿真结果见图2-13到图2-15。

图2-10 恒流源电路

图2-11 恒流源仿真运行1

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图2-12 恒流源仿真运行2

图2-13 恒流源仿真运行3

通过仿真可以看到，本恒流源输出电流基本不受负载变化的影响，并且通过调节电阻R2可以在一定的范围内调节输出电流，设计可行。

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3.控制系统软硬件介绍

在测量系统的硬件部分完全搭建好之后，基于dSPACE的固体界面传热全自动测量系统试验的开发步骤主要包括以下几点：

①Matlab/Simulink模型建立以及离线仿真。利用Matlab/Simulink建立仿真对象的数学模型，设计控制方案，并对系统进行离线仿真。

②输入/输出接口（I/O）的接入生成试验模型。在Matlab/Simulink中保留需要下载到dSPACE中的模块，从RTI库中选择实时控制所需要的的I/O模块，用硬件接口关系替代原理的逻辑连接关系，并对I/O参数进行设置，在一些情况下还需要设置软硬件中断优先级。

③利用RTW和dSPACE提供的工具自动生成代码并下载。由于MATLAB与dSPACE无缝连接的特性，因此只需简单的操作即可完成目标操作系统的实时C代码的生成、编译、链接和下载，将模型下载为目标板DS1103上可运行的程序。

④dSPACE综合实验和调试。利用dSPACE提供的ControlDesk软件，对实时运算数据进行获取、改变参数并进行实时控制等。图3-1显示了基于dSPACE的固体界面传热自动测量系统开发流程。

确定对象模型和控制算法建立Matlab/Simulink仿真模型仿真分析满足结果Matlab/Simulink实验模型建立，下载程序到目标板在目标板实时运行程序用ControlDesk分析和调节参数满足结果参数标定和完成

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图3-1 基于dSPACE的固体界面传热自动测量系统开发流程

3.1 Matlab简单介绍

图3-2 本次实验中本人所用Matlab R2011a

（1）Matlab产生的历史背景

在20世纪70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。在当时，这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。

到20世纪70年代后期，身为美国New Mexico大学计算机系系主任的Cleve Moler，在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库，但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手，利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler给这个接口程序取名为MATLAB，该名为矩阵（matrix）和实验室（laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里，MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。

1984年，Cleve Moler和 John Lithe成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的研究和开发。

在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类。一类是数值计算型软件，如 MATLAB、Xmath、Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件，如Mathematica、Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精度解，其缺点是处理大量数据时效率较低。MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科、多部门要求的新一

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代科技应用软件MATLAB。经过多年的国际竞争，MATLAB 已经占据了数值型软件市场的主导地位。

时至今日，经过Math Works公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。

（2） MATLAB的语言特点

①语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。可以说，用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上。

②运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短，具体运算符见附表。

③MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环、while循环、break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。

④语法限制不严格，程序设计自由度大。例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。

⑤程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。

⑥MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。

⑦MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。

⑧功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色。MATLAB包含两个部分：核心

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部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱能用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如control、toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox等。这些工具箱都是由该领域内的学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。下表列出了MATLAB的核心部分及其工具箱等产品系列的主要应用领域。

⑨源程序的开放性。开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。

3.2 Simulink的简单介绍

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

在MATLAB命令窗口中输入Simulink，桌面上出现一个称为Simulink

Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。下图展示了打开Simulink的操作。

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图3-3 Simulink

SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库： Continuous（连续模块） Discrete（离散模块）

Function&Tables（函数和平台模块） Math（数学模块） Nonlinear（非线性模块）

Signals&Systems（信号和系统模块） Sinks（接收器模块） Sources（输入源模块）

当然，在我们现在所用的Matlab版本中Simulink库中，还有Commonly Used Blocks，User-Defined Functions,Aditional Math&Discrete等模块，这些是用户常用模块以及用户自定义以及自行添加的模块，使操作更加方便，更加人性化。

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3.3 dSPACE介绍

dSPACE 是德国的一家国际性高科技公司，成立于 1988 年。公司除在德国 Paderborn 设有总部以外，在美国的麻省还设有分部。目前，公司的主要产品方向：为控制工程项目的开发和测试提供软/硬平台。dSPACE 实时仿真系统是由dSPACE 公司开发的一套基于MATLAB/Simulink 的控制系统。

作为一个全方位的计算机辅助设计与测试平台，dSPACE拥有简单易用的代码生成及下载软件、试验工具软件，还拥有灵活性极强的硬件组合系统。 就软件而言，考虑到大多数用户使用 MATLAB 进行控制系统的设计和各种模型的建立， dSPACE 将自己的代码生成及下载软件集成于 Matlab 中，实现了与 Matlab 的无缝连接。 从而允许用户直接在 Matlab 中调用dSPACE 的各种函数库如：实时接口RTI、实时数据采集 MTRACE 及 MATLAB 到 dSPACE 的接口MLIB 等。

虽然 dSPACE 的代码生成及下载软件、试验工具软件都是模块化的，但从用户的实际需求出发，dSPACE提供了软件组合 CDP 。CDP包括 Real-Time Interface, ControlDesk, MLIB/MTRACE 。CDP 配合 Matlab/Simulink/RTW ，就可以实现控制系统开发测试的全过程：建立模型（控制系统及控制对象），离线仿真，设置实时 I/O ，生成代码，编译及下载，试验，通过 MATLAB 指令实现自动测试。

就硬件而言，dSPACE 针对不同用户的需求，提供了多种可供选择的方案：

单板系统：主要面向快速控制原型用户；I/O数量有限，但包括了进行快速控制原型设计所需的大多数 I/O（包括A/D ，D/A ，数字 I/O 等）。还特别考虑了驱动应用方面的需求，配有增量编码器信号接口及 PWM 信号发生器。无论是用来进行原型设计，还是直接用作核心控制板来进行驱动控制都不失为一种较完美的选择。

标准组件系统：考虑到用户需求的多样性，dSPACE特别设计了标准组件系统，把处理器板，I/O板完全分开，并提供多个系列和品种。这样，就允许用户根据特定需求随意组装，可以使用多块处理器板、多块（多种）I/O板，使系统的运算速度、内存及 I/O 能力均可大大扩展，从而可以适应特别复杂的应用。

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车辆内置式系统：dSPACE 还专门设计了车辆内置式系统，用来满足汽车、火车、飞机等用户对内置式系统在空间体积、振动和环境温度上的需求。

3.4标准组件系统DS1005+各种I/O板卡

dSPACE标准组件系统的基本出发点是将实时系统和提供用户接口的系统完全分开。无论主机的要求多么复杂，也无论使用的是何种操作系统,dSPACE实时硬件都能保证满足每一采样周期的准确时间要求。

所有的dSPACE标准组件板都必须至少配置一块处理器板。所有的dSPACE标准组件系统都是以DS1005为核心构造的。处理器板通过高速32位总线（PHS总线）提供到I/O板的接口，通过ISA总线提供到主机的硬件接口。

DS1005 PPC处理器板在I/O管理能力及数字运算能力都非常强，运算能力可达12.6 SPECfp95，21.8 SPCEint95。其组成多处理器系统的CPU之间的数据传输速率>1.25Gbit/S。

利用MATLAB/Simulink及dSPACE的实时接口库（RTI-1005MP）可轻松完成对DS1005的编程。在MATLAB/Simulink环境下，无需写任何一行代码就可以增减并设置与DS1005板相连的所有I/O板。代码的生成、编译和下载简化为鼠标的轻轻一点。对于那些直接用手工编写的C代码，dSPACE提供用来进行初始化和访问I/O的基本C函数。在调试器、编译器和下载软件的帮助下同样可以完成代码向DS1005板的下载。

图3-4 实验室所用DS1105

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4.程序编辑及仿真运行

4.1步进电机模型的搭建及仿真运行

在模型的搭载过程中，根据实际中dSPACE的CP1103连接的为步进电机驱动器，通过控制步进电机驱动器输入的脉冲频率来控制步进电机的转速大小，通过控制输入端电平的高低来控制步进电机的方向。搭载了如下模型，本模型中全部应用方框图，不涉及步进电机的传递函数编辑等问题。通过方框图，节省了大量的时间。

图4-1 压力控制Simulink仿真模型

在本方框中，Simulink的subsystem，为自己编辑的频率受控的正弦波函数，其内容见图4-2。

另外，因为实际中控制变量为压力，而压力由温度传感器产生，这一压力传感器函数传递的框图模型目前已经突破本人能力，所以在这里我们用步进电机的旋转角度来演示压力控制。实践证明，这个仿真系统和直接控制压力的系统互通性非常好，并不影响实际效果。

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图4-2 子系统subsystem的方框图

现在将Simulink模型进行仿真运行，在运行中分别设置给定为100，-50，通过虚拟仪表进行实验观察以及数据记录。进程见4-3到4-5。

图4-3 给定为100时，系统的响应

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图4-4 给定为-50时，系统的响应

图4-5 给定为100时，系统的响应

仿真说明以及仿真中发现的问题:

在前面部分已经提过，用步进电机所旋转的角度来代表压力。给定正的值，来代表测量系统的压力增加，给定负的值，来代表系统的压力减小。通过仿真发现，系统的动态性能并不是很好，经过理论分析得知：步进电机本质上是数字离散电机，直接接受数字量，将电脉冲信号转变成位移信号，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。步进电机内部各控制变量高度非线性且相互耦合，而传统PID控制是以精确数学模型为基础的，无法有效应对系统的不确定信息。用不变的PID参数不可能达到较好的控制结果。

模糊控制不需要对象的精确数学模型，对系统变化不敏感，鲁棒性好，抗干扰性强。但是由于它的模糊性，稳态精度不好。对于这种情况，可以把模糊控制

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和PID控制结合起来来完善这个步进电机伺服系统。但是由于时间的原因，本毕业设计中暂不设计和使用模糊PID算法，希望后来者能够在控制算法上完善这一系统。

4.2温度控制系统的搭建及仿真

实验中温度控制仿真系统的原理框图见图4-6。系统的传递函数为：

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式中：T为过程时间常数，K为调节系统总的放大倍数，为系统的纯滞后时间。 这三个值需要在实验中进行测定，在这里我们使用飞升曲线法。

给定+_加热器（电阻丝）控制器D/A受控电流源A/D放大器温度传感器 图4-6 温度控制系统的原理框图

经过试验，我们得出在实验条件下，k为0.181，T为60，为20。将参数设定好之后的框图见图4-7。图4-8对Simulink模型进行仿真运行的记录。

图4-7 通过Simulink的温度控制仿真

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图4-8 设定为100时的阶跃响应

我们所用的电阻丝加热器加热系统，具有纯滞后和大惯性的特点：随着延迟时间的增大，控制系统滞后也相应增大，控制系统不能及时反映系统所受扰动。误差控制调节器的作用也需要延迟一定时间才能作用到被控制的对象，因此常规的PID算法不能很好的满足系统的静态和动态性能指标，在跟踪设定值与抑制扰动之间存在矛盾。并且常规的PID控制，容易出现以时间常数为间隔的微弱震荡。文献显示，采用Smith预估结合PID算法，使延迟的被控制量提前反应到调节器，并使之动作，可以较好的满足温度控制系统的动态性能和稳态精度要求。同样，由于时间原因以及所做实验的精度要求，这里使用常规的PID算法，希望后续研究者能够采取上述算法或者更好的方法，使温度控制系统更加完善。

4.3 dSPACE系统软硬件的操作过程

通过Matlab的命令窗口，在打开时，我们选择了此次实验的半实物仿真单板系统，DS1105，通过输入RTI,打开dSPACE的接口库，在里面我们选择实验所用的I/O借口，其他部分利用前面用SIMULINK搭好的模型。搭建好之后，打开simulation，进行相应的设置，然后，点击“build”即可将框图转为c代码。

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图4-9 用I/O接口替换原来的虚拟实物

图4-10 build成功后的Matlab Command窗口显示

使用dSPACE的软件ControlDesk可以方便的访问dSPACE硬件中所运行的实时程序，进行信号和参数的读写。使用ControlDesk，只要通过鼠标的操作就能够对信号进行可视化和分析，例如画出图形、使用拖拉条对参数进行可视化操作。

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图4-11 Controldesk进行layout设计页面

图4-12 实验运行中的自动调整页面

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图4-13 实际输出的矩形波

图4-14 实际运行中的调制过程

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4.4数据采集处理及软件界面设计

温度采集点1 温度采集点2 温度采集点3 温度采集点4 温度采集点5 压力采集点

图 4-15 数据采集点

图4-16软件界面设计

在设计中选择四个测量点，并将温度调节曲线和压力调节曲线通过虚拟仪表中的绘图窗口实时曲线显示。

4.4毕业设计总结

本次毕业设计，通过两个多月的研究以及指导老师的点拨，已经告于段落。此次毕设中最大的收获莫过于对新知识的吸收和应用，具体表现在几个仿真模型的建立以及运行。期间走过不少的弯路，但是时间并没有浪费，比如我曾经用了两个星期自己设计了一个铂电阻传感器，甚至曾想购买元件来自行制造出来，后来导师告诉我我们已经有了可以使用的产品，

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不必自行制造；我曾经花费了一星期时间来对一般常用的小型直流电机进行研究，研究它的传递函数以及控制方案，因为入门是一件非常头痛而艰巨的事情，当我用自己搭载的模型向导师请教时，导师告诉我我们所用的是步进电机，而且从安全及现有条件的基础上，由步进电机驱动器进行驱动，我的方案已经偏离主题。但上述经历让我懂得了很多的道理，无论是做事情还是做学问，比如，在进行一件项目时，首先要查清楚我们所要使用的器件，以及别人能够提供给我们的设备和技术要求，而不是单纯的凭借经验和自己的主观意识。当然，上述事例让我学到了更多地知识，虽然对于本次毕设没有很大帮助，但对于自己的知识储备却有很大的裨益。

本次毕业设计，收获还在于对仿真软件上的使用上，比如我在设计恒流源时，使用了Multisim这一软件，通过仿真，可以在设计之时，购买元件之前，发现问题，并可以很方便的修改，避免了很多的弯路，而且可以让自己把精力放在电路以及算法的优化上。在这里很感激这些软件的开发商，还有Matlab/Simulink，难怪有说法是，使用这些工具是我们站在专家的基础上进行设计。

另外，关于此次设计上，存在几个有待改进的地方，在论文中我都有提及以及建议，在这里我再次罗列补充一下，以方便读者或者后续的研究者进行改进时有更好的方向，首先是PID控制的算法，现在的热点和实用性的方案便是模糊PID控制，在毕设中我也曾经参考过这方面的资料，但是因为大部分的精力都放在了学习dSPACE这一先进平台的学习上，后期已经没有精力进行对算法进行优化。其次便是实验装置的改进上，本来我的毕业设计是软件设计，但是实际操作中，发现我们的硬件有很大的提升空间，比如可以更改电机，因为步进电机本身的离散控制特点，所以将它作为伺服电机时，即使算法再好，控制的精度总会有些影响，其二是界面接触的金属并不是很容易拆卸和组装，可以从设计上进行修改，以方便我们可以很好的更换工件，让我们的研究不仅仅是停留在学校的一个项目实验，而是使其具有更加广泛的实际价值和学术交流的意义。

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致谢

本研究及学位论文是在我的导师陈进教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。

在这里向我的指导老师陈进教授表示感谢。 同时还要感谢郑璞老师，感谢其在本人毕业设计期间提供实验室，让我节约了大量的时间来进行工作，而不是疲于寻找可以使用的实验室上。尤其是我在测绘放大电路的电路板时，实验室的万用表节省了我大量的时间。

另外，感谢自动化专业的所有教过以及帮助过我的老师，自从大三专业学习以来，他们给我的个人进步提供了太多的帮助，比如本次的PID控制，多亏徐洁老师在运动控制课上的启发;本次所用仿真软件之一的Multisim，是周瑾老师曾经教过我们使用的;原理框图以及计算流程，是在上微机控制技术上胡志华老师给予的启发，模拟电路的注意事项以及运算放大器的计算和反馈电路计算，是张帆老师在高级维修电工培训时指导的内容??

感谢同寝室的洪通拉嘎同学，同专业的杨国栋同学，在我毕设进行中遇到大的困难，头痛愁苦时，他们给了我很大的鼓励，并给了我很多建议；感谢叶世文同学，在我学习Matlab时提供了宝贵建议和帮助，让我在短期内熟悉了软件的使用??

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 此次毕设的完成，让我对未来的工作充满了很大的信心，有无比的勇气面对未来的种种挫折，更学会了平和自己的心态。

最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢!

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参考文献:

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