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1、上海第二工业大学本科毕业设计（论文）本科毕业论文 题 目：固体界面传热自动测量系统软件 设计 专 业： 自动化 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
2、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 SystemAbstract: In t
3、he 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
4、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 requ
5、est 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 similar
6、ly 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 simu
7、lation 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目录1 绪论11.1固体界面传热问题涉及的基本概念11.2固体表面传热研究的意义21.3本课题研究范围
8、及问题处理说明32 固体界面传热测量系统硬件介绍42.1系统结构组成42.2步进电机52.3温度传感器82.4压力传感器102.5 电阻丝（加热器）123.控制系统软硬件介绍153.1MATLAB简单介绍163.2 SIMULINK的简单介绍183.3 DSPACE介绍203.4标准组件系统DS1005+各种I/O板卡214.程序编辑及仿真运行224.1步进电机模型的搭建及仿真运行224.2温度控制系统的搭建及仿真254.3 DSPACE系统软硬件的操作过程264.4数据采集处理及软件界面设计304.4毕业设计总结30致谢32参考文献:331 绪论1.1固体界面传热问题涉及的基本概念汉语“界面
9、”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t1t3，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
10、，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。图1-1 接触面传热示意图1.2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，还是运行在太空的航天器，都存在固体界面传热问题。如今普遍使用的个人电脑，其芯片(微处理器)的散热好坏直接影响电脑工作的稳定性和运行
11、速度，不仅电脑芯片内部的晶体管电路与其基片之间需要良好的热传递，而且在芯片上安装的散热器和芯片表面之间也存在固体界面传热问题；在冶金工业，连铸结晶器中渣膜与结晶器及铸坯之间的热传递、轧钢中钢坯与轧辊之间的传热、换热器中钢管与翅片之间的热交换等均存在界面热阻问题；在高温超导制冷机直接冷却系统中，制冷机冷头与电绝缘垫片之间、电绝缘垫片与电流引线之间都存在界面热阻，它影响和限制超导器件冷却的效率和运行可靠性。界面热阻引起的焦耳热几乎占总漏热的1/31/2，对系统的动态稳定性有重要影响，是超导电流引线发生失超的主要根源之一。航天器热控制就是控制航天器内外的热交换过程，使其热平衡温度处于要求范围内的技术
12、，又称航天器温度控制。航天器的热控制是以传热学和工程热力学的基本理论为基础的，是航天技术的重要组成部分。用于热控制的各种材料和设备组成航天器热控制系统。航天器是在十分严酷的温度条件下工作的，例如返回式航天器要经历从2000以下到10000以上的环境温度变化。航天器的结构、仪器设备和所载生物都无法承受这样剧烈的温度变化。人造地球卫星上有些红外遥感器还需要有超低温工作环境；广播卫星的大功率行波管要求强化散热；一些航天器的电子设备舱要求均匀而恒定的温度环境；航天飞机则需要解决多次重复使用的防热问题。在航天器热控技术中，航天器内部各部件、构件、高功率密度器件之间的热量传递主要是通过接触导热方式来完成的
13、。因此，固体接触界面热阻是航天器热控技术中普遍存在，而又是必须解决的分析计算与制造实施问题。它直接关系到热控组件的性能及航天器热控制的精度与可靠性。由于它的复杂性与不确定性，给热控部件导热理论分析和热控设计带来困难和重要影响因此，减小和控制低温界面热阻是实现超导系统直接冷却的技术关键：对于大型的、发热量多的卫星或其他航天器，要设计一套复杂的流体循环切换装置，即在卫星的各个部位和仪器上采用热收集器，收集的热量通过导管中液体的流动带到一个热交换器上，再由热交换器把热量传到热辐射器，通过辐射器把热量辐射到空间。1.3本课题研究范围及问题处理说明界面传热问题涉及面非常广。首先，有物质不同形态之间界面传
14、热问题，如有液体之间的界面传热，也有气体之间的界面传热，还有液体和气体、液体和固体、气体和固体之间的界面传热等。其次，界面的连接情况十分复杂，从宏观角度涉及界面压力、温度、表面粗糙度、材料特性等参数，从微观角度要考虑界面固体物质的声予平均自由程、反射与散射角度等参数等。因为知识储备，时间限制以及实验室的实验条件，本课题研究范围局限在固体之间的界面传热问题，并且主要是研究温度，压力这两个变量在界面传热中的实验数据。并且对部分数据进行了近似处理，使问题研究简单化，使可行性提高，本课题抛砖引玉的意义比较大，后续研究者对实验进行算法优化和设备改善，会使该课题研究更具科研价值和现实意义。在试验中，使用S
15、imulink分别构造了步进电机闭环控制系统以及温度控制闭环系统，其中步进电机的调节使用了传统PID算法。温度控制在Simulink仿真时，使用了PID控制，在实际实时仿真，考虑到研究的需要，只是构造了简单了闭环结构，使温控的精度并不是很高。2 固体界面传热测量系统硬件介绍2.1系统结构组成本测量系统，由步进电机（由步进电机驱动器驱动），电阻丝，温度传感器，压力传感器以及固定装置等组成。该装置的结构图以及尺寸图见图2-1。12ab4dc53 图2-11）步进电机 2）丝杆传力装置 3)压力传感器 4)工件1 5)工件2 a)紧固架 b）支撑架 c）固定套管 d）顶盘 2.2步进电机图2-3 常
16、见步进电机外形步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。图2-3是一种常见的步进电机的外形。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。图2-4 经典步进电机剖面图图2-4是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60，连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为=360/40=9，而定子每个磁
17、极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再
18、转过3。依次类推，当三相绕组按ABCA顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按ACBA顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角为30。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按ABBCCAAB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按AABBBCCCAA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算： （2）式中，Z为转子齿数；m为定子相数；C为通电方式，C
19、=1 单向轮流导通电，双向轮流通电方式，C=2 单，双向轮流通电方式。目前常用的有三种步进电动机：1反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。2永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。3混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，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。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
20、、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
21、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
22、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: 温度为t时铂电阻的电阻值 温度为0时铂电阻的电阻值 常数 常数 常数 表2-1 铂电阻分度表（Pt100）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
23、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，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（4）r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
24、（），电阻率的相应变化为dl，dS，d，因而引起电阻变化。对上式全微分可得: （5）以R除左式， 除右式，得电阻相对变化量:（6）式中， 为金属丝的轴向应变； 为金属丝的径向应变； 为电阻率的相对变化量。轴向应变和径向应变的关系可表示为：（7）式中： 金属材料的泊松系数。综合以上两式可得:（8）令: （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，U
25、0为输出电压。分析一下U0与R4的关系。U0UR4R3R2R1 图2-9 单臂桥电路通过简单计算可以得出： (10)假定 时，有: （11） 金属应变片： （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： （13）2.5 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
26、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: （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
27、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。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：Matlab/Simulink模型建立以及离线仿真。利用Matl
28、ab/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。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。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。dSPACE综合实验和调试。利用d
29、SPACE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。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
30、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
31、 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
32、力，开发了适合多学科、多部门要求的新一代科技应用软件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的语言特点语言简洁
33、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。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。MATLAB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。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
34、预定义就可使用。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。MATLAB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。MATLAB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。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
35、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。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
36、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
37、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。图3-3 SimulinkSIMILINK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
38、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。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MATLA
39、B/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
40、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
41、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。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.
42、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
43、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DS11054.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
44、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
45、制压力的系统互通性非常好，并不影响实际效果。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，可以把模糊控制和PID控制结合起来来完善这个步进电机伺服系统。但是