固體界面?zhèn)鳠嶙詣?dòng)測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)論文 題 目：固體界面?zhèn)鳠嶙詣?dòng)測(cè)量系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì) 學(xué) 生： z 專 業(yè)： 自動(dòng)化 年 級(jí)： 2008級(jí) 指導(dǎo)教師： 陳進(jìn) 日 期： 2012年5月10日 固體界面?zhèn)鳠嶙詣?dòng)測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)摘要：在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室條件下，應(yīng)用已經(jīng)設(shè)計(jì)組裝好的固體界面?zhèn)鳠嶙詣?dòng)測(cè)量系統(tǒng)：該測(cè)量系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)，發(fā)熱電阻絲，溫度傳感器，壓力傳感器以及其他固定輔助部分構(gòu)成。在充分了解設(shè)備工作方式和工作原理的基礎(chǔ)上，利用dSPACE和Matlab/Simulink進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行。首先用Simulink搭建了壓力控制系統(tǒng)，即由步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)組成的伺服系統(tǒng)，在Matlab軟件中進(jìn)行了離線仿真，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合控制要

2、求的基礎(chǔ)上，利用dSPACE軟件中相關(guān)組件，通過(guò)加入I/O口來(lái)替換方框圖中步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)模型，下載到dSPACE硬件中，以滿足實(shí)時(shí)半實(shí)物仿真的要求。同樣，溫度控制部分先利用Simulink模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，然后通過(guò)修改完善，下載到dSPACE硬件中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該方法免去了常規(guī)方法的編程步驟，節(jié)省了大量的時(shí)間，更改控制算法靈活。并且與完全虛擬仿真相比，半實(shí)物仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)更加可靠，更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞:界面?zhèn)鳠幔篸SPACE；Matlab；傳感器；半實(shí)物仿真Software Design Of Solid Interface Heat Transfer Automatic Measure

3、ment SystemAbstract: 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 understand

4、ing 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, confor

5、ms 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

6、 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 contr

7、ol 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目錄1 緒論11.1固體界面?zhèn)鳠釂?wèn)題涉及的基本概念1

8、1.2固體表面?zhèn)鳠嵫芯康囊饬x21.3本課題研究范圍及問(wèn)題處理說(shuō)明32 固體界面?zhèn)鳠釡y(cè)量系統(tǒng)硬件介紹42.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成42.2步進(jìn)電機(jī)52.3溫度傳感器82.4壓力傳感器102.5 電阻絲（加熱器）123.控制系統(tǒng)軟硬件介紹153.1MATLAB簡(jiǎn)單介紹163.2 SIMULINK的簡(jiǎn)單介紹183.3 DSPACE介紹203.4標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)DS1005+各種I/O板卡214.程序編輯及仿真運(yùn)行224.1步進(jìn)電機(jī)模型的搭建及仿真運(yùn)行224.2溫度控制系統(tǒng)的搭建及仿真254.3 DSPACE系統(tǒng)軟硬件的操作過(guò)程264.4數(shù)據(jù)采集處理及軟件界面設(shè)計(jì)304.4畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)30致謝32參考文獻(xiàn):331

9、緒論1.1固體界面?zhèn)鳠釂?wèn)題涉及的基本概念漢語(yǔ)“界面”一詞的意義是“物體與物體之間的接觸面”(現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典，中國(guó)商務(wù)印書館1988年出版，p583)。實(shí)際上，“界面”也指物體(物質(zhì))之間的連接面和連接層。普遍認(rèn)為接觸面兩側(cè)保持同一溫度，即假定兩層壁面之間保持了良好的接觸。而在工程實(shí)際中由于任何固體表面之間的接觸都不可能是緊密的，如圖1所示，假設(shè)物體A的溫度為t1，物體B的溫度為t3，并且t1t3，那么，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量會(huì)自動(dòng)從A傳遞到B。熱量在傳遞過(guò)程中必然通過(guò)AB界面，此時(shí)接觸面兩側(cè)存在溫度差。在這種情況下，兩壁面之間只有接觸的地方才直接導(dǎo)熱，在不接觸處存在空隙，熱量是通過(guò)充滿空隙的流

10、體的導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射的方式傳遞的，因而存在傳熱阻力，稱為接觸熱阻。產(chǎn)生接觸熱阻的主要原因是，任何外表上看來(lái)接觸良好的兩物體，直接接觸的實(shí)際面積只是交界面的一部分（見(jiàn)圖1），其余部分都是縫隙。熱量依靠縫隙內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)和熱輻射進(jìn)行傳遞，而它們的傳熱能力遠(yuǎn)不及一般的固體材料。根據(jù)熱流的收縮程度，即溫差的大小，定義界面熱阻為： （1）式中，為界面熱阻，為界面處產(chǎn)生的溫差，Q為傳遞的熱流，為名義的接觸面積。圖1-1 接觸面?zhèn)鳠崾疽鈭D1.2固體表面?zhèn)鳠嵫芯康囊饬x固體界面?zhèn)鳠釂?wèn)題與人類息息相關(guān)，無(wú)論是人們?nèi)粘Ｉ?、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還是運(yùn)行在太空的航天器，都存在固體界面?zhèn)鳠釂?wèn)題。如今普遍使用的個(gè)人電腦，其芯片(

11、微處理器)的散熱好壞直接影響電腦工作的穩(wěn)定性和運(yùn)行速度，不僅電腦芯片內(nèi)部的晶體管電路與其基片之間需要良好的熱傳遞，而且在芯片上安裝的散熱器和芯片表面之間也存在固體界面?zhèn)鳠釂?wèn)題；在冶金工業(yè)，連鑄結(jié)晶器中渣膜與結(jié)晶器及鑄坯之間的熱傳遞、軋鋼中鋼坯與軋輥之間的傳熱、換熱器中鋼管與翅片之間的熱交換等均存在界面熱阻問(wèn)題；在高溫超導(dǎo)制冷機(jī)直接冷卻系統(tǒng)中，制冷機(jī)冷頭與電絕緣墊片之間、電絕緣墊片與電流引線之間都存在界面熱阻，它影響和限制超導(dǎo)器件冷卻的效率和運(yùn)行可靠性。界面熱阻引起的焦耳熱幾乎占總漏熱的1/31/2，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性有重要影響，是超導(dǎo)電流引線發(fā)生失超的主要根源之一。航天器熱控制就是控制航天器內(nèi)

12、外的熱交換過(guò)程，使其熱平衡溫度處于要求范圍內(nèi)的技術(shù)，又稱航天器溫度控制。航天器的熱控制是以傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)的基本理論為基礎(chǔ)的，是航天技術(shù)的重要組成部分。用于熱控制的各種材料和設(shè)備組成航天器熱控制系統(tǒng)。航天器是在十分嚴(yán)酷的溫度條件下工作的，例如返回式航天器要經(jīng)歷從2000以下到10000以上的環(huán)境溫度變化。航天器的結(jié)構(gòu)、儀器設(shè)備和所載生物都無(wú)法承受這樣劇烈的溫度變化。人造地球衛(wèi)星上有些紅外遙感器還需要有超低溫工作環(huán)境；廣播衛(wèi)星的大功率行波管要求強(qiáng)化散熱；一些航天器的電子設(shè)備艙要求均勻而恒定的溫度環(huán)境；航天飛機(jī)則需要解決多次重復(fù)使用的防熱問(wèn)題。在航天器熱控技術(shù)中，航天器內(nèi)部各部件、構(gòu)件、高功率密

13、度器件之間的熱量傳遞主要是通過(guò)接觸導(dǎo)熱方式來(lái)完成的。因此，固體接觸界面熱阻是航天器熱控技術(shù)中普遍存在，而又是必須解決的分析計(jì)算與制造實(shí)施問(wèn)題。它直接關(guān)系到熱控組件的性能及航天器熱控制的精度與可靠性。由于它的復(fù)雜性與不確定性，給熱控部件導(dǎo)熱理論分析和熱控設(shè)計(jì)帶來(lái)困難和重要影響因此，減小和控制低溫界面熱阻是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)系統(tǒng)直接冷卻的技術(shù)關(guān)鍵：對(duì)于大型的、發(fā)熱量多的衛(wèi)星或其他航天器，要設(shè)計(jì)一套復(fù)雜的流體循環(huán)切換裝置，即在衛(wèi)星的各個(gè)部位和儀器上采用熱收集器，收集的熱量通過(guò)導(dǎo)管中液體的流動(dòng)帶到一個(gè)熱交換器上，再由熱交換器把熱量傳到熱輻射器，通過(guò)輻射器把熱量輻射到空間。1.3本課題研究范圍及問(wèn)題處理說(shuō)明界面?zhèn)?/p>

14、熱問(wèn)題涉及面非常廣。首先，有物質(zhì)不同形態(tài)之間界面?zhèn)鳠釂?wèn)題，如有液體之間的界面?zhèn)鳠幔灿袣怏w之間的界面?zhèn)鳠?，還有液體和氣體、液體和固體、氣體和固體之間的界面?zhèn)鳠岬?。其次，界面的連接情況十分復(fù)雜，從宏觀角度涉及界面壓力、溫度、表面粗糙度、材料特性等參數(shù)，從微觀角度要考慮界面固體物質(zhì)的聲予平均自由程、反射與散射角度等參數(shù)等。因?yàn)橹R(shí)儲(chǔ)備，時(shí)間限制以及實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件，本課題研究范圍局限在固體之間的界面?zhèn)鳠釂?wèn)題，并且主要是研究溫度，壓力這兩個(gè)變量在界面?zhèn)鳠嶂械膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。并且對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了近似處理，使問(wèn)題研究簡(jiǎn)單化，使可行性提高，本課題拋磚引玉的意義比較大，后續(xù)研究者對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行算法優(yōu)化和設(shè)備改善，會(huì)使

15、該課題研究更具科研價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。在試驗(yàn)中，使用Simulink分別構(gòu)造了步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)以及溫度控制閉環(huán)系統(tǒng)，其中步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)使用了傳統(tǒng)PID算法。溫度控制在Simulink仿真時(shí)，使用了PID控制，在實(shí)際實(shí)時(shí)仿真，考慮到研究的需要，只是構(gòu)造了簡(jiǎn)單了閉環(huán)結(jié)構(gòu)，使溫控的精度并不是很高。2 固體界面?zhèn)鳠釡y(cè)量系統(tǒng)硬件介紹2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成本測(cè)量系統(tǒng)，由步進(jìn)電機(jī)（由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)），電阻絲，溫度傳感器，壓力傳感器以及固定裝置等組成。該裝置的結(jié)構(gòu)圖以及尺寸圖見(jiàn)圖2-1。12ab4dc53 圖2-11）步進(jìn)電機(jī) 2）絲桿傳力裝置 3)壓力傳感器 4)工件1 5)工件2 a)緊固架 b）支撐架

16、c）固定套管 d）頂盤 2.2步進(jìn)電機(jī)圖2-3 常見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)外形步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件。圖2-3是一種常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)的外形。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。正常運(yùn)動(dòng)情況下，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù)；做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接受數(shù)字量的控制，所以特別適宜采用微機(jī)進(jìn)行控制。圖2-4 經(jīng)典步進(jìn)電機(jī)剖面圖圖2-4是最常見(jiàn)的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的剖面示意圖。電機(jī)的定子上有六個(gè)均布的磁極，其夾角是60，連成A、B、C三相繞組。轉(zhuǎn)子上均布40個(gè)小齒。

17、所以每個(gè)齒的齒距為=360/40=9，而定子每個(gè)磁極的極弧上也有5個(gè)小齒，且定子和轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)目分別是30和40，其比值是一分?jǐn)?shù)，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯(cuò)位的情況。若以A相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對(duì)齊，那么B相和C相磁極的齒就會(huì)分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)三分之一的齒距，即3。因此，B、C極下的磁阻比A磁極下的磁阻大。若給B相通電，B相繞組產(chǎn)生定子磁場(chǎng)，其磁力線穿越B相磁極，并力圖按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉(zhuǎn)子受到反應(yīng)轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩）的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，直到B磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)3；此時(shí)A、C磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開(kāi)三分之一齒距。接著停止對(duì)B相繞組通電，而改為C相

18、繞組通電，同理受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛟俎D(zhuǎn)過(guò)3。依次類推，當(dāng)三相繞組按ABCA順序循環(huán)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)按順時(shí)針?lè)较?，以每個(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)3的規(guī)律步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。若改變通電順序，按ACBA順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時(shí)針?lè)较蛞悦總€(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)3的規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)槊恳凰查g只有一相繞組通電，并且按三種通電狀態(tài)循環(huán)通電，故稱為單三拍運(yùn)行方式。單三拍運(yùn)行時(shí)的步矩角為30。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還有兩種通電方式，它們分別是雙三拍運(yùn)行，即按ABBCCAAB順序循環(huán)通電的方式，以及單、雙六拍運(yùn)行，即按AABBBCCCAA順序循環(huán)通電的方式。六拍運(yùn)行時(shí)的步矩角將減小一半。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角可按下式計(jì)算： （2）

19、式中，Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m為定子相數(shù)；C為通電方式，C=1 單向輪流導(dǎo)通電，雙向輪流通電方式，C=2 單，雙向輪流通電方式。目前常用的有三種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：1反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(VR)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動(dòng)態(tài)性能差。2永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PM)。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角大。3混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(HB)。混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它有時(shí)也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。圖2-5 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)功能框圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)

20、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如圖2-5所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。圖中點(diǎn)劃線所包圍的二個(gè)單元可以用微機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口。將“電機(jī)固有步距角”細(xì)分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法，稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)，細(xì)分是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)的，與電機(jī)本身無(wú)關(guān)。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級(jí)近似階梯波），則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力，會(huì)使轉(zhuǎn)子有N個(gè)新的平衡位置（形成N個(gè)步距角）。圖2-6 實(shí)驗(yàn)中使用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2.3溫度傳感器圖2-7 實(shí)驗(yàn)中所使用的

21、溫度傳感器溫度是過(guò)程檢測(cè)與控制中的重要參量,在要求對(duì)溫度進(jìn)行精確測(cè)量和控制的條件下,鉑熱電阻是一種應(yīng)用廣泛的溫度傳感器,具有體積小、準(zhǔn)確度高、測(cè)溫范圍寬、穩(wěn)定性好、正的溫度系數(shù)等特點(diǎn),但它同時(shí)也存在非線性的缺點(diǎn),因此在利用鉑熱電阻進(jìn)行精確溫度測(cè)量時(shí),除要克服測(cè)量電路自身的噪聲干擾外,還要對(duì)鉑熱電阻的非線性進(jìn)行矯正。鉑電阻的物理特性。在氧化性介質(zhì)中，甚至在高溫下，鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定；但在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下，很容易被氧化中還原成金屬蒸汽所玷污，以至使鉑絲變脆，并改變電阻與溫度的關(guān)系，另外，鉑是貴金屬，價(jià)格較貴。盡管如此，從對(duì)熱電阻的要求來(lái)衡量，鉑在極大程度上能滿足要求，所以它是制造

22、基準(zhǔn)熱電阻，標(biāo)注熱電阻和工業(yè)用熱電阻的最好材料，至于它的缺點(diǎn)，可以用保護(hù)套管設(shè)法避免或減輕。鉑電阻與溫度的關(guān)系可以用下式表示： （3）式中: 溫度為t時(shí)鉑電阻的電阻值 溫度為0時(shí)鉑電阻的電阻值 常數(shù) 常數(shù) 常數(shù) 表2-1 鉑電阻分度表（Pt100）2.4壓力傳感器（1）電阻應(yīng)變式傳感器圖2-8 雙孔懸臂梁電阻應(yīng)變式壓力傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器, 傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。 當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上時(shí), 彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化, 通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出, 電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。應(yīng)變式電阻

23、傳感器是目前測(cè)量力、力矩、 壓力、加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器。2）電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力（拉力或壓力）作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 導(dǎo)體或半導(dǎo)體的阻值隨其機(jī)械應(yīng)變而變化的道理很簡(jiǎn)單，因?yàn)閷?dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻R = 與電阻率及其幾何尺寸（其中L為長(zhǎng)度，S為截面積）有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體受到外力作用時(shí)，這三者都會(huì)發(fā)生變化，從而引起電阻的變化。因此通過(guò)測(cè)量阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小。 設(shè)有一圓形截面的金屬絲，長(zhǎng)度為l，截面積為S，材料的電阻率為，這段金屬線的電阻值R為（4）r為金屬

24、絲的半徑，當(dāng)金屬絲受拉力作用時(shí)，其長(zhǎng)度l，截面積S（），電阻率的相應(yīng)變化為dl，dS，d，因而引起電阻變化。對(duì)上式全微分可得: （5）以R除左式， 除右式，得電阻相對(duì)變化量:（6）式中， 為金屬絲的軸向應(yīng)變； 為金屬絲的徑向應(yīng)變； 為電阻率的相對(duì)變化量。軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：（7）式中： 金屬材料的泊松系數(shù)。綜合以上兩式可得:（8）令: （9）Ks稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，表示金屬絲產(chǎn)生單位應(yīng)變時(shí)，電阻相對(duì)變化的大小。顯然，Ks越大，單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化越大，故越靈敏。通常采用電橋電路來(lái)將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，圖9是一個(gè)單臂橋電路，R1、R2、R3為固定電阻，R4為電阻應(yīng)變

25、片，U為加載在電橋上的電源電壓，我們考慮它不變，U0為輸出電壓。分析一下U0與R4的關(guān)系。U0UR4R3R2R1 圖2-9 單臂橋電路通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可以得出： (10)假定 時(shí)，有: （11） 金屬應(yīng)變片： （12）在實(shí)際使用中為了提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個(gè)應(yīng)變片接成差動(dòng)的全橋工作方式,使得： （13）2.5 電阻絲（加熱器）焦耳定律： 電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電時(shí)間成正比。這個(gè)規(guī)律叫做焦耳定律，它最先是由英國(guó)科學(xué)家焦耳發(fā)現(xiàn)的。 焦耳定律可以用如下的公式表示： （14）但是這種公式只適用于純電阻電路，即電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，如果電能全部轉(zhuǎn)化為熱，而沒(méi)有

26、同時(shí)轉(zhuǎn)化成其他形式的能量，那么就是純電阻電路，電流產(chǎn)生的熱量Q就等于消耗的電能W，即 = （15）2.6 簡(jiǎn)單的可控恒流電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中我們所用的電阻絲加熱器，需要的電流大約為幾十毫安，基于此，本次實(shí)驗(yàn)本人用運(yùn)算放大器和三極管設(shè)計(jì)了一個(gè)恒流電路，見(jiàn)圖2-10。此電路受輸入電壓控制。圖中V1為電壓源，采用12V供電，V2為輸入電壓，由D/A板輸出，R1為負(fù)載R2為控制電阻，根據(jù)集成運(yùn)放輸入虛短與虛斷的理論，以及三極管在工作區(qū)，集電極電流受基極電流控制，可以很容易的得出，輸出電流I: （16），從安全以及設(shè)計(jì)需要，本人用Multisim進(jìn)行了仿真，Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的

27、以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。關(guān)于Multisim這一模擬電路中經(jīng)常用到的仿真軟件的其他信息，文中不再贅述。仿真結(jié)果見(jiàn)圖2-13到圖2-15。圖2-10 恒流源電路圖2-11 恒流源仿真運(yùn)行1圖2-12 恒流源仿真運(yùn)行2圖2-13 恒流源仿真運(yùn)行3通過(guò)仿真可以看到，本恒流源輸出電流基本不受負(fù)載變化的影響，并且通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R2可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電流，設(shè)計(jì)可行。3.控制系統(tǒng)軟硬件介紹在測(cè)量系統(tǒng)的硬件部分完全搭建好之后，基于dSPACE的固體界面?zhèn)鳠崛詣?dòng)測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)步驟主要包括以下幾點(diǎn)：Matlab/

28、Simulink模型建立以及離線仿真。利用Matlab/Simulink建立仿真對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)控制方案，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行離線仿真。輸入/輸出接口（I/O）的接入生成試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在Matlab/Simulink中保留需要下載到dSPACE中的模塊，從RTI庫(kù)中選擇實(shí)時(shí)控制所需要的的I/O模塊，用硬件接口關(guān)系替代原理的邏輯連接關(guān)系，并對(duì)I/O參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在一些情況下還需要設(shè)置軟硬件中斷優(yōu)先級(jí)。利用RTW和dSPACE提供的工具自動(dòng)生成代碼并下載。由于MATLAB與dSPACE無(wú)縫連接的特性，因此只需簡(jiǎn)單的操作即可完成目標(biāo)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)C代碼的生成、編譯、鏈接和下載，將模型下載為目標(biāo)板DS1103

29、上可運(yùn)行的程序。dSPACE綜合實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。利用dSPACE提供的ControlDesk軟件，對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)算數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、改變參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制等。圖3-1顯示了基于dSPACE的固體界面?zhèn)鳠嶙詣?dòng)測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程。圖3-1 基于dSPACE的固體界面?zhèn)鳠嶙詣?dòng)測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程3.1 Matlab簡(jiǎn)單介紹圖3-2 本次實(shí)驗(yàn)中本人所用Matlab R2011a（1）Matlab產(chǎn)生的歷史背景在20世紀(jì)70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的資助下開(kāi)發(fā)了調(diào)用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫(kù)。EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序庫(kù)，LINPACK是

30、解線性方程的程序庫(kù)。在當(dāng)時(shí)，這兩個(gè)程序庫(kù)代表矩陣運(yùn)算的最高水平。到20世紀(jì)70年代后期，身為美國(guó)New Mexico大學(xué)計(jì)算機(jī)系系主任的Cleve Moler，在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時(shí)，想教學(xué)生使用EISPACK和LINPACK程序庫(kù)，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用FORTRAN編寫接口程序很費(fèi)時(shí)間，于是他開(kāi)始自己動(dòng)手，利用業(yè)余時(shí)間為學(xué)生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler給這個(gè)接口程序取名為MATLAB，該名為矩陣（matrix）和實(shí)驗(yàn)室（laboratory）兩個(gè)英文單詞的前三個(gè)字母的組合。在以后的數(shù)年里，MATLAB在多所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費(fèi)

31、軟件廣為流傳。1984年，Cleve Moler和 John Lithe成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市場(chǎng)，并繼續(xù)進(jìn)行MATLAB的研究和開(kāi)發(fā)。在當(dāng)今30多個(gè)數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言，可分為兩大類。一類是數(shù)值計(jì)算型軟件，如 MATLAB、Xmath、Gauss等，這類軟件長(zhǎng)于數(shù)值計(jì)算，對(duì)處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件，如Mathematica、Maple等，這類軟件以符號(hào)計(jì)算見(jiàn)長(zhǎng)，能給出解析解和任意精度解，其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)效率較低。MathWorks公司順應(yīng)多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計(jì)算和圖示能力的基礎(chǔ)上，又率先在專業(yè)水平上

32、開(kāi)拓了其符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模和實(shí)時(shí)控制能力，開(kāi)發(fā)了適合多學(xué)科、多部門要求的新一代科技應(yīng)用軟件MATLAB。經(jīng)過(guò)多年的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，MATLAB 已經(jīng)占據(jù)了數(shù)值型軟件市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。時(shí)至今日，經(jīng)過(guò)Math Works公司的不斷完善，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)勁的大型軟件。在國(guó)外，MATLAB已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)。在歐美等高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學(xué)研究和解決各

33、種具體問(wèn)題。（2） MATLAB的語(yǔ)言特點(diǎn)語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，利用其豐富的庫(kù)函數(shù)避開(kāi)繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫(kù)函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性?？梢哉f(shuō)，用MATLAB進(jìn)行科技開(kāi)發(fā)是站在專家的肩膀上。運(yùn)算符豐富。由于MATLAB是用C語(yǔ)言編寫的，MATLAB提供了和C語(yǔ)言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用MATLAB的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短，具體運(yùn)算符見(jiàn)附表。MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句（如for循環(huán)、while循環(huán)、break語(yǔ)句和if語(yǔ)句），又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。語(yǔ)法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)

34、計(jì)自由度大。例如，在MATLAB里，用戶無(wú)需對(duì)矩陣預(yù)定義就可使用。程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。MATLAB的圖形功能強(qiáng)大。在FORTRAN和C語(yǔ)言里，繪圖都很不容易，但在MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。MATLAB還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。MATLAB的缺點(diǎn)是，它和其他高級(jí)程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序?yàn)榻忉寛?zhí)行，所以速度較慢。功能強(qiáng)勁的工具箱是MATLAB的另一重大特色。MATLAB包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又可分

35、為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來(lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能、圖示建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能。功能性工具箱能用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如control、toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無(wú)需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高、精、尖的研究。下表列出了MATLAB的核心部分及其工具箱等產(chǎn)品系列的主要應(yīng)用領(lǐng)域。源程序的開(kāi)放性。開(kāi)放性也許是MATLAB最受人們歡迎的特點(diǎn)。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有MATL

36、AB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過(guò)對(duì)源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。3.2 Simulink的簡(jiǎn)單介紹Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊

37、和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。在MATLAB命令窗口中輸入Simulink，桌面上出現(xiàn)一個(gè)稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個(gè)窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。下圖展示了打開(kāi)Simulink的操作。圖3-3 SimulinkSIMILINK模塊庫(kù)按功能進(jìn)行分類，包括以下8類子庫(kù)： Continuous（連續(xù)模塊） Discrete（離散模塊） Function&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊） Math（數(shù)學(xué)模塊） Nonlinear（非線性模塊） Signals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊

38、） Sinks（接收器模塊） Sources（輸入源模塊） 當(dāng)然，在我們現(xiàn)在所用的Matlab版本中Simulink庫(kù)中，還有Commonly Used Blocks，User-Defined Functions,Aditional Math&Discrete等模塊，這些是用戶常用模塊以及用戶自定義以及自行添加的模塊，使操作更加方便，更加人性化。3.3 dSPACE介紹dSPACE 是德國(guó)的一家國(guó)際性高科技公司，成立于 1988 年。公司除在德國(guó) Paderborn 設(shè)有總部以外，在美國(guó)的麻省還設(shè)有分部。目前，公司的主要產(chǎn)品方向：為控制工程項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和測(cè)試提供軟/硬平臺(tái)。dSPACE 實(shí)時(shí)仿真

39、系統(tǒng)是由dSPACE 公司開(kāi)發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink 的控制系統(tǒng)。作為一個(gè)全方位的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與測(cè)試平臺(tái)，dSPACE擁有簡(jiǎn)單易用的代碼生成及下載軟件、試驗(yàn)工具軟件，還擁有靈活性極強(qiáng)的硬件組合系統(tǒng)。 就軟件而言，考慮到大多數(shù)用戶使用 MATLAB 進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和各種模型的建立， dSPACE 將自己的代碼生成及下載軟件集成于 Matlab 中，實(shí)現(xiàn)了與 Matlab 的無(wú)縫連接。 從而允許用戶直接在 Matlab 中調(diào)用dSPACE 的各種函數(shù)庫(kù)如：實(shí)時(shí)接口RTI、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 MTRACE 及 MATLAB 到 dSPACE 的接口MLIB 等。雖然 dSPACE

40、的代碼生成及下載軟件、試驗(yàn)工具軟件都是模塊化的，但從用戶的實(shí)際需求出發(fā)，dSPACE提供了軟件組合 CDP 。CDP包括 Real-Time Interface, ControlDesk, MLIB/MTRACE 。CDP 配合 Matlab/Simulink/RTW ，就可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)測(cè)試的全過(guò)程：建立模型（控制系統(tǒng)及控制對(duì)象），離線仿真，設(shè)置實(shí)時(shí) I/O ，生成代碼，編譯及下載，試驗(yàn)，通過(guò) MATLAB 指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。 就硬件而言，dSPACE 針對(duì)不同用戶的需求，提供了多種可供選擇的方案：?jiǎn)伟逑到y(tǒng)：主要面向快速控制原型用戶；I/O數(shù)量有限，但包括了進(jìn)行快速控制原型設(shè)計(jì)所需的大多

41、數(shù) I/O（包括A/D ，D/A ，數(shù)字 I/O 等）。還特別考慮了驅(qū)動(dòng)應(yīng)用方面的需求，配有增量編碼器信號(hào)接口及 PWM 信號(hào)發(fā)生器。無(wú)論是用來(lái)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，還是直接用作核心控制板來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制都不失為一種較完美的選擇。 標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)：考慮到用戶需求的多樣性，dSPACE特別設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)，把處理器板，I/O板完全分開(kāi)，并提供多個(gè)系列和品種。這樣，就允許用戶根據(jù)特定需求隨意組裝，可以使用多塊處理器板、多塊（多種）I/O板，使系統(tǒng)的運(yùn)算速度、內(nèi)存及 I/O 能力均可大大擴(kuò)展，從而可以適應(yīng)特別復(fù)雜的應(yīng)用。車輛內(nèi)置式系統(tǒng)：dSPACE 還專門設(shè)計(jì)了車輛內(nèi)置式系統(tǒng)，用來(lái)滿足汽車、火車、飛機(jī)等用戶對(duì)

42、內(nèi)置式系統(tǒng)在空間體積、振動(dòng)和環(huán)境溫度上的需求。3.4標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)DS1005+各種I/O板卡dSPACE標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)是將實(shí)時(shí)系統(tǒng)和提供用戶接口的系統(tǒng)完全分開(kāi)。無(wú)論主機(jī)的要求多么復(fù)雜，也無(wú)論使用的是何種操作系統(tǒng),dSPACE實(shí)時(shí)硬件都能保證滿足每一采樣周期的準(zhǔn)確時(shí)間要求。所有的dSPACE標(biāo)準(zhǔn)組件板都必須至少配置一塊處理器板。所有的dSPACE標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)都是以DS1005為核心構(gòu)造的。處理器板通過(guò)高速32位總線（PHS總線）提供到I/O板的接口，通過(guò)ISA總線提供到主機(jī)的硬件接口。DS1005 PPC處理器板在I/O管理能力及數(shù)字運(yùn)算能力都非常強(qiáng)，運(yùn)算能力可達(dá)12.6 SPECfp

43、95，21.8 SPCEint95。其組成多處理器系統(tǒng)的CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸速率1.25Gbit/S。利用MATLAB/Simulink及dSPACE的實(shí)時(shí)接口庫(kù)（RTI-1005MP）可輕松完成對(duì)DS1005的編程。在MATLAB/Simulink環(huán)境下，無(wú)需寫任何一行代碼就可以增減并設(shè)置與DS1005板相連的所有I/O板。代碼的生成、編譯和下載簡(jiǎn)化為鼠標(biāo)的輕輕一點(diǎn)。對(duì)于那些直接用手工編寫的C代碼，dSPACE提供用來(lái)進(jìn)行初始化和訪問(wèn)I/O的基本C函數(shù)。在調(diào)試器、編譯器和下載軟件的幫助下同樣可以完成代碼向DS1005板的下載。圖3-4 實(shí)驗(yàn)室所用DS11054.程序編輯及仿真運(yùn)行4.1步進(jìn)電

44、機(jī)模型的搭建及仿真運(yùn)行在模型的搭載過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際中dSPACE的CP1103連接的為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入的脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，通過(guò)控制輸入端電平的高低來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的方向。搭載了如下模型，本模型中全部應(yīng)用方框圖，不涉及步進(jìn)電機(jī)的傳遞函數(shù)編輯等問(wèn)題。通過(guò)方框圖，節(jié)省了大量的時(shí)間。圖4-1 壓力控制Simulink仿真模型在本方框中，Simulink的subsystem，為自己編輯的頻率受控的正弦波函數(shù)，其內(nèi)容見(jiàn)圖4-2。另外，因?yàn)閷?shí)際中控制變量為壓力，而壓力由溫度傳感器產(chǎn)生，這一壓力傳感器函數(shù)傳遞的框圖模型目前已經(jīng)突破本人能力，所以在這里我們用步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)

45、角度來(lái)演示壓力控制。實(shí)踐證明，這個(gè)仿真系統(tǒng)和直接控制壓力的系統(tǒng)互通性非常好，并不影響實(shí)際效果。圖4-2 子系統(tǒng)subsystem的方框圖現(xiàn)在將Simulink模型進(jìn)行仿真運(yùn)行，在運(yùn)行中分別設(shè)置給定為100，-50，通過(guò)虛擬儀表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察以及數(shù)據(jù)記錄。進(jìn)程見(jiàn)4-3到4-5。圖4-3 給定為100時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)圖4-4 給定為-50時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)圖4-5 給定為100時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)仿真說(shuō)明以及仿真中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題:在前面部分已經(jīng)提過(guò)，用步進(jìn)電機(jī)所旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)代表壓力。給定正的值，來(lái)代表測(cè)量系統(tǒng)的壓力增加，給定負(fù)的值，來(lái)代表系統(tǒng)的壓力減小。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能并不是很好，經(jīng)過(guò)理論分析得知：步進(jìn)

46、電機(jī)本質(zhì)上是數(shù)字離散電機(jī)，直接接受數(shù)字量，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成位移信號(hào)，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部各控制變量高度非線性且相互耦合，而傳統(tǒng)PID控制是以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的，無(wú)法有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的不確定信息。用不變的PID參數(shù)不可能達(dá)到較好的控制結(jié)果。 模糊控制不需要對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)變化不敏感，魯棒性好，抗干擾性強(qiáng)。但是由于它的模糊性，穩(wěn)態(tài)精度不好。對(duì)于這種情況，可以把模糊控制和PID控制結(jié)合起來(lái)來(lái)完善這個(gè)步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)。但是由于時(shí)間的原因，本畢業(yè)設(shè)計(jì)中暫不設(shè)計(jì)和使用模糊PID算法，希望后來(lái)者能夠在控制算法上完善這一系統(tǒng)。4.2溫度控制系統(tǒng)的搭建及仿真實(shí)驗(yàn)中溫度

47、控制仿真系統(tǒng)的原理框圖見(jiàn)圖4-6。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： （17）式中：T為過(guò)程時(shí)間常數(shù)，K為調(diào)節(jié)系統(tǒng)總的放大倍數(shù)，為系統(tǒng)的純滯后時(shí)間。這三個(gè)值需要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)定，在這里我們使用飛升曲線法。圖4-6 溫度控制系統(tǒng)的原理框圖經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，我們得出在實(shí)驗(yàn)條件下，k為0.181，T為60，為20。將參數(shù)設(shè)定好之后的框圖見(jiàn)圖4-7。圖4-8對(duì)Simulink模型進(jìn)行仿真運(yùn)行的記錄。圖4-7 通過(guò)Simulink的溫度控制仿真圖4-8 設(shè)定為100時(shí)的階躍響應(yīng)我們所用的電阻絲加熱器加熱系統(tǒng)，具有純滯后和大慣性的特點(diǎn)：隨著延遲時(shí)間的增大，控制系統(tǒng)滯后也相應(yīng)增大，控制系統(tǒng)不能及時(shí)反映系統(tǒng)所受擾動(dòng)。誤差控制調(diào)節(jié)器的

48、作用也需要延遲一定時(shí)間才能作用到被控制的對(duì)象，因此常規(guī)的PID算法不能很好的滿足系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，在跟蹤設(shè)定值與抑制擾動(dòng)之間存在矛盾。并且常規(guī)的PID控制，容易出現(xiàn)以時(shí)間常數(shù)為間隔的微弱震蕩。文獻(xiàn)顯示，采用Smith預(yù)估結(jié)合PID算法，使延遲的被控制量提前反應(yīng)到調(diào)節(jié)器，并使之動(dòng)作，可以較好的滿足溫度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度要求。同樣，由于時(shí)間原因以及所做實(shí)驗(yàn)的精度要求，這里使用常規(guī)的PID算法，希望后續(xù)研究者能夠采取上述算法或者更好的方法，使溫度控制系統(tǒng)更加完善。4.3 dSPACE系統(tǒng)軟硬件的操作過(guò)程通過(guò)Matlab的命令窗口，在打開(kāi)時(shí)，我們選擇了此次實(shí)驗(yàn)的半實(shí)物仿真單板系統(tǒng)，D

49、S1105，通過(guò)輸入RTI,打開(kāi)dSPACE的接口庫(kù)，在里面我們選擇實(shí)驗(yàn)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，打開(kāi)simulation，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，然后，點(diǎn)擊“build”即可將框圖轉(zhuǎn)為c代碼。圖4-9 用I/O接口替換原來(lái)的虛擬實(shí)物圖4-10 build成功后的Matlab Command窗口顯示使用dSPACE的軟件ControlDesk可以方便的訪問(wèn)dSPACE硬件中所運(yùn)行的實(shí)時(shí)程序，進(jìn)行信號(hào)和參數(shù)的讀寫。使用ControlDesk，只要通過(guò)鼠標(biāo)的操作就能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行可視化和分析，例如畫出圖形、使用拖拉條對(duì)參數(shù)進(jìn)行可視化操作。圖4-11 Cont

50、roldesk進(jìn)行l(wèi)ayout設(shè)計(jì)頁(yè)面圖4-12 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中的自動(dòng)調(diào)整頁(yè)面圖4-13 實(shí)際輸出的矩形波圖4-14 實(shí)際運(yùn)行中的調(diào)制過(guò)程4.4數(shù)據(jù)采集處理及軟件界面設(shè)計(jì)溫度采集點(diǎn)1溫度采集點(diǎn)2溫度采集點(diǎn)3溫度采集點(diǎn)4溫度采集點(diǎn)5壓力采集點(diǎn)圖 4-15 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)圖4-16軟件界面設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中選擇四個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并將溫度調(diào)節(jié)曲線和壓力調(diào)節(jié)曲線通過(guò)虛擬儀表中的繪圖窗口實(shí)時(shí)曲線顯示。4.4畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，通過(guò)兩個(gè)多月的研究以及指導(dǎo)老師的點(diǎn)撥，已經(jīng)告于段落。此次畢設(shè)中最大的收獲莫過(guò)于對(duì)新知識(shí)的吸收和應(yīng)用，具體表現(xiàn)在幾個(gè)仿真模型的建立以及運(yùn)行。期間走過(guò)不少的彎路，但是時(shí)間并沒(méi)有浪費(fèi)，比如我曾經(jīng)用了兩

51、個(gè)星期自己設(shè)計(jì)了一個(gè)鉑電阻傳感器，甚至曾想購(gòu)買元件來(lái)自行制造出來(lái)，后來(lái)導(dǎo)師告訴我我們已經(jīng)有了可以使用的產(chǎn)品，不必自行制造；我曾經(jīng)花費(fèi)了一星期時(shí)間來(lái)對(duì)一般常用的小型直流電機(jī)進(jìn)行研究，研究它的傳遞函數(shù)以及控制方案，因?yàn)槿腴T是一件非常頭痛而艱巨的事情，當(dāng)我用自己搭載的模型向?qū)熣?qǐng)教時(shí)，導(dǎo)師告訴我我們所用的是步進(jìn)電機(jī)，而且從安全及現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，我的方案已經(jīng)偏離主題。但上述經(jīng)歷讓我懂得了很多的道理，無(wú)論是做事情還是做學(xué)問(wèn)，比如，在進(jìn)行一件項(xiàng)目時(shí)，首先要查清楚我們所要使用的器件，以及別人能夠提供給我們的設(shè)備和技術(shù)要求，而不是單純的憑借經(jīng)驗(yàn)和自己的主觀意識(shí)。當(dāng)然，上述事例讓我學(xué)

52、到了更多地知識(shí)，雖然對(duì)于本次畢設(shè)沒(méi)有很大幫助，但對(duì)于自己的知識(shí)儲(chǔ)備卻有很大的裨益。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，收獲還在于對(duì)仿真軟件上的使用上，比如我在設(shè)計(jì)恒流源時(shí)，使用了Multisim這一軟件，通過(guò)仿真，可以在設(shè)計(jì)之時(shí)，購(gòu)買元件之前，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并可以很方便的修改，避免了很多的彎路，而且可以讓自己把精力放在電路以及算法的優(yōu)化上。在這里很感激這些軟件的開(kāi)發(fā)商，還有Matlab/Simulink，難怪有說(shuō)法是，使用這些工具是我們站在專家的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，關(guān)于此次設(shè)計(jì)上，存在幾個(gè)有待改進(jìn)的地方，在論文中我都有提及以及建議，在這里我再次羅列補(bǔ)充一下，以方便讀者或者后續(xù)的研究者進(jìn)行改進(jìn)時(shí)有更好的方向，首先是PI

53、D控制的算法，現(xiàn)在的熱點(diǎn)和實(shí)用性的方案便是模糊PID控制，在畢設(shè)中我也曾經(jīng)參考過(guò)這方面的資料，但是因?yàn)榇蟛糠值木Χ挤旁诹藢W(xué)習(xí)dSPACE這一先進(jìn)平臺(tái)的學(xué)習(xí)上，后期已經(jīng)沒(méi)有精力進(jìn)行對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化。其次便是實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)上，本來(lái)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)，但是實(shí)際操作中，發(fā)現(xiàn)我們的硬件有很大的提升空間，比如可以更改電機(jī)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)本身的離散控制特點(diǎn)，所以將它作為伺服電機(jī)時(shí)，即使算法再好，控制的精度總會(huì)有些影響，其二是界面接觸的金屬并不是很容易拆卸和組裝，可以從設(shè)計(jì)上進(jìn)行修改，以方便我們可以很好的更換工件，讓我們的研究不僅僅是停留在學(xué)校的一個(gè)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，而是使其具有更加廣泛的實(shí)際價(jià)值和學(xué)術(shù)交流的意義。

54、致謝本研究及學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師陳進(jìn)教授的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。在這里向我的指導(dǎo)老師陳進(jìn)教授表示感謝。同時(shí)還要感謝鄭璞老師，感謝其在本人畢業(yè)設(shè)計(jì)期間提供實(shí)驗(yàn)室，讓我節(jié)約了大量的時(shí)間來(lái)進(jìn)行工作，而不是疲于尋找可以使用的實(shí)驗(yàn)室上。尤其是我在測(cè)繪放大電路的電路板時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)用表節(jié)省了我大量的時(shí)間。另外，感謝自動(dòng)化專業(yè)的所有教過(guò)以及幫助過(guò)我的老師，自從大三專業(yè)學(xué)習(xí)以來(lái)，他們給我的個(gè)人進(jìn)步提供了太多的幫助，比如本次的PID控制，多虧徐潔老師在運(yùn)動(dòng)控制課上的啟發(fā);本次所用仿真軟件之一的Multisim，是周瑾老師曾經(jīng)教過(guò)我們使用的;原理框圖以及計(jì)算流程，是在上微機(jī)控制技術(shù)上胡志華老師給予的啟發(fā)，模擬電路的注意事項(xiàng)以及運(yùn)算放大器的計(jì)算和反饋電路計(jì)算，是張帆老師在高級(jí)維修電工培訓(xùn)時(shí)指導(dǎo)的內(nèi)容感謝同寢室的洪通拉嘎同學(xué)，同專業(yè)的楊國(guó)棟同學(xué)，在我畢設(shè)進(jìn)行中遇到大的困難，頭痛愁苦時(shí)，他們給了我很大的鼓勵(lì)，并給了我很多建議；感謝葉世文同學(xué)，在我學(xué)習(xí)Matlab時(shí)提供了寶貴建議和幫助，讓我在短期內(nèi)熟悉了軟件的使用在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長(zhǎng)大含辛茹苦的父母，謝謝你們! 此