【正文】 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本科畢業(yè)論文 題 目：固體界面?zhèn)鳠嶙詣?dòng)測量系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì) 學(xué) 生：　　 z 專 業(yè)：　 自動(dòng)化　 年 級：　　 2008級　　 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)測量系統(tǒng)：該測量系統(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)果符合控制要求的基礎(chǔ)上，利用dSPACE軟件中相關(guān)組件，通過加入I/O口來替換方框圖中步進(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 Measurement 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 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 offline simulation in the Matlab software, conforms to in the control request foundation in the experimental result, using the dSPACE software ponents, 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 realtime semiphysical 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 pared with the full virtual simulation, semiphysical simulation of the experimental results and data are more reliable, more practical. Key words: interface heat transfer。 dSPACE。 Matlab。 sensor。 Semiphysical simulation目錄1 緒論 1 1 2 32 固體界面?zhèn)鳠釡y量系統(tǒng)硬件介紹 4 4 5 8 10 電阻絲（加熱器） 12 15 16 SIMULINK的簡單介紹 18 DSPACE介紹 20+各種I/O板卡 21 22 22 25 DSPACE系統(tǒng)軟硬件的操作過程 26 30 30致謝 32參考文獻(xiàn): 33 1 緒論漢語“界面”一詞的意義是“物體與物體之間的接觸面”(現(xiàn)代漢語詞典，中國商務(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。熱量在傳遞過程中必然通過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，熱量是通過充滿空隙的流體的導(dǎo)熱、對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11 接觸面?zhèn)鳠崾疽鈭D固體界面?zhèn)鳠釂栴}與人類息息相關(guān)，無論是人們?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)鳠釂栴}。如今普遍使用的個(gè)人電腦，其芯片(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)鳠釂栴}；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1/3～1/2，對系統(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)外的熱交換過程，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、高功率密度器件之間的熱量傳遞主要是通過接觸導(dǎo)熱方式來完成的。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，通過輻射器把熱量輻射到空間。界面?zhèn)鳠釂栴}涉及面非常廣。首先，有物質(zhì)不同形態(tài)之間界面?zhèn)鳠釂栴}，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儲備，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)鳠釂栴}，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)。并且對部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了近似處理，使問題研究簡單化，使可行性提高，本課題拋磚引玉的意義比較大，后續(xù)研究者對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行算法優(yōu)化和設(shè)備改善，會(huì)使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量系統(tǒng)硬件介紹本測量系統(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)圖以及尺寸圖見圖21。12ab4dc53 圖211）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 c）固定套管 d）頂盤 圖23 常見步進(jìn)電機(jī)外形步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件。圖23是一種常見的步進(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24 經(jīng)典步進(jìn)電機(jī)剖面圖圖24是最常見的三相反應(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60186。，連成A、B、C三相繞組。轉(zhuǎn)子上均布40個(gè)小齒。所以每個(gè)齒的齒距為θ=360186。/40=9186。，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3186。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，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)子齒對齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過3186。；此時(shí)A、C磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開三分之一齒距。接著停止對B相繞組通電，而改為C相繞組通電，同理受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向再轉(zhuǎn)過3186。依次類推，當(dāng)三相繞組按A→B→C→A順序循環(huán)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)按順時(shí)針方向，以每個(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)3186。的規(guī)律步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)起來。若改變通