【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 見(jiàn)附表。③MATLAB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?。④語(yǔ)法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)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。⑤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。⑥MATLAB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。⑦M(jìn)ATLAB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。⑧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、munication 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。⑨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MATLAB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。 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33 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） 　　Functionamp。Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊） 　　Math（數(shù)學(xué)模塊） 　　Nonlinear（非線性模塊） 　　Signalsamp。Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊） 　　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，UserDefined Functions,Aditional Mathamp。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。 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 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 RealTime 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)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。+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)， SPECfp95， SPCEint95。其組成多處理器系統(tǒng)的CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。利用MATLAB/Simulink及dSPACE的實(shí)時(shí)接口庫(kù)（RTI1005MP）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34 實(shí)驗(yàn)室所用DS1105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41 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42。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)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42 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)43到45。圖43 給定為100時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)圖44 給定為50時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)圖45 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)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)。實(shí)驗(yàn)中溫度控制仿真系統(tǒng)的原理框圖見(jiàn)圖46。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46 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，T為60，為20。將參數(shù)設(shè)定好之后的框圖見(jiàn)圖47。圖48對(duì)Simulink模型進(jìn)行仿真運(yùn)行的記錄。圖47 通過(guò)Simulink的溫度控制仿真圖48 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。 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)，DS1105，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49 用I/O接口替換原來(lái)的虛擬實(shí)物圖410 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(huà)出圖形、使用拖拉條對(duì)參數(shù)進(jìn)行可視化操作。圖411 Controldesk進(jìn)行l(wèi)ayout設(shè)計(jì)頁(yè)面圖412 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中的自動(dòng)調(diào)整頁(yè)面圖413 實(shí)際輸出的矩形波圖414 實(shí)際運(yùn)行中的調(diào)制過(guò)程溫度采集點(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 415 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)圖416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。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)