1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于网络实验平台的温度控制系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 温度已成为工业对象控制中一种重要的参数。可是由于温度自身的一些特点 ,如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等 ,给控制过程带来了难题。本文通过温度传感器感应 2 个热敏电阻 R1 和 R2 的温度，研究通过网络实验平台控制方案对电阻温度进行控制。 网络实验平台需要通过软总线 LabMap连接，多台实验设备通过软总线连接，并可由一个工作站控制。通过软总线 LabMap 的支持，网络（以太网 /Mo
2、dbus）中的每台实验设备都能对所有学生开放，其工作原理好比网络中的共享打印机。学校搭建网络实验平台需要大量资金投入，不过好处显而易见，同学们可以直接在计算机进行工业自动控制实验。 本设计完成 4个实验项目 :（ 1） simu-link 的使用实 验；（ 2） labmap 的使用实验；（ 3）句柄 handle 的设置实验；（ 4）温度控制系统设计。最主要是用 Matlab仿真软件和 MTU 温度控制测量模型来完成的实验。 Matlab/simulink 用来反映温度变化的曲线。 MTU 温度控制测量模型是用 2个串联的热敏电阻与接线柱的断开和连接来控制温度的升降。它有一个温度感应器，是塑
3、胶的，感应温度的变化，在通过 Simulink 仿真软件形象的表达了温度变化的过程。 关键词 ： LabMap； MATLAB；网络实验平台；温度控制 - 2 - Abstract Temperature is one of the main parameters controlled in the industrial process. But it is very difficult to control temperature well because of some characteristics of the temperature itself. This article thro
4、ugh temperature sensors 2 thermistors R1 and R2 temperature, research through the network experiment platform of resistance temperature control scheme for the control. Network experiment platform need through the soft bus LabMap connection, many sets of experimental equipment through the soft bus co
5、nnections, and can control by a workstation. Through the soft bus LabMap support, network (Ethernet/Modbus) of each machine to experimental equipment is open to all students, the working principle of Shared printer is network. This design completed four experiments project: (1) the use of simu - lin
6、k experiment; (2) the use of labmap experiment; (3) handle handle Settings experiment; (4) temperature control system design. Most major is Matlab simulation software and MTU temperature control measurement model to do experiments. Matlab/simulink used to reflect the temperature variation of curve.
7、MTU temperature control measurement model with two series is the thermistors and connected to the disconnect and tweeters control temperature fluctuation. It has a temperature sensor, is the plastic, sensing the change in temperature, by Simulink software image in the expressed temperature variation
8、 of process. Key words: LabMap; MATLAB; Network experiment; Temperature control - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 总体设计 .2 3 硬件设计 .3 3.1 MATLAB简介 .3 3.1.1 Matlab历史 .3 3.1.2 Matlab应用 .4 3.2 单机网络实验平台 .4 3.3 网络实验平台 .5 3.4 温度控制模块 .6 3.4.1 MTU 作用 .6 3.4.2 MTU 组成部分 .7 3.4.3 注意事项 .7 4 实验设计 .8 4.1 SIMU-LINK的使用实验 .8 4.1.1
9、实验目的 .8 4.1.2 实验设备和仪器 .8 4.1.3 实验原理 .8 4.1.4 实验内容 .9 4.2 LABMAP的使用实验 .13 4.2.1 实验目的 .13 4.2.2 实验设备和仪器 .13 4.2.3 实验原理 .13 4.2.4 实验内容 .14 4.3 句柄 HANDLE的设置实验 .16 4.3.1 实验目的 .16 4.3.2 实验设备和仪器 .16 4.3.3 实验原理 .16 4.3.4 实验内容 .17 4.4 温度控制系统设计 .19 4.4.1 实验目的 .19 4.4.2 实验设备和仪器 .19 4.4.3 实验原理 .20 4.4.4 实验内容 .2
10、0 5 结论 .26 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .27 附录 1 系统实物图 .28 - 1 - 1 引言 近几年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数。 温度控制系统在我国各行业的应用已经十分广泛， 对工业生产的发展产生重要的影响 1。 温度控制技术是一种比较重要的工业技术，不仅应用在化工、医疗、航空、航天等高科技领域，还应用在人们的日常生活中。随着科技的发展，越来越多类型的温度控制系统广泛应用到生活中，目前在国防、航空、交通、能源、工业、通信等各个领域，越来越发挥着极其重要的作用 2。 温度控制在我国电子、冶金、机械等工业领域应
11、用非常广泛。由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。目前，仍有相当部分工业企业使用的窑炉存在着控制精度不高，炉内温度均匀性差等问题，达不到工艺要求，造成装备运行成本高，产出品品质低下，严重影响企业经济效益，急需进行技术改造 3。 本设计是一个采用通用 温度传感器感应 2 个热敏电阻 R1 和 R2的温度，研究合适的控制方案对电温度进行控制 ,要求是超调量为零且稳态误差在 1内。 我们这里主要是用 matlab 和 MTU 温度控制测量模型 来完成的实验。Matlab/simulink 用来反映温度变化的曲线。 MTU 温度控制测量模型是用 2 个串联的
12、热敏电阻与接线柱的断开和连接来控制温度的升降。它有一个温度感应器，是塑胶的，感应温度的变化，在通过 simulink 仿真形象的表达了温度变化的过 程。 建设以软总线技术为核心的工业网络控制综合实验平台，采用德国 CBB 公司的 labmap 软总线技术，结合 Wago 公司提供的现场总线设备，连接电机拖动、 PLC、温度控制装置等，进行网络测控。基于 labmap 软总线技术可实现分布式组网和控制，通过控制 /耦合器和工业以太 网与电脑连接，使用者可以在电脑上使用 CBB公司提供的 Labmap 软件实现网络测控 4。 - 2 - 2 总体设计 本实验重点是 MTU(温度控制测量模型 )。
13、MTU 温度控制测量模型是用 2 个串联的热敏电阻与接线柱的断开和连接来控制温度的升降。它有一个温度感应器，是塑胶的，感应温度的变化，在通过 simulink 仿真形象的表达了温度变化的过程。 实验室有多台电脑和 MTU 的各种模型。每个 MTU 模型都有各自的 IP。输入各自的 IP 能控制相关的 MTU。实验设备主要是 MTU 温度控制模型，实验室已经存在的。本次设计主要是通过 Matlab/simukink 设计程序，使温度从低到高，在到恒定值。 本设计要求应用 CATS 系统设计出基于网络实验平台的温度控制实验项目： （ 1） simu-link 的使用实验 （ 2） labmap 的
14、使用实验 （ 3）句柄 handle 的设置实验 （ 4）温度控制系统设计 - 3 - 3 硬件设计 本系统选用的低成本配备现代化的全套实验设备，为单体实验平台和网络实验平台。 3.1 MATLAB 简介 MATLAB 是一个高层次的技术计算语言和用于算法开发，数据可视化，数据分析以及数值计算的交互式环境。利用 MATLAB 产品，我们可以更快地解决 技术计算问题比传统的编程语言，如 C 语言， C + +和 Fortran。 由 The MathWorks 公司开发的，允许 MATLAB 的矩阵操作，绘制函数和数据，算法的实现，用户界面的创建，并与其他语言的程序接口。虽然它是数字而已，一个可
15、选的工具箱使用 MuPAD 象征性的引擎，允许进入计算机代数的能力。额外的套件， Simulink 中，增加了对嵌入式系统的图形化动态和多域仿真和基于模型的设计。 3.1.1 Matlab 历史 基于 MATLAB（意为 “ 矩阵实验室 ” ）是由克利夫莫勒发明的 。 1980 年前后，当时 的新墨西哥大 学计算机系主任莫勒教授在讲授线性代数课程时，发现了用其他高级语言编程极为不便，便构思并开发了 MATLAB (MATrix LABoratory，即矩阵实验室 ), 这一软件利用了当时数值线性代数领域最高水平的 EISPACK 和 LINPACK 两大软件包中可靠的子程序，用 Fortran
16、 语言编写了集命令翻译、科学计算于一身的一套交互式软件系统。它很快蔓延到其他大学，发现在应用数学界一个强有力的观众。， 一个叫杰克的 工程师，在 1983 年到斯坦福大学访问莫勒时 接触到它。 他马上 认识到它的商业潜力， 并且 加入了莫勒 和史蒂夫班格特。他们在 C重写 MATLAB 和 MathWorks 公司成立于 1984 年继续发展。这些被称为改写库 JACKPAC。 2000 年， MATLAB 的使用 和 矩阵操作被重写，设置新的 LAPACK 库。目前， MATLAB 已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在的 MATLAB 已经不仅仅是一个 “ 矩阵实验室 ” 了
17、，它已经成为了一种具有广泛应用- 4 - 前景的全新的计算机高级编程语言了 ,有人称它为 “ 第四代 ” 计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色 。 3.1.2 Matlab 应用 MATLAB 的应用范 围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题 5。虽然 MATLAB 语言是计算数学专家倡导并开发的，但其普及和发展离不开自动控制领域学者的贡献。 甚至可以 这样 说， MATLAB 语言是自动控制领域
18、学者和工程技术人员捧红的， 这是 因为在 MATLAB 语言的发展进程中，许多有代表性的成就和控制界的要求与贡献是分不开的。迄今为止，大多数工 具箱也都是控制方面的。 MATLAB 具有强大的数学运算能力、方便实用的绘图功能及语言的高度集成性，它在其他科学与工程领域的应用也是越来越 广泛 ，并且有着更广阔的应用前景和无穷尽的潜能。 数值 分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿真 数字图像处理 技术 数字信号处理 技术 通讯系统设计与仿真 财务与金融工程 3.2 单机网络实验平台 目前，各个大学以及高等职业院校的课程学习与研究变得更为紧密。因而在控制工程专业、自动化专业以及控制
19、技术专业，教学目标要求学生能更有效的把理论与实践有机 地结合起来 6。通过 “CATS” 实验设备，自动化领域的论文、仿真以及测试便可像实际工业应用一样，以一种易于理解的方式逐步建立起来。通- 5 - 过带有中间件技术的 “CATS” 进行控制和调节实验 就像工业中的过程自动化一样 7。 图 3-1 单机实验设备 如图 3-1可以直接从软件仿真到硬件测试，无需代码汇编与下载 ! 通过 “CATS” 实验设备以及仿真软件（例如 Matlab/Simulink）就可以建立起一套完整的单机实验平台。 实验设备自带软实时请求（ 10 ms），并且能在没有外部实时操作环境的微软操作系统下运行 。 3.3
20、 网络实验平台 网络实验平台是单体实验平台的进化，单机实验网络化能使学生们通过中间件对网络中任意实验设备进行控制。而网络实验平台通过软总线 LabMap 的支持，网络（以太网 /Modbus）中的每台实验设备都能对所有学生开放，其工作原理好比网络中的共享打印机。如图 3-2。 - 6 - 图 3-2 网络实验平台 网络实验平台是将单机实验网络化，使所有工作站的电脑都能控制多台实验设备。网络实验平台是 结合该实验室的实际情况 ， 采用了远程控制实验设备的方法来实现网络实验 。 实验者可以通过自己的计算机与控制计算机的通 讯 ， 实现对与控制机相连的实验设备的控制 ， 达到远程实验的目的 8。 3.4 温度控制模块 图 3-3 温度测量与控制模块 3.4.1 MTU 作用 MTU（温度测量与控制 模型 ） 如图 3-3 的目的是通过适当的脉冲宽度 调制来
