丁相+王春平

摘要：該文提出一種新的基于Visual c++的水滅火系統(tǒng)仿真模型，通過將C++代碼轉(zhuǎn)換成C代碼植入到仿真模型中，可以大大優(yōu)化仿真模型的開發(fā)，該文中Simulink軟件和VSULAL C++軟件的優(yōu)點在仿真模型中得到完整的體現(xiàn)。該文還詳細討論了水滅火仿真系統(tǒng)的開發(fā)和實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：消防系統(tǒng)；Simulink；VC++

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）19-4530-05

Water Fire Fighting System Simulation Based on Simulink

DI Xiang， WANG Chun-ping

（Zhengzhou Fire Detachment， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： This paper presents an approach to integrate simulation model with Visual C++ easily by translating simulation model to embedded C++ code. Then the advantages of Simulink and Visual C++ are fully used by this approach. According to a real example the development steps and realization of water fire fighting system based on this approach is discussed in detail.

Key words： Fire Fighting System； Simulink； VC++

1 概述

目前市場對消防系統(tǒng)的需求越來越高， 對系統(tǒng)的處理速度要求也是越來越快，因此，消防系統(tǒng)的開發(fā)面臨著快速發(fā)展和設(shè)計全面之間的矛盾。如何同時進行系統(tǒng)的設(shè)計、實施、測試和生產(chǎn)，對于消防系統(tǒng)的發(fā)展至關(guān)重要。本系統(tǒng)開發(fā)軟件中使用Matlab語言創(chuàng)建一個新的圖形化建模工具，消除了程序代碼造成的效率低下和復(fù)雜的編程，可以便捷地創(chuàng)建一個系統(tǒng)模型（例如，面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型，控制器模型），通過控制算法仿真觀察到該仿真模型的性能；而且，如果設(shè)計的控制算法不理想，可以快速修改設(shè)計和重復(fù)本次實驗，直到找到一個完美的控制方案。至于控制算法的具體實現(xiàn)不需要手動開發(fā)，通過建立在RTW工具Simulink_RTW仿真軟件可以進行開發(fā)。RTW工具可以把仿真模型轉(zhuǎn)換成C / C++代碼，這就可以在Matlab環(huán)境下獨立運行并且讀取到內(nèi)存中，從而大大減少了軟件工程師的工作負(fù)載。Simulink仿真軟件是一個著名的圖形化建模與仿真工具， 其便捷及靈活的建模功能可以仿真電子、電路、控制工程、信號處理等領(lǐng)域的問題，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真。該文提出的水滅火仿真系統(tǒng)綜合以上所示各種特點，只需要在工作站終端上運行，利用電力系統(tǒng)工作原理形象仿真滅火系統(tǒng)。

2 運行環(huán)境和仿真理論

2.1 運行環(huán)境

水滅火仿真系統(tǒng)的運行原理與電力系統(tǒng)的原理類似，電力系統(tǒng)的仿真技術(shù)是一項非常成熟的技術(shù)，因此，可以利用電力系統(tǒng)的工作原理仿真消防系統(tǒng)的運行環(huán)境。系統(tǒng)的運行軟件環(huán)境包括：

1） MATLAB 7.0軟件

2） Simulink 6.2軟件

3） RTW 6.2軟件

4） VC++6.0

2.2 仿真理論

對于水滅火系統(tǒng)的仿真，我們基于以下幾點前提條件：

1） 假設(shè)水滅火系統(tǒng)中滅火的水是理想的流體，因此可以采用伯努利方程的動力學(xué)分析。

2） 水滅火系統(tǒng)中因高度差產(chǎn)生的水壓力可以忽略不計。

3） 所有滅火的出水管道具有相同的剖面，各支管的剖面是相通的，消防栓也相同的大小。

4） 忽略管道彎曲造成的誤差，根據(jù)伯努利工程：

[P+ρV22+ρ?g?h=C] （1）

我們能夠得出下面兩組結(jié)論：

1） 任何測量點的水壓力等于消防泵的壓力。

2） 與消防泵相連的任意剖面，其流量與剖面的面積成正比，圖1表示消防系統(tǒng)的示意圖：

圖1 滅火系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)出水管道1的出口壓力為0.7MPA，其最大的流量為350立方米每小時。管道2的參數(shù)與1相同。因此，根據(jù)以上兩種管道的參數(shù)，我們可以得出一下結(jié)論：

1） 根據(jù)上述條件，每個消防栓的氣壓為0.7MPA。

2） 每個消防栓的水流量為140立方米每小時

在動力系統(tǒng)中，根據(jù)歐姆定律和電壓電流關(guān)系式：

[I1+I2+I3+…=I] （2）

[U1=U2=U3=…=U] （3）

根據(jù)動力系統(tǒng)相關(guān)定律，假設(shè)電路的電壓為0.7伏特，那么經(jīng)過每個電阻的電流為140安。如果要利用電力系統(tǒng)仿真實時的水滅火系統(tǒng)，就需要有兩套電力仿真系統(tǒng)。因為電路的電流與電路的電阻是密切相關(guān)的。如果我們需要形象的觀察消防栓的水壓，那么消防栓就必須認(rèn)作是一個電壓源。如果要觀察通過消防栓的水流量，那么消防栓可以認(rèn)為是一個電流源。

圖2 電路仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 仿真模型

假設(shè)出水管作為電壓源或者電流源，以電路的開發(fā)模擬消防栓的開關(guān)，如圖3所示：

圖3 電路仿真設(shè)備圖

在圖4中，以電阻表示滅火仿真系統(tǒng)中的消防栓：

圖4 消防栓仿真示意圖

滅火仿真系統(tǒng)中的噴水管可以認(rèn)為是電力系統(tǒng)中的電線，消防閥門可以開關(guān)表示，如圖5表示：

圖5 電路系統(tǒng)仿真示意圖

在仿真系統(tǒng)中，噴水壓力計以電壓表表示，以電流表表示水的流動值，如下圖所示：

圖6 電壓電流仿真示意圖

4 利用Simulink軟件生成C++代碼

為了實現(xiàn)以上仿真性能，我們創(chuàng)建兩個電力仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 通過程序調(diào)試后， Simulink軟件便可以將目標(biāo)信號的參數(shù)設(shè)為仿真模型中的全局變量，模型就可以自動生成的仿真系統(tǒng)的可執(zhí)行代碼，并在線調(diào)試模型參數(shù)和信號情況。根據(jù)上述思路，我們做了以下仿真試驗：

選擇Simulink模型，設(shè)置好信號和電壓參數(shù)等。

圖7 信號參數(shù)設(shè)置

如圖7所示，將信號量設(shè)置為全局變量。那么Simulink軟件可以自動生成代碼，并分為兩個部分：一個是模型代碼；另一個是接口代碼（運行時間接口）。為了管理仿真系統(tǒng)的項目開發(fā)，Simulink軟件將源代碼切成許多代碼文件， 通過VC軟件可以打開的文件和編譯，在仿真系統(tǒng)中所有的安裝源文件可以復(fù)制。

5 將代碼植入模型

根據(jù)VC軟件實現(xiàn)模型代碼的集成相對簡單，將所有仿真系統(tǒng)的計算模塊文件應(yīng)該都添加到VC程序中。因此，我們完成以下步驟：

圖8 仿真模型的接口函數(shù)

1）在VC程序源文件中可以設(shè)置頭文件編譯的默認(rèn)選項，這樣的設(shè)置必須是手動設(shè)置。具體的操作方法如下：

首先，選擇項目VC菜單- >選擇“設(shè)置項對話框”；其次，在類別選擇—預(yù)編譯頭文件里選擇C / C++中的etr_main.cpp文件，如圖9：

圖9 仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

2）在預(yù)定義的SXF.h文件中定義MODEL= * *，RT，NUMST = 2，TID01EQ = 1，NCSTATES = 4，MT= 0，USE_RTMODEL；

3）為了在VC調(diào)用過程模擬代碼接口功能，必須定義全局變量。在VC程序類頭文件中添加下面應(yīng)用程序的代碼。

extern void sxf_initialize （boolean_T firstTime）；

extern void sxf_terminate （void）；

extern void rt_oneStep （）；

這個代碼是涵蓋所有仿真功能。仿真軟件一般包括人機界面、數(shù)據(jù)采集模塊、仿真計算模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。滅火系統(tǒng)流程圖的仿真結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 仿真系統(tǒng)架構(gòu)圖

6 模塊的實現(xiàn)

6.1 人機接口模塊的實現(xiàn)

人機接口模塊是VC程序的主線程，主要目標(biāo)是完成實時變量顯示，參數(shù)調(diào)整，參數(shù)控制和程序操作控制和其他同步功能。系統(tǒng)變量參數(shù)與實時顯示包括消防泵的壓力、消防泵流量、消防栓的壓力、消防栓的通量、閥門和管道狀況。考慮到設(shè)計更友好的人機交互界面，消防泵、閥門、消息框、功能按鈕的設(shè)計一定要充分利用面向?qū)ο蟮姆庋b性和繼承性。

6.2 仿真計算模塊

仿真模型計算模塊完成計算，也是整個系統(tǒng)的核心。為滿足實時仿真的要求，Simulink仿真模型采用同步控制仿真的設(shè)計思路，每2毫秒調(diào)用函數(shù)模型代碼接口rt_OneStep，以確保整個仿真正常運行。

6.3 數(shù)據(jù)處理模塊的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊的目的是為完成仿真實時記錄和節(jié)省時間。為了滿足真正的時間數(shù)據(jù)記錄，仿真程序使用一個多線程技術(shù)。一方面數(shù)據(jù)支持鼠標(biāo)設(shè)備相應(yīng)的屬性，另一方面通過系統(tǒng)編輯框顯示每個設(shè)備的屬性。因此，通過性能的設(shè)備，計算消防系統(tǒng)滅火管可以工作的數(shù)量和良好率。

最終的仿真平臺構(gòu)建通過仿真軟件的RTW實現(xiàn)如圖11所示。

圖11 水滅火仿真系統(tǒng)工作流程圖

7 總結(jié)

本文詳細介紹了利用Visual c++和simulink軟件的水滅火仿真系統(tǒng)的開發(fā)實例，首次利用simulink仿真軟件可視化功能建模仿真系統(tǒng)，并利用RTW工具包將翻譯仿真軟件模型編譯成嵌入式的C++代碼。最后，在Visual C++編程環(huán)境下， 仿真模型自定義成一個實時的仿真系統(tǒng)，并且在Visual C++環(huán)境中調(diào)試成功。本仿真系統(tǒng)的開發(fā)優(yōu)化了滅火系統(tǒng)的仿真模型，簡化了開發(fā)難度。

參考文獻：

[1] GB50084-2001火災(zāi)自動噴水滅火系統(tǒng)代碼設(shè)計[M].北京：中國計劃出版社，2001.

[2] Mathworks Company.Real-Time Windows Target Users Guide Version 2[M/CD].U.S.PP：213-214.

[3] Mathworks Company.Writing S-Functions Version 6 [M/CD].U.S.PP：32-34.

[4] David J.Kruglinski. Technology Inside Visual C++（Fourth Edition）[M]. Press QingHua Univ.1999：156-159.

[5] Taiwan.ADVANTECH Co.Ltd.PCI-1780 User Manual[M/CD].2005：106-107.

假設(shè)出水管作為電壓源或者電流源，以電路的開發(fā)模擬消防栓的開關(guān)，如圖3所示：

圖3 電路仿真設(shè)備圖

在圖4中，以電阻表示滅火仿真系統(tǒng)中的消防栓：

圖4 消防栓仿真示意圖

滅火仿真系統(tǒng)中的噴水管可以認(rèn)為是電力系統(tǒng)中的電線，消防閥門可以開關(guān)表示，如圖5表示：

圖5 電路系統(tǒng)仿真示意圖

在仿真系統(tǒng)中，噴水壓力計以電壓表表示，以電流表表示水的流動值，如下圖所示：

圖6 電壓電流仿真示意圖

4 利用Simulink軟件生成C++代碼

為了實現(xiàn)以上仿真性能，我們創(chuàng)建兩個電力仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 通過程序調(diào)試后， Simulink軟件便可以將目標(biāo)信號的參數(shù)設(shè)為仿真模型中的全局變量，模型就可以自動生成的仿真系統(tǒng)的可執(zhí)行代碼，并在線調(diào)試模型參數(shù)和信號情況。根據(jù)上述思路，我們做了以下仿真試驗：

選擇Simulink模型，設(shè)置好信號和電壓參數(shù)等。

圖7 信號參數(shù)設(shè)置

如圖7所示，將信號量設(shè)置為全局變量。那么Simulink軟件可以自動生成代碼，并分為兩個部分：一個是模型代碼；另一個是接口代碼（運行時間接口）。為了管理仿真系統(tǒng)的項目開發(fā)，Simulink軟件將源代碼切成許多代碼文件， 通過VC軟件可以打開的文件和編譯，在仿真系統(tǒng)中所有的安裝源文件可以復(fù)制。

5 將代碼植入模型

根據(jù)VC軟件實現(xiàn)模型代碼的集成相對簡單，將所有仿真系統(tǒng)的計算模塊文件應(yīng)該都添加到VC程序中。因此，我們完成以下步驟：

圖8 仿真模型的接口函數(shù)

1）在VC程序源文件中可以設(shè)置頭文件編譯的默認(rèn)選項，這樣的設(shè)置必須是手動設(shè)置。具體的操作方法如下：

首先，選擇項目VC菜單- >選擇“設(shè)置項對話框”；其次，在類別選擇—預(yù)編譯頭文件里選擇C / C++中的etr_main.cpp文件，如圖9：

圖9 仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

2）在預(yù)定義的SXF.h文件中定義MODEL= * *，RT，NUMST = 2，TID01EQ = 1，NCSTATES = 4，MT= 0，USE_RTMODEL；

3）為了在VC調(diào)用過程模擬代碼接口功能，必須定義全局變量。在VC程序類頭文件中添加下面應(yīng)用程序的代碼。

extern void sxf_initialize （boolean_T firstTime）；

extern void sxf_terminate （void）；

extern void rt_oneStep （）；

這個代碼是涵蓋所有仿真功能。仿真軟件一般包括人機界面、數(shù)據(jù)采集模塊、仿真計算模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。滅火系統(tǒng)流程圖的仿真結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 仿真系統(tǒng)架構(gòu)圖

6 模塊的實現(xiàn)

6.1 人機接口模塊的實現(xiàn)

人機接口模塊是VC程序的主線程，主要目標(biāo)是完成實時變量顯示，參數(shù)調(diào)整，參數(shù)控制和程序操作控制和其他同步功能。系統(tǒng)變量參數(shù)與實時顯示包括消防泵的壓力、消防泵流量、消防栓的壓力、消防栓的通量、閥門和管道狀況。考慮到設(shè)計更友好的人機交互界面，消防泵、閥門、消息框、功能按鈕的設(shè)計一定要充分利用面向?qū)ο蟮姆庋b性和繼承性。

6.2 仿真計算模塊

仿真模型計算模塊完成計算，也是整個系統(tǒng)的核心。為滿足實時仿真的要求，Simulink仿真模型采用同步控制仿真的設(shè)計思路，每2毫秒調(diào)用函數(shù)模型代碼接口rt_OneStep，以確保整個仿真正常運行。

6.3 數(shù)據(jù)處理模塊的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊的目的是為完成仿真實時記錄和節(jié)省時間。為了滿足真正的時間數(shù)據(jù)記錄，仿真程序使用一個多線程技術(shù)。一方面數(shù)據(jù)支持鼠標(biāo)設(shè)備相應(yīng)的屬性，另一方面通過系統(tǒng)編輯框顯示每個設(shè)備的屬性。因此，通過性能的設(shè)備，計算消防系統(tǒng)滅火管可以工作的數(shù)量和良好率。

最終的仿真平臺構(gòu)建通過仿真軟件的RTW實現(xiàn)如圖11所示。

圖11 水滅火仿真系統(tǒng)工作流程圖

7 總結(jié)

本文詳細介紹了利用Visual c++和simulink軟件的水滅火仿真系統(tǒng)的開發(fā)實例，首次利用simulink仿真軟件可視化功能建模仿真系統(tǒng)，并利用RTW工具包將翻譯仿真軟件模型編譯成嵌入式的C++代碼。最后，在Visual C++編程環(huán)境下， 仿真模型自定義成一個實時的仿真系統(tǒng)，并且在Visual C++環(huán)境中調(diào)試成功。本仿真系統(tǒng)的開發(fā)優(yōu)化了滅火系統(tǒng)的仿真模型，簡化了開發(fā)難度。

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[4] David J.Kruglinski. Technology Inside Visual C++（Fourth Edition）[M]. Press QingHua Univ.1999：156-159.

[5] Taiwan.ADVANTECH Co.Ltd.PCI-1780 User Manual[M/CD].2005：106-107.

假設(shè)出水管作為電壓源或者電流源，以電路的開發(fā)模擬消防栓的開關(guān)，如圖3所示：

圖3 電路仿真設(shè)備圖

在圖4中，以電阻表示滅火仿真系統(tǒng)中的消防栓：

圖4 消防栓仿真示意圖

滅火仿真系統(tǒng)中的噴水管可以認(rèn)為是電力系統(tǒng)中的電線，消防閥門可以開關(guān)表示，如圖5表示：

圖5 電路系統(tǒng)仿真示意圖

在仿真系統(tǒng)中，噴水壓力計以電壓表表示，以電流表表示水的流動值，如下圖所示：

圖6 電壓電流仿真示意圖

4 利用Simulink軟件生成C++代碼

為了實現(xiàn)以上仿真性能，我們創(chuàng)建兩個電力仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 通過程序調(diào)試后， Simulink軟件便可以將目標(biāo)信號的參數(shù)設(shè)為仿真模型中的全局變量，模型就可以自動生成的仿真系統(tǒng)的可執(zhí)行代碼，并在線調(diào)試模型參數(shù)和信號情況。根據(jù)上述思路，我們做了以下仿真試驗：

選擇Simulink模型，設(shè)置好信號和電壓參數(shù)等。

圖7 信號參數(shù)設(shè)置

如圖7所示，將信號量設(shè)置為全局變量。那么Simulink軟件可以自動生成代碼，并分為兩個部分：一個是模型代碼；另一個是接口代碼（運行時間接口）。為了管理仿真系統(tǒng)的項目開發(fā)，Simulink軟件將源代碼切成許多代碼文件， 通過VC軟件可以打開的文件和編譯，在仿真系統(tǒng)中所有的安裝源文件可以復(fù)制。

5 將代碼植入模型

根據(jù)VC軟件實現(xiàn)模型代碼的集成相對簡單，將所有仿真系統(tǒng)的計算模塊文件應(yīng)該都添加到VC程序中。因此，我們完成以下步驟：

圖8 仿真模型的接口函數(shù)

1）在VC程序源文件中可以設(shè)置頭文件編譯的默認(rèn)選項，這樣的設(shè)置必須是手動設(shè)置。具體的操作方法如下：

首先，選擇項目VC菜單- >選擇“設(shè)置項對話框”；其次，在類別選擇—預(yù)編譯頭文件里選擇C / C++中的etr_main.cpp文件，如圖9：

圖9 仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

2）在預(yù)定義的SXF.h文件中定義MODEL= * *，RT，NUMST = 2，TID01EQ = 1，NCSTATES = 4，MT= 0，USE_RTMODEL；

3）為了在VC調(diào)用過程模擬代碼接口功能，必須定義全局變量。在VC程序類頭文件中添加下面應(yīng)用程序的代碼。

extern void sxf_initialize （boolean_T firstTime）；

extern void sxf_terminate （void）；

extern void rt_oneStep （）；

這個代碼是涵蓋所有仿真功能。仿真軟件一般包括人機界面、數(shù)據(jù)采集模塊、仿真計算模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。滅火系統(tǒng)流程圖的仿真結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 仿真系統(tǒng)架構(gòu)圖

6 模塊的實現(xiàn)

6.1 人機接口模塊的實現(xiàn)

人機接口模塊是VC程序的主線程，主要目標(biāo)是完成實時變量顯示，參數(shù)調(diào)整，參數(shù)控制和程序操作控制和其他同步功能。系統(tǒng)變量參數(shù)與實時顯示包括消防泵的壓力、消防泵流量、消防栓的壓力、消防栓的通量、閥門和管道狀況?？紤]到設(shè)計更友好的人機交互界面，消防泵、閥門、消息框、功能按鈕的設(shè)計一定要充分利用面向?qū)ο蟮姆庋b性和繼承性。

6.2 仿真計算模塊

仿真模型計算模塊完成計算，也是整個系統(tǒng)的核心。為滿足實時仿真的要求，Simulink仿真模型采用同步控制仿真的設(shè)計思路，每2毫秒調(diào)用函數(shù)模型代碼接口rt_OneStep，以確保整個仿真正常運行。

6.3 數(shù)據(jù)處理模塊的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊的目的是為完成仿真實時記錄和節(jié)省時間。為了滿足真正的時間數(shù)據(jù)記錄，仿真程序使用一個多線程技術(shù)。一方面數(shù)據(jù)支持鼠標(biāo)設(shè)備相應(yīng)的屬性，另一方面通過系統(tǒng)編輯框顯示每個設(shè)備的屬性。因此，通過性能的設(shè)備，計算消防系統(tǒng)滅火管可以工作的數(shù)量和良好率。

最終的仿真平臺構(gòu)建通過仿真軟件的RTW實現(xiàn)如圖11所示。

圖11 水滅火仿真系統(tǒng)工作流程圖

7 總結(jié)

本文詳細介紹了利用Visual c++和simulink軟件的水滅火仿真系統(tǒng)的開發(fā)實例，首次利用simulink仿真軟件可視化功能建模仿真系統(tǒng)，并利用RTW工具包將翻譯仿真軟件模型編譯成嵌入式的C++代碼。最后，在Visual C++編程環(huán)境下， 仿真模型自定義成一個實時的仿真系統(tǒng)，并且在Visual C++環(huán)境中調(diào)試成功。本仿真系統(tǒng)的開發(fā)優(yōu)化了滅火系統(tǒng)的仿真模型，簡化了開發(fā)難度。

參考文獻：

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