串联双容水箱液位系统的硬件在回路仿真

1、串联双容水箱液位系统的硬件在回路仿真 吉林化工学院信息与控制工程学院p班班 级：级：p答答 辩辩 人：人：p指导教师：指导教师：一、课题研究背景 目前我们对水箱液位系统进行研究一般采用的都是纯数字仿真方法，但在计算机中某些因素被理想化或者被忽略。所以,我们提出硬件在回路仿真的方法。 硬件在回路仿真是指在仿真实验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真，实时性是进行半实物仿真的必要前提。吉林化工学院信息与控制工程学院硬件在回路仿真设计过程u可行性u可靠性u便捷性二、课题内容及要求l内容： 应用两台计算机为基础，在计算机A中建立控制器模型 ，计算机B中建立串联双容水箱系统模型，通过数据采集卡通讯给定

2、系统实际的数据在两台计算机传递，两台计算机和采集卡构成一个完整的液位控制系统。硬件在回路仿真系统结构图吉林化工学院信息与控制工程学院l要求： （1）给出实验步骤及控制器调试过 程； （2）给出双容水箱控制系统进行常值跟踪和随动过程的实验曲线。三、硬件在回路仿真技术介绍l硬件在回路仿真，又称为半实物仿真，是指在仿真实验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真。l硬件在回路仿真同其它类型的仿真方法相比具有经济地实现更高真实度的可能性。从系统的观点来看，硬件在回路仿真允许在系统中接入部分实物，意味着可以把部分实物放在系统中进行考察，更能接近实际系统的运行状态，能真实地反映了系统的性能指标。吉林化工学院

3、信息与控制工程学院四、双容系统建模 l实际双容系统介绍 本设计基于加拿大Quanser公司的双容水箱系统作为实际研究对象。吉林化工学院信息与控制工程学院四、双容系统建模l双容系统的数学模型22112222ootAgLAgLLtA11112ppotK VAgLLtA吉林化工学院信息与控制工程学院 我们基于数学模型在MATLAB中建立Simulink模型：四、双容系统建模l双容系统的Simulink模型吉林化工学院信息与控制工程学院（1）建立研究对象的仿真模型。（2）在建立的仿真模型中加载Analog input、Analog output、Scope以及一些其他需要的模块并设置参数。（3）模型建

4、立完毕后，点击Tools中的Rea-time workshop然后选择Build生成实时应用程序。这个过程可以在Matlab的命令空间里看到。 （4）连接目标（即在Simulink与应用程序之间建立通讯），点击Simulation中的Connect to target。连接完毕后会有Ready提示。 （5）最后点击开始按钮，运行程序，进行仿真。五、硬件在回路实时仿真的实现五、硬件在回路实时仿真的实现l单闭环控制系统实时仿真实验 吉林化工学院信息与控制工程学院 在两台计算机建立好模型后，连接数据采集卡，如图所示将两个数据采集卡的输入输出对应连接好。然后击开始按钮，运行程序，进行仿真。050100

5、1502002503000510152025仿 真 时 间 （ s）液位(cm)tank2的 液 位 Kp=4,Ki=0.3单闭环控制系统实时仿真结果：五、硬件在回路实时仿真的实现单闭环纯数字测试结果：吉林化工学院信息与控制工程学院0501001502002503000510152025仿 真 时 间 （ s）液位(cm)tank2的 液 位 Kp=4,Ki=0.3 在计算机中打开已经建立好的纯数字仿真模型，然后击开始按钮，运行程序，进行仿真。0501001502002503000510152025仿 真 时 间 （ s）液位(cm)tank2的 液 位 Kp=4,Ki=0.3 硬件在回路仿真

6、系统具有较好的实时性，更能接近实际系统的运行状态，真实地反映了系统的性能指标。五、硬件在回路实时仿真的实现l双闭环控制系统实时仿真实验 吉林化工学院信息与控制工程学院五、硬件在回路实时仿真的实现双闭环控制系统实时仿真结果：吉林化工学院信息与控制工程学院05010015020025030002468101214161820仿 真 时 间 （ s）液位(cm)tank2的 液 位 Kp1=10,Ki=0.8,Kp2=8,Ki2=0.3 根据PID参数整定的经验试凑法，最终选定Ki1=10、Kp1=0.8、Ki2=8、Kp2=0.3作为控制器参数。由图可知双闭环系统相比单闭环系统，响应速度快，系统的

7、震荡少很多，能很快的达到设定值。五、硬件在回路实时仿真的实现l实际系统常值跟踪测试结果0501001502002503000510152025仿 真 时 间 （ s）液位(cm)tank2的 液 位 Kp1=10,Ki=0.8,Kp2=8,Ki2=0.3 在左图中虚线所示曲线为实际系统测试结果，实线所示曲线为纯数字仿真结果。不难看出，此时所设计的控制器具有较好的实际控制效果，说明硬件在回路仿真技术在参数识别方面的实用性。六、实际系统随动跟踪测试l实际系统随动跟踪测试结果吉林化工学院信息与控制工程学院0501001502002503000510152025仿 真 时 间 （ s）液位(cm)tank2的 液 位 Kp1=10,Ki=0.8,Kp2=8,Ki2=0.3 由图可知，我们所设计的控制器对于阶跃信号也具有较好的控制效果。七、结 论l（2）硬件在回路仿真的最大优势在于仿真结果的验证过程是直观的，所以在一些工业过程中，采用硬件在回路仿真的策略可以大大地缩短产品的开发周期，提高效率。吉林化工学院信息与控制工程学院l（1）硬件在回路仿真系统具有较好的实时性，更能接近实际系统的运行状态，真