基于Quanser數據采集卡的雙容水箱控制系統半實物仿真平臺

高興泉,王子碩,祝 強,趙 強

(吉林化工學院 信息與控制工程學院,吉林 吉林 132022)

一些典型的液位(或物位)控制問題如工業鍋爐汽包水位控制、結晶器液位控制等問題都可以抽象成水箱液位的控制問題[1,2].而且水箱液位系統還是非常典型的非線性系統，其液位的控制算法研究及應用對復雜系統的控制具有較好的借鑒意義[3-7].

本文以雙容水箱液位系統為例，介紹了一種基于Quanser公司生產的Q4數據采集卡的液位控制系統半實物仿真平臺[8].該平臺中，真實的雙容水箱液位系統和Matlab/Simulink仿真軟件搭建的控制器通過Q4數據采集卡進行通信，形成控制回路.利用Simulink積木式的編程方式，可以非常方便地開發各種先進的控制算法或修正控制器的一些參數.另外，在實驗過程中，控制器的動態特性、靜態特性和非線性因素等都能真實地反映出來，所以它能夠廣泛用于實際產品的修改定型、產品改型和出廠檢驗等方面，從而大大縮減控制系統的研發周期.

1 雙容水箱簡介

雙容水箱的結構示意圖如圖1所示.

圖1 雙容水箱結構示意圖

雙容水箱由兩個圓柱體的有機玻璃容器組成，分別為T1水箱和T2水箱.電磁泵從底部的儲水箱抽水后注入水箱T1，水箱T1和T2之間是連通的，部分水從水箱T2底部的漏水孔流入儲水箱，形成了水的循環流動.雙容水箱液位的控制問題是實時根據兩個水箱液位的變化調整泵的流量，使水箱T2的液位保持在一定值或根據需要按照一定規律變化.

2 雙容水箱液位控制系統半實物仿真平臺構成

2.1 仿真平臺總框圖

仿真平臺總框圖如圖2所示.雙容水箱液位控制系統工作時，兩個液位傳感器(壓力傳感器)采集兩個水箱的液位信號(4～20 mA電流信號)，通過電流電壓轉換電路，轉換成Q4數據采集卡可接收的1～5 V電壓信號，并送入Simulink搭建的控制器中，控制器通過一定的控制算法計算出水泵工作的PWM信號，經功率放大后驅動水泵，從而控制水箱的液位[9,10].圖3為整個系統的硬件實物圖.

圖2 雙容水箱液位控制系統半實物仿真平臺總框圖

圖3 雙容水箱半實物仿真系統硬件實物圖

圖中，①為控制器(SIMULINK)，②為Q4數據采集卡，③為水泵驅動電路，④為電氣轉換單元，⑤為24 V電源，⑥為液位傳感器，⑦為儲水箱，⑧為水泵，⑨為水箱.

2.2 Q4數據采集卡及系統實時仿真

本平臺采用了加拿大Quanser公司生產的Q4數據采集卡達到雙容水箱系統和控制器通信的目的.Q4采集卡是一個通用的高性能實時測量的控制板卡，可由MATLAB/Simulink直接驅動，它帶有數模轉換器輸入(DAC)、模數轉換器輸出(ADC)、電機編碼輸入(ENC)、PWM等多種常用標準輸入輸出接口，能夠把多種受控對象與Simulink中的控制器直接相連，構成一個或多個閉環控制系統.需要注意的是，Q4采集卡的輸入輸出信號需要和外圍硬件電氣信號相匹配，才能實現通信的目的.另外，平臺中的QuaRC軟件可以保證控制器計算和運行的實時性.QuaRC是Quanser下一代多功能快速控制開發環境，無縫集成Simulink.QuaRC可以從Simulink設計的控制器中，自動生成實時代碼，并且可以應用于Windows XP，Windows，Vista或QNX操作系統之中.在該開發環境中，控制參數可以在系統運行時直接調節，達到快速測試的目的.

2.3 液位檢測及壓力傳感器的標定

半實物仿真平臺選用上海奇正信息電子科技有限公司生產的型號為PT330J.N0.5K.7.3的壓力傳感器作為兩個水箱的液位檢測元件.該壓力傳感器量程是0～5 kpa，(對應液位高度0～50 cm)，接線為二線制，輸出是4～20 mA標準電流信號.值得注意的是，Q4采集卡只能接收-10 V至10 V的模擬電壓信號，所以要通過電氣轉換單元，將4～20 mA電流信號轉換成Q4卡可以接收的電壓信號，因此設計電氣轉換單元電路如圖4所示.根據得到的電壓和液位高度的變化范圍，在Simulink中建立電壓液位轉換模塊，達到實時監控兩個水箱液位變化的目的.

圖4 4～20 mA電流到1～5 V電壓轉換電路

2.4 水泵的驅動

水泵采用南京信可電子有限公司生產的WS246型水泵，該水泵工作電壓為24 V，揚程為3 m，可以通過PMW信號調節其占空比來調節泵流量，最終達到控制液位的目的.而Q4采集卡只能輸出0～5 V的PWM信號，經如圖5所示放大電路最終轉換為24 V PWM信號才能驅動水泵.

圖5 水泵驅動電路

3 控制器搭建及參數整定

計算機中安裝完QuaRC軟件后，在多功能快速實時控制開發環境下，可選擇SIMULINK相應組件搭建控制器，并根據采集的液位信息實時計算出水泵的驅動信號.設水箱T2的液位期望值為3 cm，建立好的單閉環PI控制器仿真模型如圖6所示.首先選擇并配置初始化模塊“HIL Initialize”，采集卡類型為Q4.然后配置模擬量輸入模塊，通過模擬量輸入通道1和通道3讀取經電氣轉換電路送來的電壓信號，經濾波器濾波后根據電壓和液位的線性關系計算兩個水箱的液位值[11].期望值和讀取的液位值經比較后得到跟蹤誤差送至PI控制器，經運算后得到驅動水泵的PWM信號，再通過Q4數據采集卡PWM輸出端口將信號送出，經功率放大后驅動水泵.當然也可以根據需要選擇合適的控制器[12].控制器仿真模型搭建完畢以后，選擇外部運行模式經編譯連接等過程生成實時運行的代碼，在保證外部硬件連接正確后，閉環控制系統可以正常運行.

圖6 雙容水箱單閉環PI控制器

可以通過調節PI控制器參數Kp和Ki達到閉環系統的控制目的.圖7為Kp=1，Ki=1時水箱液位和水泵電壓響應曲線.

從實驗結果可以看出，雙容水箱液位響應曲線振蕩劇烈，這可能是由于比例系數或積分系數過大引起的.經反復實驗驗證，振蕩的主要原因就是積分作用較強.為了減小振蕩，同時保證閉環系統響應的快速性，通過減小積分系數Ki和適當增加參數Kp的值，可以達到改善控制效果的目的.圖8所示為當控制器比例系數Kp為2、積分時間常數Ki為0.025時，雙容水箱液位和水泵電壓響應實驗曲線.

時間t/s

時間t/s

時間t/s圖7 Kp=1，Ki=1時雙容水箱液位和水泵電壓響應實驗曲線

時間t/s

時間t/s

時間t/s圖8 Kp=2，Ki=0.025時雙容水箱液位和水泵電壓響應實驗曲線

從實驗結果可以看出，系統響應加快，同時動態特性更平穩了.

4 結 論

本文介紹了一種基于Quanser數據采集卡的雙容水箱液位控制系統的半實物仿真平臺.該平臺結構簡單、實時性強、擴展性好，是很好的用于先進控制算法開發和驗證的平臺.通過控制器的實時仿真模型，配合實際的物理系統，能夠有效驗證控制器的動態特性和靜態特性，實驗過程和結果可以有效指導實際控制系統的控制器設計及相應參數調整過程，從而大大縮減控制系統的研發周期，提高研發效率.