CN110794708A - 一种基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试方法，设计基于喷杆系统数学模型的PID控制算法，利用MATLAB中Simulink可视化仿真工具搭建了PID算法仿真模块，使用编译器Compiler将仿真模型编译成可导入VeriStand环境中的*.dll文件，以作为上位机的控制程序。下位机安装的是VeriStand实时引擎以及对应仪器的驱动，主要负责算法模型的运行。本发明所公开的测试方法可对系统参数进行实时调整，对PID控制器跟踪误差进行实时监控与测试，具有较强的实时跟踪能力，取得了良好的实时监控与测试效果。本发明测试方法对其他机电系统同样适用，可依照此测试方法进行推广，能很好保证测试的实时性与可观测性，大大提高了测试效率。

Description

一种基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试 方法

技术领域

本发明涉及电液伺服控制技术领域，具体涉及一种基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试方法。

背景技术

喷杆式喷雾机是一种将喷头装在横向喷杆或竖立喷杆上的机动喷雾机。该类喷雾机的作业效率高，喷洒质量好，喷液量分布均匀，适合大面积喷洒各种农药、肥料和植物生产调节剂等的液态制剂。在现代工业生产中，喷杆式喷雾机广泛采用电液伺服控制技术来保证高精度的喷洒过程。喷杆喷药机是将液体分散开来的一种农机具，是以拖拉机配套完成喷洒作业的。喷杆升降折叠全自动液压控制，在驾驶室可完成操作过程，省时省力。配装高档组合阀，集调压、换向、分段控制、过滤、压力显示为一体，使用方便快捷。

电液伺服控制系统是指以伺服元件(伺服阀或伺服泵)为控制核心的液压控制系统，它通常由指令装置、控制器、放大器、液压源、伺服元件、执行元件、反馈传感器及负载组成。电液伺服控制系统又称跟踪系统，是一种自动控制系统，在这种系统中，执行元件能够自动、快速而准确地按照输入信号的变化规律而动作。同时，系统还起到将信号功率放大的作用。电液伺服控制系统是一个有误差系统。当液压缸位移和阀芯位移之间不存在偏差时，系统就处于静止状态。没有误差，伺服系统就不能工作。电液伺服控制系统的反馈信号与输入信号相比较得出偏差信号，利用该偏差信号控制液压能源输入到系统的能量，使系统向着减小偏差的方向变化，直至偏差等于零或足够小，从而使系统的实际输出与希望值相符。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

VeriStand是用来配置实时测试应用程序的软件环境，为创建实施测试应用提供了一个框架。对于实时测试中应用的需要，如硬件在环模拟、环境测试、耐久性测试等，可以对该框架进行多种多样的特定性配置。VeriStand实时测试应用程序通常包括一个或多个实时执行目标，这些目标通过以太网与主机系统进行通信。每个实时执行目标运行引擎，该引擎通过主系统进行配置。引擎是非可见执行机制，负责执行硬件、模型、过程、预警和在系统定义文件中指定的其它测试系统任务。引擎不但控制整个系统的定时，而且控制引擎和工作区的主机之间的通信。引擎配置部署完成后，就可以使用工作区窗口和其所提供的工具在运行时与测试系统进行数据交互。运用VeriStand环境建立的快速原型系统主要由上位机系统和下位机系统组成，上位机中通常安装MATLAB/Simulink、LabVIEW、VisualStudio以及VeriStand等软件工具，可以通过这些软件建立控制算法模型，并进行编译，然后下载到下位机；上位机还需要控制两者之间的数据通信、数据处理和监控；并提供模型的接口、I/O、通讯配置等功能。下位机是VeriStand实时引擎以及对应仪器的驱动，主要负责算法模型的运行，并实现I/O通道赋值、参数更新、报警等功能，同时和上位机实时通讯来接受仿真模型参数和传送仿真参数。VeriStand作为下位机的实时操作系统，由硬件事件控制其系统定时，精度可达到微秒级，VeriStand中通常包括有多个定式循环；VeriStand引擎实时发送各种系统参数给上位机，在上位机上可以使用实时跟踪工具方便地监测应用程序的执行情况；系统的数据采集可以有多种方式可选，还可以通过VeriStand软件配置硬件的I/O接口，不必再去编写复杂的底层驱动。

薛涛等在《大型高地隙喷雾机喷杆主动悬架自适应模糊滑模控制》一文中，建立了喷杆主动悬架动力学模型和液压系统模型的基础上,应用Matlab/Simulink对主动悬架系统进行整体仿真分析，仿真结果虽然满足要求，但测试方法不能在线更改仿真参数，达不到实时监控与测试的目的，实时测试效率不是非常高，因此需要更好的测试方法来保证良好的实时监控与测试效果，从而提高测试效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试方法，运用Simulink与VeriStand搭建了喷杆系统的控制模型，并加入PID参数实时调整的模块，可进行PID参数的实时调整，实现控制器跟踪误差实时监控与测试，取得了良好的实时监控与测试效果，大大提高了测试效率。

实现本发明目的技术解决方案为：一种基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试方法，包括以下步骤：

步骤1、建立喷杆系统的数学模型，转入步骤2；

步骤2、基于喷杆系统的数学模型，设计PID控制器，转入步骤3；

步骤3、利用MATLAB中Simulink搭建PID控制器的仿真模块，编译成*.dll文件，导入VeriStand中，进行实时测试与监控。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)可对系统参数进行在线实时调整，对控制器跟踪误差进行实时监控与测试，具有较强的在线实时跟踪能力；(2)仿真结果取得了良好的实时监控与测试效果，大大提高了测试效率，验证了其有效性。

附图说明

图1为本发明基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试方法的流程图。

图2、图3是本发明喷杆系统的结构简图。

图4是创建VeriStand文件的流程框图。

图5是Simulink搭建的基于PID控制算法的喷杆系统模型图。

图6是利用Simulink的NI VeriStand Blocks转换成VeriStand支持的模型架构图。

图7是VeriStand软件的通信与配置图。

图8是VeriStand软件的系统资源管理器窗口图。

图9是VeriStand软件的工作区界面图。

图10～图12是利用VeriStand软件的工作区界面实时更改PID参数所得监控图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1～3，本发明基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试方法，包括以下步骤：

步骤1，建立喷杆系统的数学模型，具体如下：

步骤1-1、所述喷杆系统应用于农业喷洒农药，包括喷杆、摆杆、机架、液压油缸、弹簧阻尼器，其中摆杆连接喷杆与机架，摆杆绕机架转动，喷杆绕摆杆转动，弹簧阻尼器设置在喷杆与机架之间，起到缓冲减振的作用；

以液压油缸长度对应角和喷杆水平倾角为作为广义坐标系，建立拉格朗日方程，喷杆系统的力矩平衡方程为：

式(1)中I₂表示等效到喷杆绕摆杆转动转轴M处的转动惯量，β表示喷杆的水平倾角，M₂表示摆杆的等效质量，l₁表示摆杆的长度，g表示当地重力加速度，θ表示液压油缸的对应角，Δθ表示液压油缸伸缩时θ的变化量，Δθ＝θ-θ₀，θ₀表示θ的初始值，K₂、C₂分别表示等效到摆杆的转轴O处的旋转阻尼系数和刚度系数，K₁、C₁分别表示等效到摆杆的转轴M处的旋转阻尼系数和刚度系数，A为液压油缸活塞的有效面积，P₁、P₂分别表示液压缸进油腔油压与出油腔油压。

液压缸位移x_v与对应角θ的关系满足

L表示一个固定值常量，由喷杆系统几何关系，得

y＝LΔθ，其中

表示摆杆的垂直摆动角，摆动很小，一阶导数视为零，y表示液压油缸活塞杆的位移。

记中间变量

则式(1)改写为：

喷杆系统中，忽略油缸油液外泄漏，只考虑内泄漏，则压力动态方程为：

式(3)中β_e表示油液有效弹性模量，y表示液压油缸活塞杆的位移，C_t表示液压缸内泄漏系数，P_L＝P₁-P₂表示油缸两侧进出油腔油压压差，V₁＝V₀₁+Ay表示进油腔的控制体积，V₂＝V₀₂-Ay表示出油腔的控制体积，V₀₁、V₀₂分别表示进油腔和出油腔的初始体积，Q₁、Q₂分别表示进油腔和出油腔的流量。

Q₁与Q₂和伺服阀阀芯位移x_v有如下关系：

其中，阀系数

C_d表示流量系数，w₀表示阀芯面积梯度，ρ表示油液密度，P_s是供油压力，P_r表示回油压力，s(x_v)表示符号函数，被定义为：

忽略伺服阀阀芯的动态，假设作用于阀芯的控制输入u和阀芯位移x_v成比例关系，即满足x_v＝k_iu，其中k_i表示电压-阀芯位移增益系数，u为输入电压，因此式(4)被改写成：

式(6)，中间变量k_u＝k_qk_i，中间变量

中间变量

步骤1-2、定义状态变量：

则式(2)力矩平衡方程转化为状态方程：

转入步骤2。

步骤2，基于喷杆系统的数学模型，利用PID控制算法设计PID控制器，具体步骤如下：

步骤2-1、定义系统的跟踪误差z₁＝x₁-x_1d，x_1d是系统期望跟踪的位置指令且该指令二阶连续可微，根据式(7)中的第一个方程

选取x₂为虚拟控制，使方程

趋于稳定状态；令x_2eq为虚拟控制的期望值，x_2eq与真实状态x₂的误差为z₂＝x₂-x_2eq，对z₁求导，得：

设计虚拟控制律：

式(9)中增益k₁>0，则

上式根据拉普拉斯变换，得G(s)＝1/(s+k₁)是一个稳定的传递函数，当z₂趋于0时，z₁也必然趋于0；在接下来的设计中，将以使z₂趋于0为主要设计目标；

步骤2-2、对z₂求导，得：

令x_3eq为虚拟控制的期望值，x_3eq与真实状态x₃的误差为z₃＝x₃-x_3eq，则

式(12)中增益k₂>0，代入式(11)，得：

步骤2-3、对z₃求导得：

根据式(14)，基于模型的PID控制器，设计为：

式(15)中k_P为PID控制器比例增益，k_I为PID控制器积分增益，k_D为PID控制器微分增益，u_a为基于模型的补偿项，u_s为基于误差得补偿项；将式(15)代入式(14)中得误差动态方程：

通过适当调节PID控制器参数，可使跟踪位置误差精度保持在在一定范围内。

转入步骤3。

步骤3，利用MATLAB中Simulink搭建PID控制器的仿真模块，编译成*.dll文件，导入VeriStand中，进行实时测试与监控，具体如下，见图4；先利用Simulink搭建基于PID控制算法的喷杆系统模型，见图5；再利用Simulink库里的NI VeriStand Blocks将模型转化成VeriStand支持的模型，再利用Compiler编译器将模型编译生成*.dll文件，见图6；VeriStand实时测试应用程序通常包括一个或多个实时执行目标，这些目标通过以太网与主机系统进行通信，每个实时执行目标运行引擎，该引擎通过主系统进行配置，引擎不但控制整个系统的定时，而且控制引擎和工作区的主机之间的通信，见图7；引擎配置部署完成后，就可以使用工作区窗口和其所提供的工具在运行时与测试系统进行数据交互，运用VeriStand环境建立的快速原型系统主要由上位机系统和下位机系统组成，上位机中通常安装MATLAB/Simulink、Visual Studio以及VeriStand等软件工具，通过这些软件建立喷杆系统控制算法模型，并进行编译，然后下载到下位机，上位机还需要控制两者之间的数据通信、数据处理和监控，并提供模型的I/O接口、通讯配置等功能，下位机是VeriStand实时引擎以及对应仪器的驱动，主要负责喷杆算法模型的运行，并实现I/O通道赋值、参数更新等功能，同时和上位机实时通讯来接受仿真模型参数和传送仿真参数；VeriStand引擎实时发送各种系统参数给上位机，在上位机上可以使用实时跟踪工具方便地监测应用程序的执行情况，见图8、图9。

因此，针对喷杆系统，基于VeriStand与Simulink联合仿真的测试方法可对于PID参数的实时调整进行实时跟踪，实时性与可观测性较强，大大提高了测试效率。

实施例

为考核所设计基于VeriStand与Simulink联合仿真的测试方法的性能，在仿真中取如下表1物理参数对喷杆系统进行建模：

表1喷杆系统物理参数

物理参数	值	物理参数	值
				A(m<sup>2</sup>)	1.3e-3	β<sub>e</sub>(Pa)	2×10<sup>8</sup>
I<sub>2</sub>(kg.m<sup>2</sup>)	32700	C<sub>1</sub>(N·m.s/rad)	25758
				C<sub>2</sub>(N·m.s/rad)	5151.6	K<sub>1</sub>(N·m/rad)	51521
K<sub>1</sub>(N·m/rad)	10304.2	θ(rad)	0.7954
				L(m)	0.6	k<sub>i</sub>(m/V)	0.25
φ(rad)	0.09	C<sub>t</sub>(m<sup>5</sup>/(N·s))	1×10<sup>-12</sup>
				V<sub>01</sub>(m<sup>3</sup>)	6.5×10<sup>-3</sup>	V<sub>02</sub>(m<sup>3</sup>)	4.7
P<sub>s</sub>(MPa)	11	P<sub>r</sub>(MPa)	0

给定系统的期望指令为x_1d＝0.05sin(0.2πt)(rad)。

针对PID控制器，选取三组控制器参数分别为k_P＝150,k_I＝20,k_D＝50；k_P＝130,k_I＝30,k_D＝80；k_P＝100,k_I＝50,k_D＝100，图10～图12实时监测结果作对比，VeriStand工作区界面跟踪误差也会随着PID参数调整而在线实时改变，从而具有良好的实时在线监控与测试能力，大大提高了测试效率。

Claims (4)

1.一种基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立喷杆系统的数学模型，转入步骤2；

步骤2、基于喷杆系统的数学模型，设计PID控制器，转入步骤3；

步骤3、利用MATLAB中Simulink搭建PID控制器的仿真模块，编译成*.dll文件，导入VeriStand中，进行实时测试与监控。

2.根据权利要求1所述的基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试方法，其特征在于，步骤1中，建立喷杆系统的数学模型，具体如下：

步骤1-1、所述喷杆系统应用于农业喷洒农药，包括喷杆、摆杆、机架、液压油缸、弹簧阻尼器，其中摆杆连接喷杆与机架，摆杆绕机架转动，喷杆绕摆杆转动，弹簧阻尼器设置在喷杆与机架之间，起到缓冲减振的作用；

以液压油缸长度对应角和喷杆水平倾角为作为广义坐标系，建立拉格朗日方程，喷杆系统的力矩平衡方程为：

式(1)中I₂表示等效到喷杆绕摆杆转动转轴M处的转动惯量，β表示喷杆的水平倾角，M₂表示摆杆的等效质量，l₁表示摆杆的长度，g表示当地重力加速度，θ表示液压油缸的对应角，Δθ表示液压油缸伸缩时θ的变化量，Δθ＝θ-θ₀，θ₀表示θ的初始值，K₂、C₂分别表示等效到摆杆的转轴O处的旋转阻尼系数和刚度系数，K₁、C₁分别表示等效到摆杆的转轴M处的旋转阻尼系数和刚度系数，A为液压油缸活塞的有效面积，P₁、P₂分别表示液压缸进油腔油压与出油腔油压；

液压缸位移x_v与对应角θ的关系满足

L表示一个固定值常量，由喷杆系统几何关系，得

y＝LΔθ，其中表示摆杆的垂直摆动角，摆动很小，一阶导数视为零，y表示液压油缸活塞杆的位移；

记中间变量

则式(1)改写为：

喷杆系统中，忽略油缸油液外泄漏，只考虑内泄漏，则压力动态方程为：

式(3)中β_e表示油液有效弹性模量，y表示液压油缸活塞杆的位移，C_t表示液压缸内泄漏系数，P_L＝P₁-P₂表示油缸两侧进出油腔油压压差，V₁＝V₀₁+Ay表示进油腔的控制体积，V₂＝V₀₂-Ay表示出油腔的控制体积，V₀₁、V₀₂分别表示进油腔和出油腔的初始体积，Q₁、Q₂分别表示进油腔和出油腔的流量；

Q₁与Q₂和伺服阀阀芯位移x_v有如下关系：

其中，阀系数

C_d表示流量系数，w₀表示阀芯面积梯度，ρ表示油液密度，P_s是供油压力，P_r表示回油压力，s(x_v)表示符号函数，被定义为：

忽略伺服阀阀芯的动态，假设作用于阀芯的控制输入u和阀芯位移x_v成比例关系，即满足x_v＝k_iu，其中k_i表示电压-阀芯位移增益系数，u为输入电压，因此式(4)被改写成：

式(6)，中间变量k_u＝k_qk_i，中间变量

中间变量

步骤1-2、定义状态变量：

则式(2)力矩平衡方程转化为状态方程：

转入步骤2。

3.根据权利要求2所述的基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试方法，其特征在于，步骤2中，基于喷杆系统的数学模型，利用PID控制算法设计PID控制器，

具体步骤如下：

步骤2-1、定义系统的跟踪误差z₁＝x₁-x_1d，x_1d是系统期望跟踪的位置指令且该指令二阶连续可微，根据式(7)中的第一个方程

选取x₂为虚拟控制，使方程

趋于稳定状态；令x_2eq为虚拟控制的期望值，x_2eq与真实状态x₂的误差为z₂＝x₂-x_2eq，对z₁求导，得：

设计虚拟控制律：

式(9)中增益k₁>0，则

上式根据拉普拉斯变换，得G(s)＝1/(s+k₁)是一个稳定的传递函数，当z₂趋于0时，z₁也必然趋于0；在接下来的设计中，将以使z₂趋于0为主要设计目标；

步骤2-2、对z₂求导，得：

令x_3eq为虚拟控制的期望值，x_3eq与真实状态x₃的误差为z₃＝x₃-x_3eq，则

式(12)中增益k₂>0，代入式(11)，得：

步骤2-3、对z₃求导得：

根据式(14)，基于模型的PID控制器，设计为：

式(15)中k_P为PID控制器比例增益，k_I为PID控制器积分增益，k_D为PID控制器微分增益，u_a为基于模型的补偿项，u_s为基于误差得补偿项；将式(15)代入式(14)中得误差动态方程：

通过适当调节PID控制器参数，可使跟踪位置误差精度保持在在一定范围内。

转入步骤3。

4.根据权利要求3所述的基于VeriStand与Simulink联合仿真的喷杆系统测试方法，其特征在于：步骤3中，利用MATLAB中Simulink搭建PID控制器的仿真模块，编译成*.dll文件，导入VeriStand中，进行实时测试与监控，具体如下：

先利用Simulink搭建基于PID控制算法的喷杆系统模型，利用Simulink库里的NIVeriStand Blocks将模型转化成VeriStand支持的模型，再利用Compiler编译器将模型编译生成*.dll文件，导入VeriStand中，进行实时测试与监控。

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