基于虚拟现实的双容水箱动态仿真系统开发

2013-08-02高兴泉王英辉刘广平

实验技术与管理 2013年1期

高兴泉，王英辉，刘广平

（1.吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林 132022；2.吉林省省直机关事务管理局启龙实业开发中心，吉林长春 130055；3.吉林省扶余县农电有限公司，吉林松原 131200）

控制理论实验是学生掌握控制理论基础知识、提高相关技能的一个必不可少的环节[1－2]。在实际物理系统上动手操作，以验证各种控制算法并进行控制系统设计，会取得非常好的效果，但实际系统需要耗费许多时间进行组装、调试等工作，成本也比较高，后期还需要进行大量的实验来完成数据采集和处理方面的工作。因此，开发仿真系统，实现计算机的模拟演示，以此作为硬件实验前后的补充[3－5]是非常有意义的。数字仿真是开发模拟系统的一个重要途径。无动画界面的数字仿真虽然可以用曲线的方式描述系统的运动，但结果显示不形象、不直观，很难调动学生的积极性。因此，开发带有动画显示的动态模拟仿真系统是非常有意义的。近年来，虚拟现实已逐渐从实验室的研究走向实际应用。Matlab的虚拟现实工具箱与Simulink结合可以实现许多的基于虚拟现实的仿真[6－9]，仿真的结果可以更加直观地表示出来，这对于虚拟现实技术的发展具有重要的意义。本文立足于对双容水箱系统的研究，并运用Matlab／Simulink和虚拟现实技术，利用动画的形式模拟双容系统液位运行的动态过程，设计的仿真系统具有良好的人机界面和交互功能，可在科研、教学和生产中发挥很好的作用。

1 双容水箱的数学模型

并联双容水箱系统的结构图如图1所示。

此系统包括2个截面积相同的圆柱形容器T1和T2，2个容器之间、容器和蓄水池之间均有连通管相连。系统内流动的液体（通常是蒸馏水）存储于蓄水池中，为水泵提供水源。水泵为容器T1供水，T2中的水则只能通过耦合作用从T1中获得。整个系统形成了一个回路。该系统的一个控制目的是实时给出泵的流量Q，使系统容器T2的液位在较短的时间内稳定在预先给定的液位值上。

图1 双容水箱系统结构示意图

该系统是一个典型的二阶系统，在该系统上可以进行很多系统分析实验，如系统的数学建模、系统的时域分析、系统的频域分析等，还可在该系统中方便地进行控制系统设计和控制方法验证，比如PID控制、状态反馈控制、模糊控制等。因此，该系统对一些专业的学生，尤其是自动化专业的学生来说是非常有意义的。

根据物料平衡的原理，该系统可以用以下的非线性微分方程描述[10]：

其中h1和h2分别为容器T1和T2的液位；S＝154cm2为容器的截面积；Q12为从T1流向T2的液体的流量；Q20为从T2流向蓄水池的液体的流量。根据Torricelli规则可得：

这里g＝980cm／s2是重力加速度；az1＝0.5，az2＝0.6是通过系统辨识得到的流量系数，Sn＝0.5 cm2是连接管的横截面积。

2 双容水箱动态仿真系统的实现

双容动态模拟仿真系统的实现主要涉及三大关键的问题，即：

（1）要建立能描述其动态特性的仿真模型；

（2）要建立能动画显示系统运动状态的虚拟现实世界；

（3）需要将仿真模型和虚拟世界连接起来。

2.1 Simulink模型建立

Matlab下的Simulink能提供一个系统级的建模与动态仿真工具平台，该平台提供了丰富的仿真模块，Simulink底层拥有成熟的模型算法进行动态过程的求解。基于这些原因，本文采用Simulink建立双容系统的仿真模型。根据非线性微分方程（1），运用 Matlab／Simulink中的模块搭建双容系统的仿真实验模型（见图2）。

图2 双容水箱系统仿真模型

该仿真系统，输入Q即为水泵注入的水量，输出h1和h2为水箱T1和T2的液位。

2.2 虚拟现实模型建立

根据双容水箱系统的仿真模型，在 V－Realm－Builder2.0环境下建立的双容水箱液位控制系统的虚拟场景中，主要包括13个虚拟对象：1个调节阀、3个容器、3个液位、3段水管、1个交互控制传感器和2个用来模拟流量大小的水滴（注：用水滴的多少来表现流量的大小）。每个虚拟对象都是一个节点或复合节点，它们包含了对象的几何及物理信息。

调节阀通过平面传感器（PlaneSensor）进行交互式操作，平面传感器PlaneSensor节点用以检测用户操作指点设备的动作，并将指点设备的选取、移动解释为造型在PlaneSensor节点所在的局部坐标系平面上的平移。在V－Realm Builder2.0中，对每一个建立的节点属性进行修改，建立的虚拟现实环境见图3。

图3 双容水箱虚拟现实环境

2.3 Simulink模型与虚拟现实世界连接

在Simulink仿真模型与虚拟现实环境搭建完成后，选择VR Sink模块，添加到Simulink仿真模型上，因为Simulink输出的信号与虚拟现实环境的节点连接是需要中间介质的，而VR Sink模块的作用就是提供中间介质。信号通过VR Sink定义的输入节点和虚拟现实节点的连接，实现仿真模型与虚拟现实的连接。当Simulink模型中加入VR Sink模块后，需要载入虚拟现实VRML文件，然后选择需要的节点，如图4所示。

图4 Simulink与虚拟现实世界连接图

3 系统仿真实验

在Simulink封装的子系统中，加入PID控制器[11]，如图5所示。

图5 加入PID控制器的双容控制系统

当输入为阶跃信号时，加入PID控制器，并设控制器参数为Kp＝100、Ki＝1、Kd＝0，连接Simulink与虚拟现实环境，选中液位节点及感应器节点，在VRML浏览器中运行仿真系统，得到如图6所示画面。在该仿真平台上，还能从实时的响应曲线（见图7）观察系统的运行过程。

图6 双容水箱动态仿真系统

图7 双容水箱仿真系统实时运行曲线

在该动态仿真系统中，Matlab仿真的信号输出作为虚拟现实世界的输入，信号的改变反应在虚拟世界中就是画面的变动[12]，一系列画面变动就形成了流畅的动画，三维效果图使人有身临其境之感。通过该界面，即能直观地感受到系统状态的物理变化，又能从仿真曲线上记录、观察系统的运动行为，并且通过调节阀门，可以控制输入流量的大小，实现交互式控制。

4 结束语

本文介绍的基于虚拟现实技术的双容水箱动态仿真系统，其虚拟现实环境是由Matlab／VRML编辑器建立起来的三维画面，可以自由控制相应的视点和视角，并且可通过虚拟现实世界的输入输出接口，非常容易地连接到复杂的Simulink仿真模块，从而实现虚拟现实世界中的控制系统和仿真动画的交互操作。该系统的动态仿真可以更加直观地反映工业控制的过程，同时Simulink环境能实现很多复杂的仿真控制。本文介绍的方法亦可用于其他比较复杂的系统的动态仿真系统开发。

（References）

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