摘 要

工业领域的高速发展，对工业过程的控制也提出了越来越高的要求，而非线性水箱液位的系统控制也面临更稳定更高精度的挑战。数字孪生的研究与非线性液位控制的结合，可以使其在虚拟空间中完成映射，从而反映液位系统的全生命周期过程。

本文的主要工作为：一，对数字孪生的定义进行归纳总结，明确数字孪生在设计中所扮演的角色；二，设计非线性水箱的实验平台，并进行硬件选型；三，对球形水箱进行设计和系统建模；四，实现非线性水箱的液位控制，使其能达到指定水位；五，液位控制与数字孪生的结合，并进行仿真验证。

关键字:球形水箱；非线性系统；数字孪生；液位控制

Abstract

The rapid development of the industrial field has put forward higher and higher requirements for the control of industrial processes. And the system control of the nonlinear water tank liquid level is also facing the challenge of more stable and higher precision. The combination of the research of digital twins and nonlinear liquid level control can make the liquid level changes be mapped in the virtual space. Thus, reflecting the full life cycle process of the liquid level system.

The main work of this paper is as follows: Firstly, summarize the definition of digital twins and clarify the role of digital twins in design; Secondly, design the experimental platform of the non-linear water tank and select the hardware; Thirdly, design the spherical water tank and mathematically model it; Fourthly, realize the liquid level control of the non-linear water tank so that it can reach the specified water level; Fifthly, combine the water tank liquid level control with the digital twin, and carry out simulation verification.

Keywords: Spherical water tank; Nonlinear system; Digital twins; Level control

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 2

第2章 整体方案设计 4

2.1 数字孪生的定义 4

2.2 非线性水箱的平台设计 5

2.3 液位控制设计 6

2.4 本章小结 6

第3章 非线性水箱的设计与液位控制 7

3.1 非线性水箱的硬件选型 7

3.1.1 流量计 7

3.1.2 调节阀 8

3.1.3 水泵与水箱 10

3.2 球形水箱的系统建模 11

3.3 球形水箱的液位控制 13

3.3.1 PID控制简介 13

3.3.2 PID控制的基本原理 14

3.3.3 PID程序设计 15

3.4 本章小结 16

第4章 系统仿真及数字孪生验证 17

4.1 球形水箱的仿真实验与孪生验证 17

4.1.1 上水情况 17

4.1.2 放水情况 19

4.1.3 上水放水同时进行 20

4.1.4 情况分析 21

4.2 液位控制的仿真 22

4.3 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

致谢 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 背景与意义

在如今的工业背景下，智能化的控制系统已经是不可逆的趋势，这种趋势带来了更高的经济效益，同样也带来了更高的要求。各种工业体系都要求在更短的时间内，尽可能的进行更多的生产，这就意味着他们也要拥有更灵活更快速的生产系统做出响应，并根据需求有效地对其配置。随着生命周期的所得和市场需求的增加，如今的各种工业系统正在不断改进。

作为工业领域广泛应用的生产工具，反应釜和锅炉等非线性水箱遍布各种工厂或者生产系统，其具有非线性的明显特点，也需要更智能化的控制。工业生产的智能化趋势也推动了石油化工等领域的高精度控制的要求，因此非线性水箱液位控制系统就占据了十分重要的位置^[1]。

在工业4.0和物联网的背景下^[2]，数字孪生可以实时提供生产系统的相应变化，实现了生产系统的数字化。其作为一种普遍使用的理论技术体系，在各个领域都引起了广泛的关注。在新时代的背景下，加快建设制造强国，数字孪生与各行各业的结合，将解决工业快速发展所带来的各项挑战^[3]。

新一代信息技术的广泛应用，引发传统制造、生产模式的变革。数字孪生作为新的前沿技术，以仿真技术为基础，在智能制造、智慧城市建设等方面也将发挥较大的推动作用^[4]。

1.2 国内外研究现状

使用“孪生”的概念起源于美国宇航局1969年的阿波罗计划，该计划制造了至少两架相同的航天器以反映航天器在外太空执行任务时的状况。地面上的航天器为“孪生机”。 孪生机在飞行准备期间被广泛用于训练。在飞行过程中，基于地面的模型被用来模拟替代方案，在该模型中，可用的飞行数据被用来尽可能准确地反映飞行状况，并在紧急情况下协助宇航员进入轨道^[5]。

2012年，“数字孪生”一词最初在NASA的集成技术路线图中引入的。M.Shafto提出数字孪生是车辆或系统的集成仿真模型，它使用可用的物理模型，传感器更新，飞行历史等来反映相应孪生机器的寿命。2015年，G.PANGet将数字孪生引入为产品或生产系统的不断更新的数字模型，其中包含整个生命周期中组件或系统的全面物理和功能描述。而工业4.0的提出，使各国和各大科技公司将数字孪生视为战略科技发展趋势之一^[6]。

图1.1 数字孪生的发展历程

数字孪生技术的应用已经逐渐渗透至各行各业，尤其是一些高新技术领域。在军事和航天领域，数字孪生所扮演的角色的重要性已经逐渐显露^[7]。无论NASA，还是美国空军，他们都利用数字孪生技术对飞行器的寿命进行预估，从而得以对其进一步规划。在一些科技公司，他们也利用数字孪生概念，对产品进行3D建模，进而搭建新的体验平台，达索公司就是其中的例子；有的公司则在生产阶段，将当前技术与数字孪生相结合，提高生产效率，例F35飞机的生产。除了在国外，中国的数字孪生理念也得到了一定的发展，一些中国学者还针对数字产品双胞胎的特定架构和实现方法，以及在完整的三维开发模型下的产品配置管理，提出了某些技术思想和解决方案。

在非线性水箱方面，三容水箱系统具有水箱、管道、水泵、执行器、液位计、流量计等部件，其已成为过程控制领域中最经典的Benchmark^[8]。三水箱是典型的非线性水箱，可以代表工业上很多的被控对象，其建模研究和控制策略具有重要意义^[2]。目前对于非线性水箱系统的液位控制，如圆锥形水箱、球形水箱等异形水箱，国内外已有较多的研究，主要集中在圆锥形水箱液位自适应控制、自适应模糊控制、PID控制；球形水箱液位闭环自整定PID控制等等。虽然非线性水箱的研究已经很多，但是却缺少实验平台的实际运行以及与数字孪生的结合。针对这种情况，本文将数字孪生与球形水箱的结合研究将有重要意义。

1.3 研究内容

数字孪生数字孪生技术在网络空间中复现了产品和生产系统，并使产品和生产系统的数字空间模型和物理空间模型处于实时交互中，二者之间能够及时地掌握彼此的动态变化并实时地做出响应，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程^[9]。本次毕业设计旨在设计一个基于非线性水箱液位控制系统的数字孪生平台。主要内容包括：

1)对数字孪生的定义进行归纳总结，明确数字孪生在设计中所扮演的角色；

2)设计非线性水箱的实验平台，并进行硬件选型；

3)对球形水箱进行设计和系统建模；

4)实现非线性水箱的液位控制，使其能达到指定水位；

5)液位控制与数字孪生的结合，并进行仿真，验证。

第2章 整体方案设计

2.1 数字孪生的定义

在比较了数字孪生的几种定义并进行评估后，结论发现，在当前的工业界和学术界中，各家公司和机构对数字孪生有一定的差别，但殊途同归，数字孪生在本质上，其实还是动态地以数据的形式对实际物理资产的状态进行表示。

表2.1 不同的数字孪生定义

在工业范围，大多数为人认可的定义中，“数字孪生”是对实物资产的尽可能还原的等效数字表示，并且与其同步^[10]。另外，还可以对数字表示进行模拟以分析实物资产的行为。通过各种定义的对比和发展，本文给出数字孪生的定义，该定义基于定义的通用性，并通过数字表示自动更改和控制实物数据的能力进行了扩展。根据文献研究，提出数字孪生的定义：

数字孪生是具有以下功能的实物资产的数字表示：

1)数字孪生必须是实物资产的数字表示，包括尽可能真实的模型以及该实物资产上的所有可用数据。

2)数据必须包含在操作期间获取的所有过程数据，以及资产开发期间创建的所有组织和技术信息。

3)数字孪生必须始终与实物资产保持同步。

4)必须有可能在数字孪生平台上对实物资产的行为进行仿真。

虚拟空间中的数字孪生必须具有针对核心设备，产品系统和生产环境的多层建模和仿真功能。在物理空间中，需要具有完整的生产系统运营管理功能，完全集成的自动化系统工程功能以及基于云计算，物联网和大数据的数字孪生分析和服务功能。同时，在连接和协作中，物理和虚拟空间需要闭环反馈和信息集成功能。

物理实体和虚拟模型是数字孪生的两个核心要素，基于仿真技术构建虚拟模型是数字孪生的基本保证。

2.2 非线性水箱的平台设计

非线性水箱实验平台有较强的工业背景，并涉及控制原理，智能控制等多个学科，有较强的理论性，可以帮助用户了解并熟悉生产操作的流程^[11]。

非线性水箱平台应实现的设计要求，初始状态下，圆柱形注满水，泵将水注入球形水箱，球形水箱入口流量、出口流量分别通过调节阀门FV1和阀门CV2的开度； FT1，FT2分别为球形水箱入口和出口流量计；LT为液位变送器。此调节阀CV2的开度是可以自由调节的，但实验平台给水的流量是固定的，通过这种形式，来保证达到稳态；当液位过高时，液体首先会通过溢流口，进入圆柱形水箱，当液位超过通气口时，液体会从两个口同时流出，但是本文所讨论的都是在不溢出的情况下。效果图如图2.1所示