使用SysML的参数图进行算法仿真示例：水箱压力调节器

使用SysML的参数图进行算法仿真

示例：水箱压力调节器

翻译：张贵显俎涛（火龙果软件工程）

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2021-5-27

SysML中的参数图仿真

SysML中的参数图可以对模型中的数据进行计算，执行类似Matlab的数据计算功能。原理图如下：

使用SysML参数图仿真的过程如下：

首先定义算法：定义模块中的算法和输入输出的变量，

然后再对算法仿真：指定输入变量的数值，执行仿真计算。

查看结果：通过数值的图形化显示器查看输出的数据。

今天，我们介绍一下使用SysML的参数图进行算法仿真示例：水箱压力调节器。它显示了两个水箱之间的水位。我们首先模拟一个平衡良好的系统，然后模拟一个水将从第二个水箱溢出的系统。

水箱压力调节器示意图

该图描绘了两个连接在一起的水箱，以及一个可以填充第一个水箱的水源。每个水箱都连接有比例积分（PI）连续调节器，该调节器将水箱中的水位调节到参考水位。当水源向第一个水箱注满水时，比例积分连续调节器会根据水箱的实际水位调节水箱的出水量。第一个水箱的水会流入第二个水箱，比例积分调节器也会对其进行调节。这是自然的不是特定领域的物理问题。

操作方法如下：

创建SysML算法模型，使用了模块定义图和参数图；

启动SysML算法仿真器

创建SysMLSim工件并配置

设置参数数据

执行仿真，查看结果

操作1：创建SysML算法模型

首先我们在EA中创建水箱压力调节器模型，模型包括如下部分：

1、模块定义图（BDD）Block Definition Diagram

模型定义图是最常见的SysML 图，在BDD中我们可以定义模块，值类型，约束模块、端口等。本案例我们创建了4个模块：

LiquidSource：水源

Tank: 水箱

BaseController：基本控制器

PIcontinuousController：比例积分调节器

以下是我们定义的模块的各个端口：

模块	端口
LiquidSource水源	qOut：用于水流出流量，类型为LiquidFlow
Tank水箱	qIn：用于输入流量 qOut：用于输出流量 tSensor：用于提供液位测量 tActuator：用于设置水箱出口处阀门位置
BaseController基本控制器	cIn：输入传感器 cOut：对执行器的控制

模块中还有一些属性和约束，后续我们一一介绍。

模块定义图

除了水源，水箱之外，我们还要定义3个和水流动相关的模块：

ActSignal：发送给调节器的控制阀门的信号

LiquidFlow：流入或流出的水流，属性为“ lflow”，单位为“ m 3 / s”

ReadSignal：读取液位，属性为“ val”，单位为“ m”

2、内部模块图(IBD)Internal Block Diagram

内部模块图与模块定义图及参数图互补，通过组件（Parts）、端口、连接器来用于描述系统模块的内部结构。IBD的外框总是代表你在系统模型某处定义的模块。在外框之中，你可以显示模块的组成部分属性和引用属性，以及把它们连接在一起的连接器。

我们建立一个水箱的系统的内部结构图

然后建立2个连接的水箱的系统的内部结构图。

3、约束模块ConstraintBlocks

SysML引入约束模块来支持参数模型的构建。约束模块是一个特定类型的模块用来定义等式。约束模块有2个主要特征：一组参数集和约束参数的一个表达式。约束模块的一个使用被称为一个约束属性。定义和约束模块的使用分别被表示在模块定义图和参数图上。

在本示例中当时间= 150时，流量急剧增加到先前流量水平的三倍，这产生了一个有趣的控制问题，水箱的控制器必须处理该问题。

水源约束模块

调节水箱性能的中心方程是质量平衡方程。输出流量通过“ flowGain”参数与阀位置相关。传感器仅读取罐的液位。

水箱约束模块

下面这2个图中说明了为“ BaseController”和“ PIcontinuousController”定义的约束。

这样示例的基本模型就建立好了。

操作2：启动SysMLSim仿真器

TankPI和TanksConnectedPI被定义为“ SysMLSimModel”，因此它们将在“模拟”页面上的“模型”的组合框中列出。

选择TanksConnectedPI，并观察发生的变化：

• “数据集”组合框：将填充TanksConnectedPI中定义的所有数据集

• “依赖”列表：将自动收集所有的块，约束，和SimFunctions由值类型直接或间接引用TanksConnectedPI（这些元素将作为OpenModelica代码生成）

• “要绘制的属性”：将收集一长串“叶”变量属性（即它们没有属性）；您可以选择一个或多个进行模拟，然后该属性将显示在图例中

操作3、创建SysMLSim工件并进行仿真环境设置

选择'Simulate > System Behavior > Modelica/Simulink > SysMLSim Configuration Manager'，

包中的元素将被加载到配置管理器中。

如下表所示配置这些块及其属性。

备注：默认情况下，未配置为“ SimConstant”的属性为“ SimVariable”。

模块	属性
LiquidSource	配置为“ SysMLSimClass” 。属性配置： flowLevel：设置为“ SimConstant”
Tank	配置为“ SysMLSimClass”。属性配置： area: 设置为“ SimConstant” flowGain: 设置为“ SimConstant” maxV: 设置为“ SimConstant” minV: 设置为“ SimConstant”
BaseController	配置为“ SysMLSimClass”。属性配置： K：设为“ SimConstant” T：设置为“ SimConstant” Ts：设置为“ SimConstant” ref：设置为“ SimConstant”
PIcontinuousController	配置为“ SysMLSimClass”。
TankPI	配置为“ SysMLSimModel”。
TanksConnectedPI	配置为“ SysMLSimModel”。

操作4、设置参数数据

右键单击每个元素，选择“Create Simulation Dataset”选项，然后配置该数据集，如下表所示。

模块	数据集
LiquidSource	flowLevel: 0.02
Tank	h.start: 0 flowGain: 0.05 area: 0.5 maxV: 10 minV: 0
BaseController	T: 10 K: 2 Ts: 0.1
PIcontinuousController	无需配置。默认情况下，特定的块将使用超级块的默认dataSet中的配置值。
TankPI	可以在“配置仿真数据”对话框中加载默认值。例如，我们将在每个Block元素上配置为默认dataSet的值加载为TankPI属性的默认值。单击每一行上的图标，以将属性的内部结构扩展到任意深度。单击确定按钮，然后返回到配置管理器。然后配置这些值： tank.area：1会覆盖Tank Block数据集中定义的默认值0.5。 piContinuous.ref：0.25
TanksConnectedPI	controller1.ref：0.25 controller2.ref：0.4