暖通控制系統仿真平臺開發

摘要：暖通控制系統仿真平臺將暖通系統的流程圖與圖中功能部件的仿真模型相結合，可視化的展現系統的組成，各個部件的輸入輸出，及系統的運行性能。暖通控制系統仿真平臺框架主要涉及三個模塊：暖通部件模型庫、暖通部件圖形繪制模塊、以及仿真驅動模塊。

關鍵詞：暖通部件模型庫；暖通部件圖形繪制模塊；仿真驅動模塊

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)34-1695-02

Develop the Simulation Platform about HVAC Control System

DING Cheng-lin1， XU Wei-sheng2

(1.School of Software Engineering， Tongji University， Shanghai 201804， China; 2.School of Electronic and Information Engineering， Tongji University， Shanghai 201804， China)

Abstract: The simulation platform about HVAC control system is developed to join the system flow chart with the simulations of all function parts of the HVAC system. It can directly and visually show what components a HAVC system is made up of and the system’s feasibility and performance. The HAVC control system simulation platform is mainly composed of following three modules: HAVC functional parts’ models， the function of drawing， and the function of running simulation system.

Key words: HVAC functional parts’ models; the function of drawing; the function of running simulation system

1 引言

在設計一個暖通系統過程中，繪制系統流程圖和對組成系統的每個功能部件，例如冷凝器，壓縮機等進行仿真。由于暖通系統一般過于龐大和復雜，所以很少對系統整體進行仿真。繪制系統流程圖相對比較簡單，可以繪制在紙上，也可以通過畫圖工具，或者專業的流程圖繪制工具制作。暖通系統的仿真，首先就涉及到建模。但是暖通系統具有嚴重的非線性、時滯性、和非穩態性，給相應的仿真帶來很大的困難。從20世紀60年代起，計算機被引入工程領域，輔助解決工程實際問題。但那時大多數暖通系統控制研究僅限于如溫度控制這樣的簡單控制環路。隨著當今計算機技術的迅速發展，計算和數據處理功能大大提高，基于狀態空間表示的時域分析方法能夠應用于仿真領域。時域分析法適用于分析多變量的非線性時變系統， 因而能解決系統仿真中的一些關鍵問題，國際上隨之出現的各類已經商業化的軟件包更是推進了仿真的運用。例如基于CFD的室內環境模擬軟件有Fluent、airpark、Phoenics等，建筑能耗模擬分析軟件有DOE-2、BLAST、EnergyPlus等。

盡管這些軟件使暖通設計，變得更加精確，更加可視化，但依然存在一些不足。流程圖只能靜態的反映整個系統的組成和運行流程。必須手工把一個或多個部件仿真輸出導入另一個功能部件的仿真作為輸入。 開發暖通控制系統仿真平臺的目標就是通過把流程圖和每個部件仿真結合在一起，實現一個部件的輸出自動輸入到另一部件，并在流程圖上動態可視化。

2 暖通控制系統仿真平臺

暖通控制系統仿真平臺是一個將流程圖和仿真程序相結合的平臺，它將流程圖上的每個部件與這個部件的仿真程序相結合，使流程圖上的部件對任何合理的輸入產生正確的輸出。這樣既解決了數據從一個部件或多個部件導入另一個部件的問題，也使得流程圖能動態的顯示系統的運行狀況。

另外，暖通控制系統仿真平臺帶有暖通部件仿真模型庫，其中存儲暖通部件的圖像和仿真程序。當用暖通控制系統仿真平臺進行系統仿真時，對模型庫中存在的部件，可以從模型庫中選擇，無需重新仿真。

3 暖通控制系統仿真平臺框架

暖通控制系統仿真平臺框架分為三個主要模塊：暖通部件模型庫、暖通部件圖形繪制模塊和仿真驅動模塊。

3.1 暖通部件模型庫

在暖通系統設計中，經常會碰到某些部件在過去的一些系統設計中已經對其進行了仿真，為了避免重復仿真，設計了暖通部件模型庫。在通過暖通控制系統仿真平臺進行系統仿真時，可以將每個已仿真的部件加入模型庫，供以后設計中重復使用。另外，也可以將整個系統作為一個更大的系統的子系統存入模型庫。

暖通部件模型庫由三部分組成：記錄模型庫中模型的數據文件、存儲部件模型序列化后數據信息的文件夾和存儲模型庫中仿真部件輸入輸出關系運算單元的文件夾。

3.1.1 對模型庫中所有的部件模型進行記錄管理

記錄模型庫中每個部件仿真模型的方式有很多種，例如文本文件或數據庫。如果采用文本文件，涉及到許多格式轉化問題，因此在存儲信息時會存在很多問題，而并不是每臺計算機都裝有數據庫，特別是由程序所設定的數據庫。綜合各方面的需求，采用了XML技術來保存信息。XML是一種可擴展標記語言，是internet環境中跨平臺的，依賴于內容的技術，它使用一系列簡單的標記描述數據，而這些標記可以方便的建立，具有數據自描述能力[1]。模型庫中XML文件標記如下：

標記代表模型庫，標記代表模型庫中仿真模型，標記代表仿真模型的名稱，標記代表程序集的集合，其中每個程序集都包含仿真模型的運算程序，標記代表程序集，標記代表程序集的名稱。

3.1.2 存儲部件模型序列化后數據信息的文件夾

整個暖通控制系統仿真系統是采用C#編程語言來實現的。設計了一個Part類保存部件模型的相關信息：圖形，運算單元，以及運算單元所在的程序集信息。在將部件模型存入模型庫時，對Part類對象進行序列化[2]，數據存入以部件名稱命名的文件，并放置特定文件夾下。

3.1.3 儲模型庫中仿真部件輸入輸出關系運算單元的文件夾

對每個部件的輸入輸出關系的運算邏輯是通過Matlab工具進行仿真。Matlab生成包含運算單元的COM組件。由于在C# 中不能直接使用COM程序，必須使用TlbImp.Exe對其創建Runtime Callable Wrapper（RCW運行庫可調用的封裝容器）[3]。因此對COM組件及其相關的封裝容器放入一個固定的文件夾以便統一管理和存取。

3.2暖通部件繪制模塊

由于程序主要為仿真而開發的，所以對每個部件只是繪制示例圖。暖通部件繪制模塊采用二位平面圖，它的主要功能包括：

1) 提供繪制暖通部件示例圖的畫圖功能。例如直線、圓、矩形等。

2) 選取圖形塊作為一個暖通部件，并將其與特定的運算邏輯綁定。選取圖形塊主要涉及將圖形塊的繪制信息存入一個Part類對象并命名，然后利用C# 的類型反射[4]和晚期綁定技術[5]實現圖形塊與COM組件的連接。

3) 將所設計的各個暖通部件模型存入模型庫。

3.3 仿真驅動模塊

暖通系統雖然是一個連續的系統，但在對其進行仿真時，數學模型一般采用離散事件系統模型中的時間離散系統模型。離散事件系統模型是指系統中的狀態變量只在某些離散時刻發生變化的模型。系統雖然是連續的，但由于只是在采樣的時刻點上對系統進行研究，才構成了時間離散系統。時間離散系統模型一般用差分方程、離散狀態方程和脈沖傳遞函數來描敘[6]。當仿真程序構建完成，就需要一個線程或進程來運行仿真運算程序。通常是給出離散時間點上的一組輸入，然后用一個線程按系統運行流程相似的順序依次運行每個功能部件的仿真函數。由于流程圖上的某個部件的輸入可能來自多個其他部件，或者它的輸出是多個其他部件的輸入，因此系統的運行流程不是各個功能設備一個接著一個的運行，而是可能存在多個設備同時運行，然后把輸出結果輸入下一個設備。為了在單一線程中反映這種系統行為，必須對流程圖上的所有功能部件的仿真運算單元進行拓撲排序[7]，從而保證任何功能部件在運行前，給與它輸入的功能部件都得到運行。

4 暖通控制系統仿真平臺的實現及測試

暖通控制系統仿真平臺采用C#程序設計語言實現，并根據空調系統案例，對其進行測試。測試表明暖通控制系統仿真平臺達到了開發此軟件最初目標：通過把流程圖和每個部件仿真結合在一起，實現一個部件的輸出自動輸入到另一部件，并在流程圖上動態可視化。

5結語

本文詳細描述了暖通控制系統仿真平臺的框架，該平臺綜合利用了暖通系統設計中的流程圖和仿真技術，使整個暖通系統設計工作更加可視化，自動化。

參考文獻：

[1] Jacobs S.Beginning XML with DOM and Ajax: Form Novice to Professional[M].北京:人民郵電出版社，2007.

[2] Troelsen A.Pro C# with .NET 3.0 Special Edition[M].北京:人民郵電出版社，2008:449-463.

[3] Robinson S，Nagel C.Professional C#[M].3rd ed.北京:清華大學出版社，2005:879-891.

[4] Troelsen A.Pro C# with .NET 3.0 Special Edition[M].北京:人民郵電出版社，2008:324-326.

[5] Troelsen A.Pro C# with .NET 3.0 Special Edition[M].北京:人民郵電出版社，2008:333-335.

[6] 賈連興.仿真技術與軟件[M].北京:國防工業出版社，2006.

[7] Weiss M A.Data Structures and Algorithm Analysis in C Second Enditon[M].北京:機械工業出版社，2004:217-218.