借助簡單案例實現環境工程仿真技術的快速入門

樊立萍

【摘要】仿真技術是提高工程類課程教學效果的有效手段。本文針對環境工程專業特點，探討借助簡單案例實現環境工程仿真技術快速入門的教學方法，提高了環境科學與工程類專業計算機仿真技術課程的教學效果。

【關鍵詞】環境工程 仿真技術 案例

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）01-0231-02

隨著工業化進程的加快及全球經濟的迅猛發展，工程教育正經歷著不斷的挑戰。高等教育實施過程中，工程教育是建立在從實驗室獲得的最低實踐量基礎上的。然而，伴隨著高技術設備的復雜性與快速發展，實驗設備日趨高代價性與廣泛性，導致即使是完成工程教育最低實踐量所需的設備，也是一般院校無法負擔的。

仿真是一種可方便描述和分析系統行為的重要分析工具。仿真環境可以有效模擬實際工程場景，為工程教育學生提供虛擬工程訓練平臺。仿真技術應用于工程教育，在實驗速度、實驗成本等方面優勢明顯，更為一些實驗室無法實現的特殊工況的工程訓練提供了方便。仿真技術已經成為工程教育中實現工程訓練的重要輔助手段。

環境工程仿真技術已經被大多數院校設置為環境工程本科或研究生教學中的一門專業技術基礎課。環境工程專業的學生一般在計算機編程方面的基礎較弱。大多數的仿真教材都是從枯燥的編程語言開始的，對于非計算機專業學生來講，往往是大多很難接受。

本文探討通過一個簡單案例——河流水質S-P模型MATLAB的實現，快速掌握環境工程仿真技術，進一步借助環境工程仿真技術，掌握環境過程機理，輔助環境過程實踐教學。

一、MATLAB仿真平臺下環境過程模擬的基本方法 MATLAB是目前工程技術領域應用最廣泛的仿真軟件。應用MATLAB對環境過程進行仿真，主要步驟如下：

第一步：建立環境過程數學模型。環境過程數學模型一般是根據過程反應機理建立起來的一個或一組微分方程。

第二步：求解微分方程。

第三步：MATLAB編程。

第四步：仿真運行與結果分析。

二、以實例說明仿真實現方法

以最簡單的河流S-P 模型的MATLAB仿真為例。

1.建立河流水質模型

河流水質S-P數學模型：

其中，L為河水中的BOD值；D為河水中的氧虧值；Kd為河水中BOD衰減（耗氧）速度常數；Ka為河流復氧速度常數；t為河水的流行時間。

2.求解模型方程

根據微分方程求解方法，可得河流S-P模型的解析解為：

其中，L0為河流起始點的BOD值；D0為河流起始點的氧虧值。

環境分析中有時也以氧垂曲線反應過程變化情況。河流水質變化過程氧垂方程為：

O=Os-D

其中，Os為飽和溶解氧值。

3.MATLAB編程

可以以兩種方式實現MATLAB仿真。一種是編寫m文件，一種是建立SIMULINK仿真模塊。首先采用m文件實現S-P模型的仿真。

用Matlab 語言編寫的程序稱為m文件。打開MATLAB的 m文件窗口，鍵入實現以S-P模型模擬河流水質變化過程的MATLAB命令系列，即可建立S-P模型仿真文件。為了實現對一個實際河流的逼真模擬，并能夠直觀觀測河流水質變化過程，這一m文件包括原始數據輸入、過程建模、模型求解、結果輸出等一系列命令系列。課堂教學過程中所建立的河流S-P模型的riverSP.m文件如下：

結合此文件，可以在MATLAB命令窗口下，邊建立文件，邊講解數據如何輸入，模型如何建立，圖形如何輸出，以及主要MATLAB命令的作用等即可講解清楚。

運行此文件，可得到圖1所示運行結果。對照圖1，學生可清楚觀察到表征河流水質的三個主要水質指標的變化趨勢。這些曲線的變化趨勢與實踐河流水質變化完全一致，一方面驗證了仿真程序的正確性，另一方面，證明了仿真技術對于環境工程實踐應用的可行性。

圖1 河流S-P模型m文件運行結果

在MATLAB仿真環境下實現過程模擬的另一種方法是建立SIMULINK仿真模型。SIMULINK是MATLAB最重要的組件之一，是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環境。它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。

建立SIMULINK仿真模型的方法如下：打開SIMULINK LIBRARY（模型庫）選擇所需元器件，按照模型表達式連接所需器件，即可構成完整仿真圖。

河流水質S-P模型的SIMULINK仿真模型如圖2所示。

圖2 S-P模型的SIMULINK仿真模型

選擇Simulation-start開始仿真運行，可以從SIMULINK模擬示波器觀察到運行結果如圖3所示。

圖3 SIMULINK仿真結果

三、總結

比較圖1和圖3可見，無論采用m文件編程，還是采用SIMULINK模型庫建模，對同一對象的仿真效果是一致的。

實際的教學實踐過程證明，通過以上簡單實例的分析講解與課堂操作，學生對MATLAB仿真技術可以有一個快速了解，對一些簡單的環境過程的仿真實現，也可以通過此例進行舉一反三的練習實踐，實現了對環境工程仿真技術的快速入門。

參考文獻：

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