VAVBOX半實物仿真控制實驗裝置開發(fā)

閆秀英， 顏菲菲， 韓宏權

(西安建筑科技大學 信息與控制工程學院， 陜西 西安 710055)

變風量(variable air volume，VAV)空調系統(tǒng)作為一種典型空調形式，在相關教學與科研領域格外重要[1-3]。變風量空調系統(tǒng)的關鍵在于控制系統(tǒng)的調試。由于變風量空調系統(tǒng)的風道和水路分布隨工程不同而有很大差異，所以一般沒有通用控制軟件，而需要自控技術人員根據(jù)工程項目重新開發(fā)、調試，難度較大。變風量末端(VAVBOX)是變風量空調系統(tǒng)的關鍵設備，如何使系統(tǒng)正常運行，甚至將負荷預測、智能控制等先進控制算法應用于實際工程中，既滿足人體舒適度，又實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能，成為近年來國內外學者研究的熱點問題[4-5]，也是智慧建筑的技術需求。變風量空調系統(tǒng)涉及暖通、控制、計算機等眾多領域，在教學和科研中均需結合具體工藝對象。但是，VAVBOX研究平臺投資高，占地大，廠家的封裝產品不利于(甚至無法)對VAVBOX內部結構、參數(shù)特性與控制過程進行觀察與研究，故亟需開發(fā)方便教學、能反映真實系統(tǒng)特性的VAVBOX實驗裝置。

變風量空調系統(tǒng)建模的難度較大，有的系統(tǒng)還無法建立精確的數(shù)學模型，這非常不利于學生對實物內部結構的認識[6-7]；而實物系統(tǒng)不但占地大、造價高、不易模擬極限工況，而且實驗受到系統(tǒng)運行、季節(jié)、環(huán)境等多種因素制約。半實物仿真系統(tǒng)可以綜合以上兩種方法的優(yōu)點[8-10]，既可以使實驗者在系統(tǒng)的實體部分進行硬件實踐，也可在虛擬仿真部分根據(jù)需求設定系統(tǒng)模型、環(huán)境等條件因素，開設設計型、綜合型實驗，更好地解決系統(tǒng)設計與調試問題。

本文結合PLC、LabVIEW、Matlab等常用工程與科研軟件，在傳感檢測、執(zhí)行控制的實物裝置的基礎上，開發(fā)了VAVBOX半實物仿真控制實驗裝置，該裝置具有在線數(shù)據(jù)采集、存儲、控制功能，可進行控制算法的研究。

1 VAVBOX半實物仿真控制裝置方案設計

開發(fā)的VAVBOX半實物仿真控制裝置將末端實物與控制系統(tǒng)模型有機融合，構建了虛實結合的VAVBOX監(jiān)控系統(tǒng)[11-12]。該裝置具有以下特點:

(1) 實物部分可供學生動手操作，提高學生實踐技能；

(2) 仿真部分植入了系統(tǒng)特性模型，可以多人同時進行系統(tǒng)上位機監(jiān)控系統(tǒng)實驗；

(3) 可驗證控制器的設計性能，可調整控制策略；

(4) 具有通用性、可擴展性和靈活性，可根據(jù)功能需求靈活增減和修改軟硬件模塊，訓練學生的綜合實踐能力。

VAVBOX半實物仿真控制裝置總體結構如圖1所示。溫度傳感器和風速傳感器分別采集空調房間的溫度和VAVBOX送往受控房間的風量，通過PLC將數(shù)據(jù)傳遞給上位機。采用LabVIEW建立系統(tǒng)監(jiān)控平臺，此平臺嵌入Matlab腳本，根據(jù)實驗需要編寫控制程序，根據(jù)監(jiān)控平臺內嵌的系統(tǒng)模型進行運算，實時控制風閥開度，調整送入房間的風量，進而調整房間溫度。此平臺可對變風量空調末端系統(tǒng)進行經典PID控制實驗，也可進行高級控制算法研究。

圖1 總體結構框圖

2 硬件設計

VAVBOX半實物仿真控制裝置的硬件平臺主要由PLC、溫度傳感器、風速傳感器、風閥執(zhí)行器、電源等組成(見圖2)。電源通過空氣開關與PLC、開關電源和變壓器連接。220 V交流電經過變壓器降為24 V交流電給風閥執(zhí)行器供電；開關電源將220 V交流電轉換為24 V直流電為溫度變送器和風速傳感器供電。PLC采用西門子cpu224xp，風速傳感器采用西門子QVM62.1，溫度傳感器通過三線制接法與溫度變送器連接，再與PLC連接。

圖2 控制裝置硬件結構圖

風閥一般設置在VAVBOX內送風管道上，風速傳感器置于風閥前端VAVBOX入口管道上，用于測量和計算進入房間的風量；溫度傳感器設置在房間內。為了節(jié)省成本和易于管理，本實驗裝置將這些硬件全部合理安裝在一個實驗箱內，在實驗過程中將風速傳感器和溫度傳感器從實驗箱取出放到符合上述條件的工位進行實驗。

3 軟件設計

為了實現(xiàn)平臺的研究功能，使其不僅能進行演示、驗證類實驗，還能進行控制算法研究等綜合設計、研究性實驗，采用LabVIEW開發(fā)了半實物仿真系統(tǒng)的監(jiān)控界面，如圖3所示。監(jiān)控界面可以實時顯示末端房間的溫度、溫度設定值、風量設定值、風閥開度及相應參量的波形圖，可以根據(jù)實驗人員的需要調整溫度設定值、設定采樣時間、控制器參數(shù)等。通過控制系統(tǒng)可在實時控制閥門開度的同時觀察各參數(shù)的變化，了解控制效果。

在軟件設計過程中，控制部分可根據(jù)不同要求進行調整。在LabVIEW程序中可引入各控制優(yōu)化算法的Matlab腳本程序，也可通過LabVIEW編程語言進行控制程序編寫。在系統(tǒng)運行過程中，通過風機模擬空調送風，系統(tǒng)信息經檢測元件和PLC傳給上位機，經STEP 7軟件將采集的溫度、風量信號和輸出控制信號進行標度變換，之后采用PC Access軟件將相關變量與LabVIEW控件進行數(shù)據(jù)綁定、將數(shù)據(jù)與監(jiān)控系統(tǒng)鏈接，即可進行實驗研究，完成半實物仿真實驗。

半實物仿真實驗數(shù)據(jù)可以導出，以進行深度對比研究。圖4為實驗分別采用單神經元自適應PID控制和基于單純形法的增量式PID控制的對比圖。通過數(shù)據(jù)圖表等不同方式深入分析各控制方法對系統(tǒng)控制效果的影響，進行量化分析。

圖3 監(jiān)控界面

圖4 房間溫度實驗對比圖

4 結語

VAVBOX半實物仿真控制裝置將實物與模型有機融合，是一個虛實結合的實驗裝置。此裝置可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、控制程序編寫，并可觀測、研究VAVBOX系統(tǒng)在模型與實體作用下各參數(shù)隨控制作用變化的動態(tài)過程，既可進行傳統(tǒng)PID控制實驗，也可進行高級控制算法研究，強化學生對相關理論知識的理解和綜合運用，提高學生的綜合素質，并且利于培養(yǎng)學生的科研興趣。

References)

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