Simulink仿真軟件在建筑設(shè)備自動化實驗教學中的應(yīng)用

劉志斌 范偉

摘? 要 為提高學生對暖通空調(diào)系統(tǒng)控制原理、控制實現(xiàn)方法和控制過程的理解，在“建筑設(shè)備自動化”實驗教學中引入仿真實驗。以通斷控制器和PID控制器對水箱溫度的控制為例，介紹整個實驗教學的過程。

關(guān)鍵詞 建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程;建筑設(shè)備自動化;實驗教學;仿真實驗;Simulink;恒溫水箱;通斷控制器;PID控制器

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）14-0040-04

Application of Simulink Simulation Software in Building Auto-mation Experiment Teaching//LIU Zhibin， FAN Wei

Abstract In order to improve students understanding and grasp of

theoretical knowledge， effectively improve students interest in lear-

ning and teaching quality， and mobilize students initiative and crea-tivity in learning， Simulink simulation software is introduced into the

teaching of building equipment automation course. Taking the con-stant temperature water tank on-off controller as an example， this paper introduces the design and application of Simulink simulation software in teaching process.

Key words building environment and energy application enginee-ring; building equipment automation; experiment teaching; simula-tion experiment; Simulink; thermostatic water tank; on-off controlle;

PID controlle

1 引言

建筑設(shè)備自動化課程是大連民族大學建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的專業(yè)課之一。該課程主要講述的內(nèi)容由理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用兩部分構(gòu)成：理論基礎(chǔ)主要包括控制器、執(zhí)行器和傳感器的工作原理;工程應(yīng)用主要包括采暖、空調(diào)和通風系統(tǒng)中所涉及的設(shè)備和系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)原理、工程應(yīng)用中的實現(xiàn)方法。通過本課程的教學，培養(yǎng)本專業(yè)學生分析、設(shè)計和集成建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)的能力，掌握暖通空調(diào)系統(tǒng)建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)的設(shè)計和運行管理的基礎(chǔ)知識，使學生初步具備從事建筑設(shè)備自動化工程設(shè)計、運行與維護管理的能力。本課程理論性強，教學內(nèi)容抽象，需要通過理論與實驗相結(jié)合的教學方法使學生加深對理論的理解并運用到工程技術(shù)中去，因此，實驗教學在整個教學過程中是十分重要的一個環(huán)節(jié)。

建筑設(shè)備自動化課程實驗的特點是機電結(jié)合、電為機用，與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，涉及自動控制原理、建筑電氣和熱工學等方面的理論知識。為了體現(xiàn)出不同環(huán)境條件下、不同控制需求下、不同控制邏輯下、不同設(shè)備下得到的控制過程和結(jié)果的對比關(guān)系，采用傳統(tǒng)的實驗方式已不能滿足實驗教學現(xiàn)代化發(fā)展的要求，迫切需要新的教學方法和手段來提高教學質(zhì)量。大量的實踐證明[1-8]，采用Simulink仿真軟件進行虛擬實驗教學是一個很好的辦法，已經(jīng)取得很好的效果。本文以通斷控制器和PID控制器對恒溫水箱的控制實驗為例，介紹Simulink仿真軟件在實驗教學中的應(yīng)用。

2 恒溫水箱控制系統(tǒng)實驗仿真

恒溫水箱是指利用電加熱的方式保持水箱的溫度處于恒定狀態(tài)。它是本專業(yè)室內(nèi)溫度、濕度、潔凈度處于恒定狀態(tài)的一種直觀理解和類比模型，作為教學內(nèi)容的引入案例，更加利于學生的理解。整個實驗過程涉及的內(nèi)容包括仿真模型的建立、參數(shù)的設(shè)置、仿真結(jié)果的分析。

仿真模型的建立? 電加熱恒溫水箱的系統(tǒng)示意圖如圖1所示[9]。該恒溫水箱加熱系統(tǒng)由執(zhí)行器（電加熱）、傳感器（溫度傳感器）、控制器和被控對象（水箱）組成，控制的目標是保證水箱的溫度恒定。

學生在進行實驗前，應(yīng)自行設(shè)計水箱容量、水箱的材質(zhì)、加熱器功率、溫度傳感器等。為構(gòu)建其仿真模型，首先設(shè)定簡化的假設(shè)條件，獲得的數(shù)學模型如表1所示。參考課堂理論教學中的知識點，由淺入深分別獲得不同假設(shè)條件下的時域模型和復(fù)域模型，其模型如表1所示。

根據(jù)控制系統(tǒng)復(fù)域模型，在Simulink軟件中搭建仿真模型，分別利用通斷控制器和PID控制器對被控對象進行控制，控制系統(tǒng)仿真模型圖如圖2和圖3所示。

模型參數(shù)的設(shè)置? 模型參數(shù)的設(shè)置主要包括模塊參數(shù)和控制器參數(shù)的設(shè)置：模塊參數(shù)的設(shè)置包括被控對象的時間常數(shù)、執(zhí)行器的時間常數(shù)、傳感器的時間常數(shù)、環(huán)境溫度、設(shè)定溫度等;控制器參數(shù)包括比例系數(shù)（Proportional）、積分時間（Integral）、微分時間（Derivative）等。學生在實驗前根據(jù)自定的物理模型，可以先行確定模塊參數(shù)，通過控制系統(tǒng)的要求，如精度、動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，確定控制器參數(shù)。

仿真結(jié)果分析? 通斷控制器和PID控制器的實驗仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。對于通斷控制器，學生需要根據(jù)實驗結(jié)果與理論分析和計算結(jié)果進行對比，具體內(nèi)容包括：通斷控制器控制實驗用水箱可以實現(xiàn)的溫度調(diào)節(jié)范圍;通斷周期及其影響因素，如上升時間和下降時間，設(shè)定溫度對通斷周期的影響;通斷周期與時間常數(shù)之間的關(guān)系。對比分析不同假設(shè)條件下控制反應(yīng)的慣性，并得到相應(yīng)的結(jié)論;通過改變加熱器時間常數(shù)，理解時間常數(shù)的物理意義;改變加熱器（執(zhí)行器）的功率，進行控制效果的對比，明確為達到控制要求時需要調(diào)整的方向;通過控制系統(tǒng)回差的改變，理解回差對整個控制系統(tǒng)的影響等。

通過PID控制器仿真實驗結(jié)果，理解比例系數(shù)、積分時間和微分時間對系統(tǒng)穩(wěn)定性、動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的影響，明確工程整定過程中比例系數(shù)、積分時間和微分時間的設(shè)定方法和調(diào)整步驟等。此外，通過方法的掌握，學生可以根據(jù)對響應(yīng)時間、精度、靜差等的具體要求，逐步找到控制恒溫房間空氣溫度的PID參數(shù)。

3 結(jié)語

在建筑設(shè)備自動化實驗教學過程中引入Simulink仿真工具，可以生動、形象、及時地將實驗結(jié)果在實驗進行中展示出來，便于分析和對實驗進行調(diào)整，具有較強的實踐指導(dǎo)意義。仿真實驗與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，可以減少實物實驗設(shè)備、耗材費用，彌補傳統(tǒng)實驗的不足。此外，學生掌握Simulink仿真工具后，可以自主開展靈活多樣的設(shè)計性、綜合性暖通空調(diào)相關(guān)的實驗項目，不僅加深對理論知識、專業(yè)知識的理解和掌握，更能夠激發(fā)創(chuàng)造力。■

參考文獻

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