虛擬仿真實驗在空調(diào)自控系統(tǒng)實驗教學中的應(yīng)用

黃廣國，朱海青，晉廣慶

（山東大衛(wèi)國際建筑設(shè)計有限公司，山東 濟南 250002）

0 引 言

當前的科學研究和教育領(lǐng)域中，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的建設(shè)正在被各高等院校重視。虛擬實驗教學平臺具有信息量大、模擬計算能力強、數(shù)據(jù)模型反應(yīng)快等特征。建筑內(nèi)中央空調(diào)節(jié)能運行環(huán)境系統(tǒng)是一個變量眾多、關(guān)聯(lián)復(fù)雜、非線性和隨機性強、氣象環(huán)境多變的復(fù)雜系統(tǒng)，如何能夠在實驗教學中開展各類控制教學實驗，讓學生掌握空調(diào)系統(tǒng)的控制設(shè)計、運行規(guī)律是現(xiàn)實教學的難點。本實驗教學平臺以智能建筑實驗室中的中央空調(diào)主機為原型，利用組態(tài)軟件做后臺，虛擬仿真軟件做計算樞紐，Web 網(wǎng)頁技術(shù)做客戶端，通過軟件系統(tǒng)實時通信的模式，實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)實驗教學的目的。

1 空調(diào)工程虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)

1.1 空調(diào)房間數(shù)學模型

空調(diào)房間數(shù)學模型的建立是分析自動控制效果的關(guān)鍵，本平臺在模型建立過程中對外界影響因素做以下規(guī)定：

（1）忽略空調(diào)房間內(nèi)換氣和外墻熱輻射的影響；

（2）假設(shè)被控房間的溫度均勻；

（3）將室外環(huán)境的變化作為被控系統(tǒng)的擾動輸入；

（4）忽略圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱量。

如圖1所示，就是經(jīng)過簡化后的空調(diào)房間模型

圖1 空調(diào)房間模型

圖中：由送風帶入室內(nèi)的熱量（W），=；為送風量（m/s）；為空氣的比熱（J/kg · ℃）；為房間的容量系數(shù)；t為送風溫度；t為室內(nèi)的空氣溫度；為空氣密度。

1.2 表冷器的數(shù)學模型

系統(tǒng)模型的構(gòu)建過程中首先忽略表冷器器壁的熱容、物性參數(shù)受溫度影響的變化。由制冷機組制成的低溫冷凍水，通過冷凍水循環(huán)泵，送至表冷器。冷凍水的冷量通過表冷器的翅片與房間內(nèi)空氣進行熱交換，達到房間內(nèi)室溫降低的目的。當冷凍水運載的冷量與空調(diào)房間的熱釋放量相同時，空調(diào)房間內(nèi)的溫度穩(wěn)定不變。通過分析表冷器的熱交換過程，可確定其中串聯(lián)為三個環(huán)節(jié)：

（1）由制冷劑（冷媒）到管壁內(nèi)側(cè)的熱傳遞；

（2）由表冷器內(nèi)側(cè)金屬到表冷器外側(cè)金屬的熱傳遞；

（3）由表冷器金屬外側(cè)向房間內(nèi)空氣的熱傳遞。

依據(jù)傳熱學定律，對房間內(nèi)空氣冷卻過程，模型化后建立方程如下：

各參數(shù)定義為：，，為冷水定性溫度、被控區(qū)空氣定性溫度、被控區(qū)外界溫度；為表面冷卻器的比熱容（kJ/（kg · ℃））；為建筑物比熱容（kJ/（kg · ℃））；為單位時間需要輸入的總冷量；為表面冷卻器與被控區(qū)的傳熱功率；為被控區(qū)與環(huán)境傳熱功率；、：表冷器、被控區(qū)的換熱面積（m）；、為冷水質(zhì)量、被控區(qū)空氣質(zhì)量（kg）。

1.3 加熱器的數(shù)學模型

忽略加熱器熱惰性的前提下，可得能量平衡方程：

q=f·ρ·c·（-）/

式中：c為空氣的比熱（J/（kg·℃））；ρ為空氣密度（kg/m）；電加熱器的送風溫度（℃）；電加熱器的入口溫度（℃）；f風機的送風量（m/s）；q電加熱器的功率（W）；電加熱器的效率。

在計算加熱器熱惰性的因素下，加熱器的延遲時間可給予忽略，加熱器送風溫度和輸入功率可通過用一階慣性環(huán)節(jié)來表示：

式中：為電加熱器加熱過程中溫度增益（℃/W）；T為加熱過程的時間常數(shù)（s），通常在5 s 左右。

1.4 溫度傳感器的數(shù)學模型

溫度傳感器通常采用金屬外殼，其作用于空調(diào)系統(tǒng)檢測室內(nèi)溫度、防過熱過冷保護、控制空調(diào)機組的運行。在空調(diào)自動控制系統(tǒng)中，溫度傳感器優(yōu)先采用無套管型熱電偶型，其優(yōu)點是熱慣性較小，能夠快速地接近冷熱媒的實際溫度，有利于提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度，避免控制系統(tǒng)產(chǎn)生波浪形震蕩。

根據(jù)空氣熱力學原理，房間內(nèi)空氣與溫度傳感器之間的熱量傳遞與傳感器熱量的變化相同，可得到溫度傳感器的能量傳遞平衡方程為：

對方程進行拉普拉斯變換，可得溫度傳感器的數(shù)學模型傳遞函數(shù)為：

1.5 執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)學模型

執(zhí)行機構(gòu)是空調(diào)控制系統(tǒng)的重要組成部分，是空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制的“手腳”，其直接決定空調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。一般利用電動執(zhí)行器控制冷熱媒的流量，利用電動風閥的打開角度調(diào)節(jié)空氣的流通量，從而達到調(diào)節(jié)房間內(nèi)溫度和濕度的目的。

電動執(zhí)行機構(gòu)的流量特性大致分為線性、等百分比、快開和拋物線特性。本系統(tǒng)的數(shù)學建模選用在空調(diào)控制系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的線性流量特性。電動執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)學模型總體傳遞函數(shù)可定義為基于線性分析的比例環(huán)節(jié)。

2 仿真實驗設(shè)計

2.1 空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型

在建立的空調(diào)系統(tǒng)對象模型基礎(chǔ)上，平臺以省級重點實驗室——山東建筑大學智能建筑實驗室的中央空調(diào)為參照被控對象，通過系統(tǒng)建模和系統(tǒng)分析可得空調(diào)模型如下：

（1）房間模型。利用山東建筑大學智能建筑實驗室的房間為模型，房間面積120 m，長15 m，寬8 m，高3 m，空調(diào)末端盤管送風形式為側(cè)面，每天通風換氣次數(shù)取12，可得=45 s，=0.30，=450 s。由此經(jīng)過機理法建模，經(jīng)過計算以及查閱相關(guān)的參考文獻，確定房間的傳遞函數(shù)為：

（2）表冷器模型。利用智能建筑實驗中全空氣空調(diào)實驗臺的表冷器為參照，假定工況為干工況下確定表冷器的模型傳遞函數(shù)為：

2.2 控制器的設(shè)計

在空調(diào)自動控制系統(tǒng)的教學中，PID 控制是最基本的控制，其控制原理是模糊控制器設(shè)計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計、深度學習算法控制器設(shè)計的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)重點對此闡述如下：

2.2.1 PID 控制器的基本原理

按偏差的比例、積分和微分線性組合進行控制的方式，稱為PID 控制。PID 控制器由于其結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強，可靠性高，在過程控制中得到廣泛應(yīng)用。

2.2.2 PID 控制器的參數(shù)整定

以結(jié)果P＜0.05定義為有顯著性差異，用均數(shù)±標準差表示計量資料并行t檢驗，用%表示計數(shù)資料并行x2檢驗，所有數(shù)據(jù)皆經(jīng)SPSS 19.0軟件進行處理。

PID 控制需要根據(jù)被控對象適當?shù)卣ㄋ娜齻€參數(shù)，才能獲得比較滿意的控制效果。當一個控制系統(tǒng)實際安裝完成后，系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)以及被控對象各通道的特性就不能再改變了，而唯一能改變的就是調(diào)節(jié)器的參數(shù)，即調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。通過改變這三個參數(shù)的大小就可以改變控制器的性能，獲得較好的過渡過程和控制質(zhì)量。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的目的就是按照已定的控制系統(tǒng)，求取控制系統(tǒng)質(zhì)量最好的調(diào)節(jié)器參數(shù)。

2.2.3 控制器參數(shù)的傳遞

在本設(shè)計的虛擬實驗平臺中，由于實驗界面和實驗?zāi)Ｐ褪仟毩⒌模刂破鲄?shù)的改變必須通過PCAuto 接口來設(shè)計，所以控制器的設(shè)計要留下參數(shù)傳遞的接口。Matlab 空間是一個參數(shù)中轉(zhuǎn)的平臺，PCAuto 前臺界面可以將設(shè)置好的控制器參數(shù)傳遞到Matlab 工作空間，然后控制器模型工作時會自動地從Matlab 空間中讀取相應(yīng)的參數(shù)值。如圖2所示，用戶可以在前臺界面設(shè)計控制的參數(shù)，嘗試輸入各類型控制參數(shù)，從而得到不同的控制結(jié)果仿真。

圖2 數(shù)據(jù)傳遞原理圖

2.3 實驗?zāi)Ｐ臀募拇罱?/h3>

依據(jù)系統(tǒng)平臺建立的空調(diào)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)模型，利用Maltab仿真軟件依次建立各實驗的模型文件。不同的實驗項目需要的實驗?zāi)Ｐ筒煌?，在此以單回路PID 控制和串級控制回路說明實驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建。

（1）空調(diào)自動控制系統(tǒng)——單回路，如圖3所示；

圖3 單回路PID 控制Simulink 模型圖

（2）空調(diào)自動控制系統(tǒng)——串級控制，如圖4所示。

圖4 串級控制系統(tǒng)圖

2.4 基于B/S 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)

隨著互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)的發(fā)展，B/S 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的虛擬實驗系統(tǒng)，得到了快速的構(gòu)建，其結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。其最大的優(yōu)點是使用人員不需要安裝任何客戶端APP，只需要一臺可以連接Internet 的計算機即可使用。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過WWW 瀏覽器來實現(xiàn)，減少了客戶端的系統(tǒng)載荷，有利于系統(tǒng)的維護與升級。

圖5 基于B/S 結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗的結(jié)構(gòu)

3 仿真實驗的實施及效果

3.1 仿真實驗實施步驟

傳統(tǒng)中央空調(diào)教學實驗是利用智能建筑實驗室內(nèi)的空調(diào)機組，學員分組對空調(diào)的啟動、制冷等環(huán)節(jié)進行操作，實現(xiàn)在工況情況下對機組的控制，利用傳感器獲得房間溫濕度的變化曲線圖。實體實驗的主要目的是讓學生對空調(diào)系統(tǒng)的組成產(chǎn)生感觀認知，掌握空調(diào)各組成部分，為虛擬實驗中各數(shù)學模型的參數(shù)整定提供基礎(chǔ)知識。

3.1.2 實驗預(yù)習

實驗預(yù)習是學員根據(jù)課程理論的知識，基本掌握實驗基礎(chǔ)參數(shù)，學員可根據(jù)自我認知對被控參數(shù)進行假定。預(yù)習環(huán)節(jié)可讓學員更加明確實驗?zāi)康?，對虛擬平臺的各組成部分和應(yīng)用技巧進行熟悉，進而掌握正確的實驗方法。

3.1.3 虛擬實驗過程

學員通過實體實驗觀摩和預(yù)習環(huán)節(jié)后，已基本掌握空調(diào)自控系統(tǒng)的組成，進入虛擬實驗后，可按照實驗指導(dǎo)書要求對模型數(shù)據(jù)修改，完成設(shè)計內(nèi)容要求，產(chǎn)生實驗結(jié)果。

3.1.4 實驗分析和總結(jié)

實驗結(jié)果分析，是對學員正確操作實驗的檢驗?？照{(diào)自控系統(tǒng)虛擬仿真實驗可實現(xiàn)各設(shè)計參數(shù)的輸入，學員可掌握空調(diào)系統(tǒng)運行中各環(huán)節(jié)的模擬數(shù)據(jù)，在工況條件下，設(shè)計人輸入設(shè)計數(shù)值，獲得該數(shù)值對房間溫濕度的影響，更加深刻理解參數(shù)設(shè)定在工程設(shè)計中的作用，能夠判定系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的合理性，給出最優(yōu)的設(shè)計方案。

實驗報告的生成和實驗過程的梳理總結(jié)，如圖6所示。

圖6 實驗報告系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 實驗效果

空調(diào)虛擬實驗平臺的使用與實體實驗教學的對比，虛擬仿真實驗可實現(xiàn)對空調(diào)控制理論的認知、理解和空調(diào)控制器設(shè)計，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）提高空調(diào)自動控制規(guī)律的理解；

（2）強化不同設(shè)計方案的結(jié)果對比；

（3）提高教學效率；

（4）提高學習主動性；

（5）擴大實驗教學的外延。

除上述之外，空調(diào)自控系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺的研發(fā)的最大優(yōu)點是讓學員不受時間、地點的限制完成空調(diào)自動控制實驗課程的學習，利用此平臺完成對空調(diào)自控理論知識進行復(fù)習和鞏固。

4 結(jié) 論

空調(diào)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)復(fù)雜，理論建模無法準確描述其動態(tài)參數(shù)，這是空調(diào)系統(tǒng)的研究難點，但是作為空調(diào)系統(tǒng)的仿真教學研究，不必過分追求模型參數(shù)的準確性，只要保證控制規(guī)律準確可以達到實驗教學的目的。

空調(diào)自控系統(tǒng)虛擬實驗平臺的成功研發(fā)是虛擬仿真技術(shù)在樓宇自動化系統(tǒng)中的創(chuàng)新嘗試，其驗證了用戶可以在平臺下獲得實際教學的實驗效果，然后在虛擬實驗平臺的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于Internet 的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗，實現(xiàn)省重點實驗室內(nèi)的資源共享，提升學員實驗教學效率，完善高等院校及網(wǎng)絡(luò)教學的空調(diào)自動控制實驗教學體系。