Simulink仿真軟件在建筑設(shè)備自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

1、 Simulink仿真軟件在建筑設(shè)備自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用 劉志斌 范偉摘 要 為提高學(xué)生對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)控制原理、控制實(shí)現(xiàn)方法和控制過程的理解，在“建筑設(shè)備自動(dòng)化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入仿真實(shí)驗(yàn)。以通斷控制器和PID控制器對(duì)水箱溫度的控制為例，介紹整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程。Key 建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程;建筑設(shè)備自動(dòng)化;實(shí)驗(yàn)教學(xué);仿真實(shí)驗(yàn);Simulink;恒溫水箱;通斷控制器;PID控制器：G642 ：B：1671-489X（2020）14-0040-04Application of Simulink Simulation Software in Building Auto-mation Experime

2、nt Teaching/LIU Zhibin， FAN WeiAbstract In order to improve students understanding and grasp oftheoretical 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

3、 theteaching 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;

4、building equipment automation; experiment teaching; simula-tion experiment; Simulink; thermostatic water tank; on-off controlle;PID controlle1 引言建筑設(shè)備自動(dòng)化課程是大連民族大學(xué)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(fēng)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(shí)現(xiàn)方法。通過本課程的教學(xué)，培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)和

5、集成建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的能力，掌握暖通空調(diào)系統(tǒng)建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的基礎(chǔ)知識(shí)，使學(xué)生初步具備從事建筑設(shè)備自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)管理的能力。本課程理論性強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容抽象，需要通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方法使學(xué)生加深對(duì)理論的理解并運(yùn)用到工程技術(shù)中去，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)教學(xué)過程中是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。建筑設(shè)備自動(dòng)化課程實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是機(jī)電結(jié)合、電為機(jī)用，與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，涉及自動(dòng)控制原理、建筑電氣和熱工學(xué)等方面的理論知識(shí)。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(duì)比關(guān)系，采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式已不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)代化發(fā)展的要求，迫切需要

6、新的教學(xué)方法和手段來提高教學(xué)質(zhì)量。大量的實(shí)踐證明1-8，采用Simulink仿真軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)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(duì)恒溫水箱的控制實(shí)驗(yàn)為例，介紹Simulink仿真軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。2 恒溫水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(xué)內(nèi)容的引入案例，更加利于學(xué)生的理解。整個(gè)實(shí)驗(yàn)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

7、）、傳感器（溫度傳感器）、控制器和被控對(duì)象（水箱）組成，控制的目標(biāo)是保證水箱的溫度恒定。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)自行設(shè)計(jì)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(jiǎn)化的假設(shè)條件，獲得的數(shù)學(xué)模型如表1所示。參考課堂理論教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)，由淺入深分別獲得不同假設(shè)條件下的時(shí)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(duì)被控對(duì)象進(jìn)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(duì)象的時(shí)間常數(shù)、執(zhí)行器的時(shí)間常數(shù)、

8、傳感器的時(shí)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(shí)間（Integral）、微分時(shí)間（Derivative）等。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。對(duì)于通斷控制器，學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體內(nèi)容包括：通斷控制器控制實(shí)驗(yàn)用水箱可以實(shí)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(shí)間和下降時(shí)間，設(shè)定溫度對(duì)通斷周期的影響;通斷周期與時(shí)間常數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)比分析不同假設(shè)條件下控制

9、反應(yīng)的慣性，并得到相應(yīng)的結(jié)論;通過改變加熱器時(shí)間常數(shù)，理解時(shí)間常數(shù)的物理意義;改變加熱器（執(zhí)行器）的功率，進(jìn)行控制效果的對(duì)比，明確為達(dá)到控制要求時(shí)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(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的影響等。通過PID控制器仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，理解比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、動(dòng)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(shí)間和微分時(shí)間的設(shè)定方法和調(diào)整步驟等。此外，通過方法的掌握，學(xué)生可以根據(jù)對(duì)響應(yīng)時(shí)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(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中引入Simulink仿真工具，可以生動(dòng)、形象、及時(shí)地將實(shí)驗(yàn)結(jié)

10、果在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中展示出來，便于分析和對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，具有較強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以減少實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備、耗材費(fèi)用，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。此外，學(xué)生掌握Simulink仿真工具后，可以自主開展靈活多樣的設(shè)計(jì)性、綜合性暖通空調(diào)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅加深對(duì)理論知識(shí)、專業(yè)知識(shí)的理解和掌握，更能夠激發(fā)創(chuàng)造力。Reference1李建海，皮之軍，張晨亮，等.Matlab/Simulink仿真技術(shù)在電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011（8）：79-82.2李慶華，潘豐，馮偉.工程教育專業(yè)認(rèn)證下的“自動(dòng)控制原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討J.教育教學(xué)論壇，2018（38）：276-278.3吳健珍，張莉萍，羅曉.基于MATLAB的自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)仿真分析J.機(jī)電教育創(chuàng)新，2019（15）：171，173.4李祥立，李蘆鈺，舒海文.建筑設(shè)備自動(dòng)化課程教學(xué)方法探討J.高等建筑教育，2015（4）：87-89.5李慧，王桂榮，魏建平.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)開設(shè)自動(dòng)化模塊課程的探索與實(shí)踐J.高等建筑教育，2016（6）：110-113.6馬東梅.Simulink仿真軟件在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（8）：34-35，38.7薛定宇，潘峰，陳大力.基于Matlab/S