樊立萍

【摘要】仿真技術(shù)是提高工程類課程教學(xué)效果的有效手段。本文針對(duì)環(huán)境工程專業(yè)特點(diǎn)，探討借助簡單案例實(shí)現(xiàn)環(huán)境工程仿真技術(shù)快速入門的教學(xué)方法，提高了環(huán)境科學(xué)與工程類專業(yè)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)課程的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】環(huán)境工程 仿真技術(shù) 案例

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）01-0231-02

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快及全球經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，工程教育正經(jīng)歷著不斷的挑戰(zhàn)。高等教育實(shí)施過程中，工程教育是建立在從實(shí)驗(yàn)室獲得的最低實(shí)踐量基礎(chǔ)上的。然而，伴隨著高技術(shù)設(shè)備的復(fù)雜性與快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)設(shè)備日趨高代價(jià)性與廣泛性，導(dǎo)致即使是完成工程教育最低實(shí)踐量所需的設(shè)備，也是一般院校無法負(fù)擔(dān)的。

仿真是一種可方便描述和分析系統(tǒng)行為的重要分析工具。仿真環(huán)境可以有效模擬實(shí)際工程場景，為工程教育學(xué)生提供虛擬工程訓(xùn)練平臺(tái)。仿真技術(shù)應(yīng)用于工程教育，在實(shí)驗(yàn)速度、實(shí)驗(yàn)成本等方面優(yōu)勢明顯，更為一些實(shí)驗(yàn)室無法實(shí)現(xiàn)的特殊工況的工程訓(xùn)練提供了方便。仿真技術(shù)已經(jīng)成為工程教育中實(shí)現(xiàn)工程訓(xùn)練的重要輔助手段。

環(huán)境工程仿真技術(shù)已經(jīng)被大多數(shù)院校設(shè)置為環(huán)境工程本科或研究生教學(xué)中的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。環(huán)境工程專業(yè)的學(xué)生一般在計(jì)算機(jī)編程方面的基礎(chǔ)較弱。大多數(shù)的仿真教材都是從枯燥的編程語言開始的，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生來講，往往是大多很難接受。

本文探討通過一個(gè)簡單案例——河流水質(zhì)S-P模型MATLAB的實(shí)現(xiàn)，快速掌握環(huán)境工程仿真技術(shù)，進(jìn)一步借助環(huán)境工程仿真技術(shù)，掌握環(huán)境過程機(jī)理，輔助環(huán)境過程實(shí)踐教學(xué)。

一、MATLAB仿真平臺(tái)下環(huán)境過程模擬的基本方法 MATLAB是目前工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的仿真軟件。應(yīng)用MATLAB對(duì)環(huán)境過程進(jìn)行仿真，主要步驟如下：

第一步：建立環(huán)境過程數(shù)學(xué)模型。環(huán)境過程數(shù)學(xué)模型一般是根據(jù)過程反應(yīng)機(jī)理建立起來的一個(gè)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(yùn)行與結(jié)果分析。

二、以實(shí)例說明仿真實(shí)現(xiàn)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(zhì)模型

河流水質(zhì)S-P數(shù)學(xué)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(shù)；Ka為河流復(fù)氧速度常數(shù)；t為河水的流行時(shí)間。

2.求解模型方程

根據(jù)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(diǎn)的BOD值；D0為河流起始點(diǎn)的氧虧值。

環(huán)境分析中有時(shí)也以氧垂曲線反應(yīng)過程變化情況。河流水質(zhì)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)以S-P模型模擬河流水質(zhì)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(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)實(shí)際河流的逼真模擬，并能夠直觀觀測河流水質(zhì)變化過程，這一m文件包括原始數(shù)據(jù)輸入、過程建模、模型求解、結(jié)果輸出等一系列命令系列。課堂教學(xué)過程中所建立的河流S-P模型的riverSP.m文件如下：

結(jié)合此文件，可以在MATLAB命令窗口下，邊建立文件，邊講解數(shù)據(jù)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(yùn)行此文件，可得到圖1所示運(yùn)行結(jié)果。對(duì)照?qǐng)D1，學(xué)生可清楚觀察到表征河流水質(zhì)的三個(gè)主要水質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢。這些曲線的變化趨勢與實(shí)踐河流水質(zhì)變化完全一致，一方面驗(yàn)證了仿真程序的正確性，另一方面，證明了仿真技術(shù)對(duì)于環(huán)境工程實(shí)踐應(yīng)用的可行性。

圖1 河流S-P模型m文件運(yùn)行結(jié)果

在MATLAB仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)環(huán)境。它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。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(tǒng)的仿真結(jié)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(dá)式連接所需器件，即可構(gòu)成完整仿真圖。

河流水質(zhì)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(yùn)行，可以從SIMULINK模擬示波器觀察到運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

圖3 SIMULINK仿真結(jié)果

三、總結(jié)

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(duì)同一對(duì)象的仿真效果是一致的。

實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐過程證明，通過以上簡單實(shí)例的分析講解與課堂操作，學(xué)生對(duì)MATLAB仿真技術(shù)可以有一個(gè)快速了解，對(duì)一些簡單的環(huán)境過程的仿真實(shí)現(xiàn)，也可以通過此例進(jìn)行舉一反三的練習(xí)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境工程仿真技術(shù)的快速入門。

參考文獻(xiàn)：

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