黃廣國，朱海青，晉廣慶

（山東大衛(wèi)國際建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引 言

當(dāng)前的科學(xué)研究和教育領(lǐng)域中，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)正在被各高等院校重視。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有信息量大、模擬計(jì)算能力強(qiáng)、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(yùn)行環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)變量眾多、關(guān)聯(lián)復(fù)雜、非線性和隨機(jī)性強(qiáng)、氣象環(huán)境多變的復(fù)雜系統(tǒng)，如何能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展各類控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握空調(diào)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)、運(yùn)行規(guī)律是現(xiàn)實(shí)教學(xué)的難點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以智能建筑實(shí)驗(yàn)室中的中央空調(diào)主機(jī)為原型，利用組態(tài)軟件做后臺(tái)，虛擬仿真軟件做計(jì)算樞紐，Web 網(wǎng)頁技術(shù)做客戶端，通過軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的模式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)模型

空調(diào)房間數(shù)學(xué)模型的建立是分析自動(dòng)控制效果的關(guān)鍵，本平臺(tái)在模型建立過程中對(duì)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(dòng)輸入；

（4）忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量。

如圖1所示，就是經(jīng)過簡(jiǎn)化后的空調(diào)房間模型

圖1 空調(diào)房間模型

圖中：由送風(fēng)帶入室內(nèi)的熱量（W），=；為送風(fēng)量（m/s）；為空氣的比熱（J/kg · ℃）；為房間的容量系數(shù)；t為送風(fēng)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(xué)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(jī)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(jìn)行熱交換，達(dá)到房間內(nèi)室溫降低的目的。當(dāng)冷凍水運(yùn)載的冷量與空調(diào)房間的熱釋放量相同時(shí)，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(gè)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(xué)定律，對(duì)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(shí)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(xué)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(fēng)溫度（℃）；電加熱器的入口溫度（℃）；f風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量（m/s）；q電加熱器的功率（W）；電加熱器的效率。

在計(jì)算加熱器熱惰性的因素下，加熱器的延遲時(shí)間可給予忽略，加熱器送風(fēng)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(shí)間常數(shù)（s），通常在5 s 左右。

1.4 溫度傳感器的數(shù)學(xué)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(cè)室內(nèi)溫度、防過熱過冷保護(hù)、控制空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行。在空調(diào)自動(dòng)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(diǎn)是熱慣性較小，能夠快速地接近冷熱媒的實(shí)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(xué)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(duì)方程進(jìn)行拉普拉斯變換，可得溫度傳感器的數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)為：

1.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

執(zhí)行機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)執(zhí)行器控制冷熱媒的流量，利用電動(dòng)風(fēng)閥的打開角度調(diào)節(jié)空氣的流通量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)房間內(nèi)溫度和濕度的目的。

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(xué)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型

在建立的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)象模型基礎(chǔ)上，平臺(tái)以省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——山東建筑大學(xué)智能建筑實(shí)驗(yàn)室的中央空調(diào)為參照被控對(duì)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(xué)智能建筑實(shí)驗(yàn)室的房間為模型，房間面積120 m，長(zhǎng)15 m，寬8 m，高3 m，空調(diào)末端盤管送風(fēng)形式為側(cè)面，每天通風(fēng)換氣次數(shù)取12，可得=45 s，=0.30，=450 s。由此經(jīng)過機(jī)理法建模，經(jīng)過計(jì)算以及查閱相關(guān)的參考文獻(xiàn)，確定房間的傳遞函數(shù)為：

（2）表冷器模型。利用智能建筑實(shí)驗(yàn)中全空氣空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(jì)

在空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的教學(xué)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(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)、深度學(xué)習(xí)算法控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)重點(diǎn)對(duì)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(jìn)行控制的方式，稱為PID 控制。PID 控制器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)，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(biāo)準(zhǔn)差表示計(jì)量資料并行t檢驗(yàn)，用%表示計(jì)數(shù)資料并行x2檢驗(yàn)，所有數(shù)據(jù)皆經(jīng)SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理。

PID 控制需要根據(jù)被控對(duì)象適當(dāng)?shù)卣ㄋ娜齻€(gè)參數(shù)，才能獲得比較滿意的控制效果。當(dāng)一個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)際安裝完成后，系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)以及被控對(duì)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(gè)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(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，由于實(shí)驗(yàn)界面和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪仟?dú)立的，控制器參數(shù)的改變必須通過PCAuto 接口來設(shè)計(jì)，所以控制器的設(shè)計(jì)要留下參數(shù)傳遞的接口。Matlab 空間是一個(gè)參數(shù)中轉(zhuǎn)的平臺(tái)，PCAuto 前臺(tái)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(shí)會(huì)自動(dòng)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(tái)界面設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ臀募拇罱?/h3>

依據(jù)系統(tǒng)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)的模型文件。不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒煌诖艘詥位芈稰ID 控制和串級(jí)控制回路說明實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建。

（1）空調(diào)自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)——串級(jí)控制，如圖4所示。

圖4 串級(jí)控制系統(tǒng)圖

2.4 基于B/S 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)是使用人員不需要安裝任何客戶端APP，只需要一臺(tái)可以連接Internet 的計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)，減少了客戶端的系統(tǒng)載荷，有利于系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)。

圖5 基于B/S 結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)

3 仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施及效果

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施步驟

傳統(tǒng)中央空調(diào)教學(xué)實(shí)驗(yàn)是利用智能建筑實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空調(diào)機(jī)組，學(xué)員分組對(duì)空調(diào)的啟動(dòng)、制冷等環(huán)節(jié)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)在工況情況下對(duì)機(jī)組的控制，利用傳感器獲得房間溫濕度的變化曲線圖。實(shí)體實(shí)驗(yàn)的主要目的是讓學(xué)生對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的組成產(chǎn)生感觀認(rèn)知，掌握空調(diào)各組成部分，為虛擬實(shí)驗(yàn)中各數(shù)學(xué)模型的參數(shù)整定提供基礎(chǔ)知識(shí)。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)是學(xué)員根據(jù)課程理論的知識(shí)，基本掌握實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)參數(shù)，學(xué)員可根據(jù)自我認(rèn)知對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行假定。預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)可讓學(xué)員更加明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?duì)虛擬平臺(tái)的各組成部分和應(yīng)用技巧進(jìn)行熟悉，進(jìn)而掌握正確的實(shí)驗(yàn)方法。

3.1.3 虛擬實(shí)驗(yàn)過程

學(xué)員通過實(shí)體實(shí)驗(yàn)觀摩和預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)后，已基本掌握空調(diào)自控系統(tǒng)的組成，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)后，可按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書要求對(duì)模型數(shù)據(jù)修改，完成設(shè)計(jì)內(nèi)容要求，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.1.4 實(shí)驗(yàn)分析和總結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，是對(duì)學(xué)員正確操作實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)?？照{(diào)自控系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入，學(xué)員可掌握空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中各環(huán)節(jié)的模擬數(shù)據(jù)，在工況條件下，設(shè)計(jì)人輸入設(shè)計(jì)數(shù)值，獲得該數(shù)值對(duì)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(jì)中的作用，能夠判定系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，給出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告的生成和實(shí)驗(yàn)過程的梳理總結(jié)，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)報(bào)告系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 實(shí)驗(yàn)效果

空調(diào)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用與實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的對(duì)比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)控制理論的認(rèn)知、理解和空調(diào)控制器設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）提高空調(diào)自動(dòng)控制規(guī)律的理解；

（2）強(qiáng)化不同設(shè)計(jì)方案的結(jié)果對(duì)比；

（3）提高教學(xué)效率；

（4）提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性；

（5）擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的外延。

除上述之外，空調(diào)自控系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)的最大優(yōu)點(diǎn)是讓學(xué)員不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制完成空調(diào)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，利用此平臺(tái)完成對(duì)空調(diào)自控理論知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固。

4 結(jié) 論

空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)復(fù)雜，理論建模無法準(zhǔn)確描述其動(dòng)態(tài)參數(shù)，這是空調(diào)系統(tǒng)的研究難點(diǎn)，但是作為空調(diào)系統(tǒng)的仿真教學(xué)研究，不必過分追求模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，只要保證控制規(guī)律準(zhǔn)確可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

空調(diào)自控系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成功研發(fā)是虛擬仿真技術(shù)在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的創(chuàng)新嘗試，其驗(yàn)證了用戶可以在平臺(tái)下獲得實(shí)際教學(xué)的實(shí)驗(yàn)效果，然后在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于Internet 的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的資源共享，提升學(xué)員實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，完善高等院校及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的空調(diào)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。