Simulink仿真软件在建筑设备自动化实验教学中的应用

2022.08.22

刘志斌范伟

摘? 要为提高学生对暖通空调系统控制原理、控制实现方法和控制过程的理解，在“建筑设备自动化”实验教学中引入仿真实验。以通断控制器和PID控制器对水箱温度的控制为例，介绍整个实验教学的过程。

关键词建筑环境与能源应用工程;建筑设备自动化;实验教学;仿真实验;Simulink;恒温水箱;通断控制器;PID控制器

中图分类号：G642? ? 文献标识码：B

文章编号：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

建筑设备自动化课程是大连民族大学建筑环境与能源应用工程专业的专业课之一。该课程主要讲述的内容由理论基础和工程应用两部分构成：理论基础主要包括控制器、执行器和传感器的工作原理;工程应用主要包括采暖、空调和通风系统中所涉及的设备和系统控制调节原理、工程应用中的实现方法。通过本课程的教学，培养本专业学生分析、设计和集成建筑设备自动化系统的能力，掌握暖通空调系统建筑设备自动化系统的设计和运行管理的基础知识，使学生初步具备从事建筑设备自动化工程设计、运行与维护管理的能力。本课程理论性强，教学内容抽象，需要通过理论与实验相结合的教学方法使学生加深对理论的理解并运用到工程技术中去，因此，实验教学在整个教学过程中是十分重要的一个环节。

建筑设备自动化课程实验的特点是机电结合、电为机用，与工程应用紧密结合，涉及自动控制原理、建筑电气和热工学等方面的理论知识。为了体现出不同环境条件下、不同控制需求下、不同控制逻辑下、不同设备下得到的控制过程和結果的对比关系，采用传统的实验方式已不能满足实验教学现代化发展的要求，迫切需要新的教学方法和手段来提高教学质量。大量的实践证明[1-8]，采用Simulink仿真软件进行虚拟实验教学是一个很好的办法，已经取得很好的效果。本文以通断控制器和PID控制器对恒温水箱的控制实验为例，介绍Simulink仿真软件在实验教学中的应用。

2 恒温水箱控制系统实验仿真

恒温水箱是指利用电加热的方式保持水箱的温度处于恒定状态。它是本专业室内温度、湿度、洁净度处于恒定状态的一种直观理解和类比模型，作为教学内容的引入案例，更加利于学生的理解。整个实验过程涉及的内容包括仿真模型的建立、参数的设置、仿真结果的分析。

仿真模型的建立? 电加热恒温水箱的系统示意图如图1所示[9]。该恒温水箱加热系统由执行器（电加热）、传感器（温度传感器）、控制器和被控对象（水箱）组成，控制的目标是保证水箱的温度恒定。

学生在进行实验前，应自行设计水箱容量、水箱的材质、加热器功率、温度传感器等。为构建其仿真模型，首先设定简化的假设条件，获得的数学模型如表1所示。参考课堂理论教学中的知识点，由浅入深分别获得不同假设条件下的时域模型和复域模型，其模型如表1所示。

根据控制系统复域模型，在Simulink软件中搭建仿真模型，分别利用通断控制器和PID控制器对被控对象进行控制，控制系统仿真模型图如图2和图3所示。

模型参数的设置? 模型参数的设置主要包括模块参数和控制器参数的设置：模块参数的设置包括被控对象的时间常数、执行器的时间常数、传感器的时间常数、环境温度、设定温度等;控制器参数包括比例系数（Proportional）、积分时间（Integral）、微分时间（Derivative）等。学生在实验前根据自定的物理模型，可以先行确定模块参数，通过控制系统的要求，如精度、动态特性和稳态特性，确定控制器参数。

仿真结果分析? 通断控制器和PID控制器的实验仿真结果如图4和图5所示。对于通断控制器，学生需要根据实验结果与理论分析和计算结果进行对比，具体内容包括：通断控制器控制实验用水箱可以实现的温度调节范围;通断周期及其影响因素，如上升时间和下降时间，设定温度对通断周期的影响;通断周期与时间常数之间的关系。对比分析不同假设条件下控制反应的惯性，并得到相应的结论;通过改变加热器时间常数，理解时间常数的物理意义;改变加热器（执行器）的功率，进行控制效果的对比，明确为达到控制要求时需要调整的方向;通过控制系统回差的改变，理解回差对整个控制系统的影响等。

通过PID控制器仿真实验结果，理解比例系数、积分时间和微分时间对系统稳定性、动态特性和稳态特性的影响，明确工程整定过程中比例系数、积分时间和微分时间的设定方法和调整步骤等。此外，通过方法的掌握，学生可以根据对响应时间、精度、静差等的具体要求，逐步找到控制恒温房间空气温度的PID参数。

3 结语

在建筑设备自动化实验教学过程中引入Simulink仿真工具，可以生动、形象、及时地将实验结果在实验进行中展示出来，便于分析和对实验进行调整，具有较强的实践指导意义。仿真实验与传统实验相结合，可以减少实物实验设备、耗材费用，弥补传统实验的不足。此外，学生掌握Simulink仿真工具后，可以自主开展灵活多样的设计性、综合性暖通空调相关的实验项目，不仅加深对理论知识、专业知识的理解和掌握，更能够激发创造力。■

参考文献

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