虚拟仿真实验在空调自控系统实验教学中的应用

黄广国，朱海青，晋广庆

（山东大卫国际建筑设计有限公司，山东 济南 250002）

0 引 言

当前的科学研究和教育领域中，网络虚拟实验室的建设正在被各高等院校重视。虚拟实验教学平台具有信息量大、模拟计算能力强、数据模型反应快等特征。建筑内中央空调节能运行环境系统是一个变量众多、关联复杂、非线性和随机性强、气象环境多变的复杂系统，如何能够在实验教学中开展各类控制教学实验，让学生掌握空调系统的控制设计、运行规律是现实教学的难点。本实验教学平台以智能建筑实验室中的中央空调主机为原型，利用组态软件做后台，虚拟仿真软件做计算枢纽，Web 网页技术做客户端，通过软件系统实时通信的模式，实现远程网络实验教学的目的。

1 空调工程虚拟仿真系统建设

1.1 空调房间数学模型

空调房间数学模型的建立是分析自动控制效果的关键，本平台在模型建立过程中对外界影响因素做以下规定：

（1）忽略空调房间内换气和外墙热辐射的影响；

（2）假设被控房间的温度均匀；

（3）将室外环境的变化作为被控系统的扰动输入；

（4）忽略围护结构的蓄热量。

如图1所示，就是经过简化后的空调房间模型

图1 空调房间模型

图中：由送风带入室内的热量（W），=；为送风量（m/s）；为空气的比热（J/kg · ℃）；为房间的容量系数；t为送风温度；t为室内的空气温度；为空气密度。

1.2 表冷器的数学模型

系统模型的构建过程中首先忽略表冷器器壁的热容、物性参数受温度影响的变化。由制冷机组制成的低温冷冻水，通过冷冻水循环泵，送至表冷器。冷冻水的冷量通过表冷器的翅片与房间内空气进行热交换，达到房间内室温降低的目的。当冷冻水运载的冷量与空调房间的热释放量相同时，空调房间内的温度稳定不变。通过分析表冷器的热交换过程，可确定其中串联为三个环节：

（1）由制冷剂（冷媒）到管壁内侧的热传递；

（2）由表冷器内侧金属到表冷器外侧金属的热传递；

（3）由表冷器金属外侧向房间内空气的热传递。

依据传热学定律，对房间内空气冷却过程，模型化后建立方程如下：

各参数定义为：，，为冷水定性温度、被控区空气定性温度、被控区外界温度；为表面冷却器的比热容（kJ/（kg · ℃））；为建筑物比热容（kJ/（kg · ℃））；为单位时间需要输入的总冷量；为表面冷却器与被控区的传热功率；为被控区与环境传热功率；、：表冷器、被控区的换热面积（m）；、为冷水质量、被控区空气质量（kg）。

1.3 加热器的数学模型

忽略加热器热惰性的前提下，可得能量平衡方程：

q=f·ρ·c·（-）/

式中：c为空气的比热（J/（kg·℃））；ρ为空气密度（kg/m）；电加热器的送风温度（℃）；电加热器的入口温度（℃）；f风机的送风量（m/s）；q电加热器的功率（W）；电加热器的效率。

在计算加热器热惰性的因素下，加热器的延迟时间可给予忽略，加热器送风温度和输入功率可通过用一阶惯性环节来表示：

式中：为电加热器加热过程中温度增益（℃/W）；T为加热过程的时间常数（s），通常在5 s 左右。

1.4 温度传感器的数学模型

温度传感器通常采用金属外壳，其作用于空调系统检测室内温度、防过热过冷保护、控制空调机组的运行。在空调自动控制系统中，温度传感器优先采用无套管型热电偶型，其优点是热惯性较小，能够快速地接近冷热媒的实际温度，有利于提高系统调节精度，避免控制系统产生波浪形震荡。

根据空气热力学原理，房间内空气与温度传感器之间的热量传递与传感器热量的变化相同，可得到温度传感器的能量传递平衡方程为：

对方程进行拉普拉斯变换，可得温度传感器的数学模型传递函数为：

1.5 执行机构的数学模型

执行机构是空调控制系统的重要组成部分，是空调系统实现自动控制的“手脚”，其直接决定空调控制系统的调节质量。一般利用电动执行器控制冷热媒的流量，利用电动风阀的打开角度调节空气的流通量，从而达到调节房间内温度和湿度的目的。

电动执行机构的流量特性大致分为线性、等百分比、快开和抛物线特性。本系统的数学建模选用在空调控制系统中普遍应用的线性流量特性。电动执行机构的数学模型总体传递函数可定义为基于线性分析的比例环节。

2 仿真实验设计

2.1 空调系统的仿真模型

在建立的空调系统对象模型基础上，平台以省级重点实验室——山东建筑大学智能建筑实验室的中央空调为参照被控对象，通过系统建模和系统分析可得空调模型如下：

（1）房间模型。利用山东建筑大学智能建筑实验室的房间为模型，房间面积120 m，长15 m，宽8 m，高3 m，空调末端盘管送风形式为侧面，每天通风换气次数取12，可得=45 s，=0.30，=450 s。由此经过机理法建模，经过计算以及查阅相关的参考文献，确定房间的传递函数为：

（2）表冷器模型。利用智能建筑实验中全空气空调实验台的表冷器为参照，假定工况为干工况下确定表冷器的模型传递函数为：

2.2 控制器的设计

在空调自动控制系统的教学中，PID 控制是最基本的控制，其控制原理是模糊控制器设计、神经网络控制器设计、深度学习算法控制器设计的基础，本系统重点对此阐述如下：

2.2.1 PID 控制器的基本原理

按偏差的比例、积分和微分线性组合进行控制的方式，称为PID 控制。PID 控制器由于其结构简单、调整方便、稳定性好、适应性强，可靠性高，在过程控制中得到广泛应用。

2.2.2 PID 控制器的参数整定

以结果P＜0.05定义为有显著性差异，用均数±标准差表示计量资料并行t检验，用%表示计数资料并行x2检验，所有数据皆经SPSS 19.0软件进行处理。

PID 控制需要根据被控对象适当地整定它的三个参数，才能获得比较满意的控制效果。当一个控制系统实际安装完成后，系统各个环节以及被控对象各通道的特性就不能再改变了，而唯一能改变的就是调节器的参数，即调节器的比例系数、积分系数和微分系数。通过改变这三个参数的大小就可以改变控制器的性能，获得较好的过渡过程和控制质量。调节器参数整定的目的就是按照已定的控制系统，求取控制系统质量最好的调节器参数。

2.2.3 控制器参数的传递

在本设计的虚拟实验平台中，由于实验界面和实验模型是独立的，控制器参数的改变必须通过PCAuto 接口来设计，所以控制器的设计要留下参数传递的接口。Matlab 空间是一个参数中转的平台，PCAuto 前台界面可以将设置好的控制器参数传递到Matlab 工作空间，然后控制器模型工作时会自动地从Matlab 空间中读取相应的参数值。如图2所示，用户可以在前台界面设计控制的参数，尝试输入各类型控制参数，从而得到不同的控制结果仿真。

图2 数据传递原理图

2.3 实验模型文件的搭建

依据系统平台建立的空调系统各环节模型，利用Maltab仿真软件依次建立各实验的模型文件。不同的实验项目需要的实验模型不同，在此以单回路PID 控制和串级控制回路说明实验模型的构建。

（1）空调自动控制系统——单回路，如图3所示；

图3 单回路PID 控制Simulink 模型图

（2）空调自动控制系统——串级控制，如图4所示。

图4 串级控制系统图

2.4 基于B/S 结构的网络虚拟实验系统

随着互联网云技术的发展，B/S 网络架构的虚拟实验系统，得到了快速的构建，其结构组成如图5所示。其最大的优点是使用人员不需要安装任何客户端APP，只需要一台可以连接Internet 的计算机即可使用。在这种结构下，用户工作界面是通过WWW 浏览器来实现，减少了客户端的系统载荷，有利于系统的维护与升级。

图5 基于B/S 结构网络虚拟实验的结构

3 仿真实验的实施及效果

3.1 仿真实验实施步骤

传统中央空调教学实验是利用智能建筑实验室内的空调机组，学员分组对空调的启动、制冷等环节进行操作，实现在工况情况下对机组的控制，利用传感器获得房间温湿度的变化曲线图。实体实验的主要目的是让学生对空调系统的组成产生感观认知，掌握空调各组成部分，为虚拟实验中各数学模型的参数整定提供基础知识。

3.1.2 实验预习

实验预习是学员根据课程理论的知识，基本掌握实验基础参数，学员可根据自我认知对被控参数进行假定。预习环节可让学员更加明确实验目的，对虚拟平台的各组成部分和应用技巧进行熟悉，进而掌握正确的实验方法。

3.1.3 虚拟实验过程

学员通过实体实验观摩和预习环节后，已基本掌握空调自控系统的组成，进入虚拟实验后，可按照实验指导书要求对模型数据修改，完成设计内容要求，产生实验结果。

3.1.4 实验分析和总结

实验结果分析，是对学员正确操作实验的检验。空调自控系统虚拟仿真实验可实现各设计参数的输入，学员可掌握空调系统运行中各环节的模拟数据，在工况条件下，设计人输入设计数值，获得该数值对房间温湿度的影响，更加深刻理解参数设定在工程设计中的作用，能够判定系统设计参数的合理性，给出最优的设计方案。

实验报告的生成和实验过程的梳理总结，如图6所示。

图6 实验报告系统结构图

3.2 实验效果

空调虚拟实验平台的使用与实体实验教学的对比，虚拟仿真实验可实现对空调控制理论的认知、理解和空调控制器设计，主要表现在以下几个方面：

（1）提高空调自动控制规律的理解；

（2）强化不同设计方案的结果对比；

（3）提高教学效率；

（4）提高学习主动性；

（5）扩大实验教学的外延。

除上述之外，空调自控系统虚拟仿真实验平台的研发的最大优点是让学员不受时间、地点的限制完成空调自动控制实验课程的学习，利用此平台完成对空调自控理论知识进行复习和巩固。

4 结 论

空调系统的各个环节复杂，理论建模无法准确描述其动态参数，这是空调系统的研究难点，但是作为空调系统的仿真教学研究，不必过分追求模型参数的准确性，只要保证控制规律准确可以达到实验教学的目的。

空调自控系统虚拟实验平台的成功研发是虚拟仿真技术在楼宇自动化系统中的创新尝试，其验证了用户可以在平台下获得实际教学的实验效果，然后在虚拟实验平台的基础上，构建了基于Internet 的网络虚拟实验，实现省重点实验室内的资源共享，提升学员实验教学效率，完善高等院校及网络教学的空调自动控制实验教学体系。