Simulink仿真軟件在建筑設備自動化實驗教學中的應用

劉志斌 范偉

摘? 要 為提高學生對暖通空調系統控制原理、控制實現方法和控制過程的理解，在“建筑設備自動化”實驗教學中引入仿真實驗。以通斷控制器和PID控制器對水箱溫度的控制為例，介紹整個實驗教學的過程。

關鍵詞 建筑環境與能源應用工程;建筑設備自動化;實驗教學;仿真實驗;Simulink;恒溫水箱;通斷控制器;PID控制器

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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

建筑設備自動化課程是大連民族大學建筑環境與能源應用工程專業的專業課之一。該課程主要講述的內容由理論基礎和工程應用兩部分構成：理論基礎主要包括控制器、執行器和傳感器的工作原理;工程應用主要包括采暖、空調和通風系統中所涉及的設備和系統控制調節原理、工程應用中的實現方法。通過本課程的教學，培養本專業學生分析、設計和集成建筑設備自動化系統的能力，掌握暖通空調系統建筑設備自動化系統的設計和運行管理的基礎知識，使學生初步具備從事建筑設備自動化工程設計、運行與維護管理的能力。本課程理論性強，教學內容抽象，需要通過理論與實驗相結合的教學方法使學生加深對理論的理解并運用到工程技術中去，因此，實驗教學在整個教學過程中是十分重要的一個環節。

建筑設備自動化課程實驗的特點是機電結合、電為機用，與工程應用緊密結合，涉及自動控制原理、建筑電氣和熱工學等方面的理論知識。為了體現出不同環境條件下、不同控制需求下、不同控制邏輯下、不同設備下得到的控制過程和結果的對比關系，采用傳統的實驗方式已不能滿足實驗教學現代化發展的要求，迫切需要新的教學方法和手段來提高教學質量。大量的實踐證明[1-8]，采用Simulink仿真軟件進行虛擬實驗教學是一個很好的辦法，已經取得很好的效果。本文以通斷控制器和PID控制器對恒溫水箱的控制實驗為例，介紹Simulink仿真軟件在實驗教學中的應用。

2 恒溫水箱控制系統實驗仿真

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。它是本專業室內溫度、濕度、潔凈度處于恒定狀態的一種直觀理解和類比模型，作為教學內容的引入案例，更加利于學生的理解。整個實驗過程涉及的內容包括仿真模型的建立、參數的設置、仿真結果的分析。

仿真模型的建立? 電加熱恒溫水箱的系統示意圖如圖1所示[9]。該恒溫水箱加熱系統由執行器（電加熱）、傳感器（溫度傳感器）、控制器和被控對象（水箱）組成，控制的目標是保證水箱的溫度恒定。

學生在進行實驗前，應自行設計水箱容量、水箱的材質、加熱器功率、溫度傳感器等。為構建其仿真模型，首先設定簡化的假設條件，獲得的數學模型如表1所示。參考課堂理論教學中的知識點，由淺入深分別獲得不同假設條件下的時域模型和復域模型，其模型如表1所示。

根據控制系統復域模型，在Simulink軟件中搭建仿真模型，分別利用通斷控制器和PID控制器對被控對象進行控制，控制系統仿真模型圖如圖2和圖3所示。

模型參數的設置? 模型參數的設置主要包括模塊參數和控制器參數的設置：模塊參數的設置包括被控對象的時間常數、執行器的時間常數、傳感器的時間常數、環境溫度、設定溫度等;控制器參數包括比例系數（Proportional）、積分時間（Integral）、微分時間（Derivative）等。學生在實驗前根據自定的物理模型，可以先行確定模塊參數，通過控制系統的要求，如精度、動態特性和穩態特性，確定控制器參數。

仿真結果分析? 通斷控制器和PID控制器的實驗仿真結果如圖4和圖5所示。對于通斷控制器，學生需要根據實驗結果與理論分析和計算結果進行對比，具體內容包括：通斷控制器控制實驗用水箱可以實現的溫度調節范圍;通斷周期及其影響因素，如上升時間和下降時間，設定溫度對通斷周期的影響;通斷周期與時間常數之間的關系。對比分析不同假設條件下控制反應的慣性，并得到相應的結論;通過改變加熱器時間常數，理解時間常數的物理意義;改變加熱器（執行器）的功率，進行控制效果的對比，明確為達到控制要求時需要調整的方向;通過控制系統回差的改變，理解回差對整個控制系統的影響等。

通過PID控制器仿真實驗結果，理解比例系數、積分時間和微分時間對系統穩定性、動態特性和穩態特性的影響，明確工程整定過程中比例系數、積分時間和微分時間的設定方法和調整步驟等。此外，通過方法的掌握，學生可以根據對響應時間、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。

3 結語

在建筑設備自動化實驗教學過程中引入Simulink仿真工具，可以生動、形象、及時地將實驗結果在實驗進行中展示出來，便于分析和對實驗進行調整，具有較強的實踐指導意義。仿真實驗與傳統實驗相結合，可以減少實物實驗設備、耗材費用，彌補傳統實驗的不足。此外，學生掌握Simulink仿真工具后，可以自主開展靈活多樣的設計性、綜合性暖通空調相關的實驗項目，不僅加深對理論知識、專業知識的理解和掌握，更能夠激發創造力。■

參考文獻

[1]李建海，皮之軍，張晨亮，等.Matlab/Simulink仿真技術在電機實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011（8）：

79-82.

[2]李慶華，潘豐，馮偉.工程教育專業認證下的“自動控制原理”課程實驗教學改革探討[J].教育教學論壇，

2018（38）：276-278.

[3]吳健珍，張莉萍，羅曉.基于MATLAB的自動控制理論實驗仿真分析[J].機電教育創新，2019（15）：171，173.

[4]李祥立，李蘆鈺，舒海文.建筑設備自動化課程教學方法探討[J].高等建筑教育，2015（4）：87-89.

[5]李慧，王桂榮，魏建平.建筑環境與能源應用工程專業開設自動化模塊課程的探索與實踐[J].高等建筑教育，

2016（6）：110-113.

[6]馬東梅.Simulink仿真軟件在自動控制原理教學中的應用[J].現代電子技術，2005（8）：34-35，38.

[7]薛定宇，潘峰，陳大力.基于Matlab/Simulink的系統仿真技術系列教材建設與教學改革[J].實驗室研究與探索，2013（11）：283-285，292.

[8]牛天林，樊波，張強，等.Matlab/Simulink仿真在電力電子技術教學中應用[J].實驗室研究與探索，2015（2）：

84-87.

[9]江億，姜子炎.建筑設備自動化[M].北京：中國建筑工業出版社，2007：10-22.