MATLAB/SIMULINK 軟件在實際熱力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

王眾彪 廖曙光 陳飛虎

1.中國信息通信研究院；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院

熱力學(xué)系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）必須是由大量微觀粒子組成的宏觀物體，可以對其發(fā)生影響（能量交換與物質(zhì)交換）的外部環(huán)境稱為外界。熱力系統(tǒng)是一個涉及各項參數(shù)較多的系統(tǒng)，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種仿真軟件被引入暖通空調(diào)的設(shè)計和性能分析。本文概述了MATLAB/SIMULINK 軟件的發(fā)展過程及應(yīng)用場所。借助MATLAB強大的矩陣計算功能和工具箱進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)仿真可以反映實時的運行狀態(tài)。應(yīng)用SIMULINK 仿真軟件包自帶的子系統(tǒng)功能，可以建立和調(diào)用工質(zhì)等的物性數(shù)據(jù)庫等，并利用其可視化用戶圖形界面（GUI）進(jìn)行參數(shù)輸入及狀態(tài)監(jiān)控等。目前已成為實際熱力系統(tǒng)輔助設(shè)計和性能分析的重要工具。最后指出了軟件的優(yōu)缺點和未來應(yīng)用的方向。

隨著計算機(jī)技術(shù)的快熟發(fā)展，其仿真的手段在廣泛的應(yīng)用于暖通空調(diào)等熱力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計過程中。傳統(tǒng)的多應(yīng)用專業(yè)的軟件，如TRANSYS/Dest/Energyplus 等軟件和模塊。HVACSIM+最突出的特點是，由于采用了先進(jìn)的變次序/變步長積分法，其運算過程中可以同時求解非線性偏微分方程和非線性代數(shù)方程，并且程序允許不同的超級塊在模擬過程中使用不同的時間步長。所以在大型建筑物的動態(tài)模擬中，可以設(shè)置某個暖通空調(diào)系統(tǒng)按秒來模擬，而同時設(shè)置某一系統(tǒng)分區(qū)以分鐘來模擬，設(shè)置整個建筑物按15min 或1h 來模擬。而TRNSYS 是一個模塊化結(jié)構(gòu)的瞬時系統(tǒng)模擬程序，它可以對多區(qū)域建筑及其設(shè)備和熱系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)模擬，同時內(nèi)置了200 多個功能性子程序，如水源熱泵、風(fēng)冷熱泵等常見的空氣處理設(shè)備，使用十分方便。其最大優(yōu)點是允許用戶根據(jù)各自的需要修改或編寫新的模型并添加到程序庫中去。它不僅能夠?qū)照{(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬和優(yōu)化，還可以進(jìn)行建筑物的能耗分析和建筑熱性能研究，但是沒有為建筑和HAVC 系統(tǒng)設(shè)定合理的缺省值，用戶必須逐項輸入兩者較為詳細(xì)的信息。CYCLEPAD 仿真軟件的特點是基于熱力學(xué)的理論循環(huán)模擬，基本不涉及實際設(shè)備的具體特點，因此是作為理論循環(huán)的比較好的工具，而且使用比較簡單，入手難度較低。但是CYCLEPAD 只是一個工程熱力學(xué)的仿真軟件，并非專用的制冷系統(tǒng)仿真軟件，因此在很多方面并不能很好的適用。MATLAB 最重要的特點是易于擴(kuò)展，允許用戶自行建立指定功能的M 文件。對于一個從事特定領(lǐng)域的工程師來說，不僅可利用MATLAB 所提供的函數(shù)及基本工具箱函數(shù)，還可方便地構(gòu)造出專用函數(shù)，從而大大擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。MATLAB 不需要用戶有高深的數(shù)學(xué)知識和程序設(shè)計能力，也不需要用戶深刻了解算法及編程技巧，其語句功能十分強大，一條語句可完成十分復(fù)雜的任務(wù)，大大加快了工程技術(shù)人員從事軟件開發(fā)的效率，已成為應(yīng)用于線性代數(shù)、自動控制理論等高級課程的基本教學(xué)工具。暖通空調(diào)的系統(tǒng)模擬主要用到其中的SIMULINK 組件，它提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口，用戶根據(jù)數(shù)學(xué)模型選擇不同模型方塊圖來搭建完整的仿真模型。SIMULINK 是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB 的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。而MATLAB 可用來求解各類學(xué)科的問題，包括信號處理、圖象處理，MATLAB 中包括了圖形界面編輯GUI[1]，其中SIMULINK 為MATLAB 軟件中的一個控制軟件包[2]。MATLAB/SIMULINK 軟件已應(yīng)用于幾乎所有的領(lǐng)域，并同時被應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)等實際熱力系統(tǒng)的分析與設(shè)計。下面將對其現(xiàn)狀進(jìn)行概述、歸納和展望。

1 將MATLAB/SIMULINK 軟件引入實際管網(wǎng)系統(tǒng)的性能分析

計算機(jī)控制系統(tǒng)是一門理論和實踐性都很強的課程。西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院通過實例說明在機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中應(yīng)用MATLAB/SIMULINK 軟件對于提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的綜合素質(zhì)是十分有益的。沈陽建筑大學(xué)利用控制仿真技術(shù)分別建立了4 個子系統(tǒng)模型和系統(tǒng)的仿真模型，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果設(shè)計的組合風(fēng)速模型與實際風(fēng)速變化特征相吻合，并得出結(jié)論：液壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)模型的建立為風(fēng)能在供暖方向的利用提供了新的方法。湖南大學(xué)應(yīng)用MATLAB/SIMULINK 軟件搭建了負(fù)壓下風(fēng)機(jī)選型的實驗平臺。通過回調(diào)函數(shù)的應(yīng)用，可以進(jìn)行用滑塊代表閥門開度等界面上進(jìn)行直接操作，主要用于學(xué)生的課程設(shè)計。該方法可以重復(fù)利用，達(dá)到實時更新，大大節(jié)省了搭建實際實驗平臺的費用。上海電機(jī)學(xué)院凱撒斯勞滕智能制造學(xué)院等基于MATLAB 圖形用戶界面（GUI），設(shè)計了具備交互功能的氣泡動力學(xué)數(shù)值計算與仿真軟件。可根據(jù)用戶自行設(shè)定的參數(shù)，使用差分方法對超聲驅(qū)動下單氣泡和雙氣泡的脈動和平移進(jìn)行數(shù)值計算，計算得到的半徑和位置隨時間變化的曲線將顯示在圖形界面（GUI）上，同時也會通過二維或三維動態(tài)圖實時展示氣泡脈動和平移的過程。該軟件界面操作簡單，能將計算結(jié)果直觀地展示給用戶，有利于增強學(xué)生對氣泡動力學(xué)的理解，對開展聲學(xué)開放式教學(xué)有積極的意義。

2 熱力系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化方面

軍械工程學(xué)院基于一維理論的火炮后坐運動仿真將液壓阻力系數(shù)取為常數(shù)，導(dǎo)致液壓阻力計算值與實際相差較大。針對該問題，提出基于MATLAB/Fluent 的協(xié)同仿真技術(shù)進(jìn)行后坐運動計算，彌補一維理論的不足。在建立符合實際結(jié)構(gòu)的制退機(jī)二維模型基礎(chǔ)上，利用MATLAB計算火炮運動參數(shù)，用Fluent 計算流體壓力參數(shù)，通過外部文件接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，達(dá)到準(zhǔn)確模擬火炮后坐動態(tài)過程的目的。以某型火炮為例進(jìn)行后坐仿真計算和射擊試驗驗證，結(jié)果證明該方法是可行和有效的[3]。安徽大學(xué)基于一個海軍防暈船訓(xùn)練裝置的設(shè)計研究為例，運用MATLAB/SIMULINK 軟件，對存在阻尼的非小幅擺動系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，得到了角位移，角速度隨時間變化曲線，定量研究了振幅衰減關(guān)系。上海電力學(xué)院等對于GUI 和SIMULINK 聯(lián)合編程問題，介紹了一種通過MATLAB 的GUI 模塊建立的人機(jī)交互圖形界面來實時控制SIMULINK 的參數(shù)并運行的方法。根據(jù)工程實際中的變壓器熱點溫度分析模型，介紹了相應(yīng)的溫度計算仿真，并且將GUI 和SIMULINK 組合模塊轉(zhuǎn)換成EXE 可執(zhí)行文件。南京林業(yè)大學(xué)利用MATLAB 提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具SIMULINK 對漿水平衡進(jìn)行仿真，減輕了計算復(fù)雜度，并可方便的進(jìn)行檢驗，同時可更改工藝流程，具有較強的通用性、靈活性和方便的擴(kuò)充性。青島大學(xué)對制冷量的太陽能單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用平臺進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，單效機(jī)組在某典型周內(nèi)的系統(tǒng)性能符合實際。蘭州理工大學(xué)提出了元胞自動機(jī)模擬熱交換器熱動態(tài)響應(yīng)過程的計算方法，在計算時間方面顯著優(yōu)于CFD 方法，可以作為在MATLAB/SIMULINK 虛擬系統(tǒng)上進(jìn)一步研究實現(xiàn)參數(shù)預(yù)調(diào)動態(tài)控制仿真分析的基礎(chǔ)。遼寧省大連水文局基于MATLAB 軟件對大連地區(qū)獨流入海的季節(jié)性河流污染物擴(kuò)散進(jìn)行模擬，并以揮發(fā)酚為例進(jìn)行了水污染動態(tài)時空可視化展示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：污染團(tuán)在降解過程中隨著水流向下游漂移，污染范圍有所增加，但濃度也在不斷降低，并且汛期污染物濃度降低與擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)大于非汛期。對污染源下游1000m 處應(yīng)急入連取水口處污染物變化情況進(jìn)行模擬。研究發(fā)現(xiàn)：該處污染物濃度變化為先增加后減少，并存在最大峰值，由此得到此處污染物預(yù)警的開始與解除時間。該研究能夠為山地丘陵地區(qū)季節(jié)性河流發(fā)生的水污染事故水質(zhì)安全預(yù)警預(yù)報提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，促進(jìn)水生態(tài)友好和行業(yè)科技的進(jìn)步。

3 在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 基于經(jīng)典熱力學(xué)的系統(tǒng)仿真

浙江樹人大學(xué)為了提高空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計效率和精度，在空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)計計算，濕空氣參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，空調(diào)全年運行工況轉(zhuǎn)換等的研究。西安建筑科技大學(xué)搭建了多功能熱泵的利用仿真軟件，搭建了夏季制冷兼熱回收模式下的仿真模型。可為系統(tǒng)優(yōu)化提供理論支持。東華大學(xué)根據(jù)動力型分離式熱管換熱器內(nèi)工質(zhì)的流動特性和換熱特點，利用MATLAB 編制了動力型分離式熱管換熱器的模型，包括蒸發(fā)段進(jìn)行新風(fēng)預(yù)冷，冷凝段提供送風(fēng)再熱量的運行狀態(tài)，計算了蒸發(fā)段不同進(jìn)風(fēng)溫度及風(fēng)量對動力型分離式熱管性能的影響。上海理工大學(xué)建立了3 種不同形式的光伏組件安裝方式的一維非穩(wěn)態(tài)理論模型。通過MATLAB 建模仿真，比較了在不同布置方式下，光伏組件對車頂傳熱量的影響，使用與普通車頂比對的方法，分析了光伏車頂?shù)南募菊陉柵c冬季保溫效果。

3.2 在暖通行業(yè)的動態(tài)仿真

沈陽化工學(xué)院建立了空調(diào)房間的仿真模型。該模型能夠充分反映實際變風(fēng)量空調(diào)房間的特性。湖南三力公司應(yīng)用MATLAB/SIMULINK 仿真軟件建立了卷接設(shè)備工藝風(fēng)力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，對系統(tǒng)的不同開機(jī)臺數(shù)及故障情況下系統(tǒng)穩(wěn)定運行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，包括風(fēng)量參數(shù)等的分析和預(yù)判，達(dá)到實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)運行等的目的。

3.3 在暖通空調(diào)領(lǐng)域的逐時仿真

本課題組應(yīng)用逐時仿真方法解決了復(fù)合冷凝空調(diào)系統(tǒng)在應(yīng)用中仍有一些有待解決的問題。這些問題包括:由于增加了熱回收裝置，系統(tǒng)運行參數(shù)發(fā)生改變，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低或不能平穩(wěn)運行;冷熱源設(shè)備匹配不合理，整體優(yōu)化差而造成能量浪費;衛(wèi)生熱水裝置與冷凝器聯(lián)合工作的運行參數(shù)選擇有盲目性。應(yīng)用SIMULINK 仿真軟件搭建了離心式冷水機(jī)組復(fù)合冷凝過程的仿真模型，并用實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證，得出了系統(tǒng)運行參數(shù)與時間的關(guān)系，然后利用該仿真模型求得系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)。應(yīng)用逐時仿真方法，針對數(shù)據(jù)中心熱管冷卻系統(tǒng)的蒸發(fā)器、冷量分配單元（CDU）及冷源部分建立了部件及系統(tǒng)的逐時仿真模型，提出了冷水流量等參數(shù)優(yōu)化的方法，并給出了計算示例[4]。

4 在暖通空調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

天津大學(xué)運用經(jīng)典控制理論的時域分析法、根軌跡法對暖通空調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能、PID參數(shù)的整定進(jìn)行了仿真分析。通過房間溫度控制的實驗表明利用MATLAB/SIMULINK 進(jìn)行暖通空調(diào)控制系統(tǒng)分析設(shè)計是簡捷、快速而有效的[5,6]。PID 控制是自動化經(jīng)典的控制理論，杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院以蒸發(fā)器的調(diào)壓系統(tǒng)為研究對象，通過工程經(jīng)驗和系統(tǒng)辨識PID 參數(shù)整定方法，應(yīng)用MATLAB 軟件設(shè)計了系統(tǒng)的PID 控制系統(tǒng)，經(jīng)仿真，該系統(tǒng)達(dá)到了控制要求。

5 在熱力系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)設(shè)計方面的應(yīng)用

西安陜鼓動力股份有限公司等通過分析奶站熱泵系統(tǒng)各部分以及熱泵機(jī)組各部件的內(nèi)在關(guān)系，以MATLAB/SIMULINK 的模擬結(jié)果得知該系統(tǒng)能在規(guī)定的時間內(nèi)將牛奶的溫度從35℃降到保鮮所要求的溫度，并能將一定量的水從18℃加熱到53℃[7]。MATLAB 軟件自帶的M 語言可以直接調(diào)用已有的計算程序包，以及用戶可以自定義二次開發(fā)程序。麥融高科公司應(yīng)用MATLAB 軟件的M語言，編制了毛細(xì)管長度的計算程序。結(jié)果表明，該方法簡便，精度可靠。

6 軟件的二次開發(fā)平臺方面

吉林大學(xué)結(jié)合Fluent 與SIMULINK 軟件的各自功能,為了更準(zhǔn)確地模擬地下水源熱泵運行周期內(nèi)各性能參數(shù)的變化,建立了Fluent/SIMULINK 的熱泵系統(tǒng)協(xié)同仿真平臺。研究表明:地下水橫流對于削弱熱泵熱交互,提高機(jī)組的COP 值起到積極作用[8-10]。

7 結(jié)語

MATLAB/SIMULINK 仿真軟件是國際上最通用和最強大的軟件，在幾乎所有的領(lǐng)域都有應(yīng)用，但在熱力系統(tǒng)應(yīng)用的文獻(xiàn)相對較少。由于其仿真平臺的經(jīng)濟(jì)型等原因可以大力推廣，具體應(yīng)用方面如下：（1）可以依托仿真的平臺，為研究生做仿真課題建模及本科生做畢業(yè)設(shè)計論文；（2）通過開放擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫的模式，建立仿真模塊，并修正其物性等參數(shù)，方便用戶調(diào)用；（3）可以預(yù)計，今后的發(fā)展是將傳統(tǒng)的熱力學(xué)理論與軟件結(jié)合，建立符合實際過程的模型，并優(yōu)化其性能。