VAVBOX半实物仿真控制实验装置开发

闫秀英， 颜菲菲， 韩宏权

(西安建筑科技大学 信息与控制工程学院， 陕西 西安 710055)

变风量(variable air volume，VAV)空调系统作为一种典型空调形式，在相关教学与科研领域格外重要[1-3]。变风量空调系统的关键在于控制系统的调试。由于变风量空调系统的风道和水路分布随工程不同而有很大差异，所以一般没有通用控制软件，而需要自控技术人员根据工程项目重新开发、调试，难度较大。变风量末端(VAVBOX)是变风量空调系统的关键设备，如何使系统正常运行，甚至将负荷预测、智能控制等先进控制算法应用于实际工程中，既满足人体舒适度，又实现系统节能，成为近年来国内外学者研究的热点问题[4-5]，也是智慧建筑的技术需求。变风量空调系统涉及暖通、控制、计算机等众多领域，在教学和科研中均需结合具体工艺对象。但是，VAVBOX研究平台投资高，占地大，厂家的封装产品不利于(甚至无法)对VAVBOX内部结构、参数特性与控制过程进行观察与研究，故亟需开发方便教学、能反映真实系统特性的VAVBOX实验装置。

变风量空调系统建模的难度较大，有的系统还无法建立精确的数学模型，这非常不利于学生对实物内部结构的认识[6-7]；而实物系统不但占地大、造价高、不易模拟极限工况，而且实验受到系统运行、季节、环境等多种因素制约。半实物仿真系统可以综合以上两种方法的优点[8-10]，既可以使实验者在系统的实体部分进行硬件实践，也可在虚拟仿真部分根据需求设定系统模型、环境等条件因素，开设设计型、综合型实验，更好地解决系统设计与调试问题。

本文结合PLC、LabVIEW、Matlab等常用工程与科研软件，在传感检测、执行控制的实物装置的基础上，开发了VAVBOX半实物仿真控制实验装置，该装置具有在线数据采集、存储、控制功能，可进行控制算法的研究。

1 VAVBOX半实物仿真控制装置方案设计

开发的VAVBOX半实物仿真控制装置将末端实物与控制系统模型有机融合，构建了虚实结合的VAVBOX监控系统[11-12]。该装置具有以下特点:

(1) 实物部分可供学生动手操作，提高学生实践技能；

(2) 仿真部分植入了系统特性模型，可以多人同时进行系统上位机监控系统实验；

(3) 可验证控制器的设计性能，可调整控制策略；

(4) 具有通用性、可扩展性和灵活性，可根据功能需求灵活增减和修改软硬件模块，训练学生的综合实践能力。

VAVBOX半实物仿真控制装置总体结构如图1所示。温度传感器和风速传感器分别采集空调房间的温度和VAVBOX送往受控房间的风量，通过PLC将数据传递给上位机。采用LabVIEW建立系统监控平台，此平台嵌入Matlab脚本，根据实验需要编写控制程序，根据监控平台内嵌的系统模型进行运算，实时控制风阀开度，调整送入房间的风量，进而调整房间温度。此平台可对变风量空调末端系统进行经典PID控制实验，也可进行高级控制算法研究。

图1 总体结构框图

2 硬件设计

VAVBOX半实物仿真控制装置的硬件平台主要由PLC、温度传感器、风速传感器、风阀执行器、电源等组成(见图2)。电源通过空气开关与PLC、开关电源和变压器连接。220 V交流电经过变压器降为24 V交流电给风阀执行器供电；开关电源将220 V交流电转换为24 V直流电为温度变送器和风速传感器供电。PLC采用西门子cpu224xp，风速传感器采用西门子QVM62.1，温度传感器通过三线制接法与温度变送器连接，再与PLC连接。

图2 控制装置硬件结构图

风阀一般设置在VAVBOX内送风管道上，风速传感器置于风阀前端VAVBOX入口管道上，用于测量和计算进入房间的风量；温度传感器设置在房间内。为了节省成本和易于管理，本实验装置将这些硬件全部合理安装在一个实验箱内，在实验过程中将风速传感器和温度传感器从实验箱取出放到符合上述条件的工位进行实验。

3 软件设计

为了实现平台的研究功能，使其不仅能进行演示、验证类实验，还能进行控制算法研究等综合设计、研究性实验，采用LabVIEW开发了半实物仿真系统的监控界面，如图3所示。监控界面可以实时显示末端房间的温度、温度设定值、风量设定值、风阀开度及相应参量的波形图，可以根据实验人员的需要调整温度设定值、设定采样时间、控制器参数等。通过控制系统可在实时控制阀门开度的同时观察各参数的变化，了解控制效果。

在软件设计过程中，控制部分可根据不同要求进行调整。在LabVIEW程序中可引入各控制优化算法的Matlab脚本程序，也可通过LabVIEW编程语言进行控制程序编写。在系统运行过程中，通过风机模拟空调送风，系统信息经检测元件和PLC传给上位机，经STEP 7软件将采集的温度、风量信号和输出控制信号进行标度变换，之后采用PC Access软件将相关变量与LabVIEW控件进行数据绑定、将数据与监控系统链接，即可进行实验研究，完成半实物仿真实验。

半实物仿真实验数据可以导出，以进行深度对比研究。图4为实验分别采用单神经元自适应PID控制和基于单纯形法的增量式PID控制的对比图。通过数据图表等不同方式深入分析各控制方法对系统控制效果的影响，进行量化分析。

图3 监控界面

图4 房间温度实验对比图

4 结语

VAVBOX半实物仿真控制装置将实物与模型有机融合，是一个虚实结合的实验装置。此装置可实现数据采集、存储、控制程序编写，并可观测、研究VAVBOX系统在模型与实体作用下各参数随控制作用变化的动态过程，既可进行传统PID控制实验，也可进行高级控制算法研究，强化学生对相关理论知识的理解和综合运用，提高学生的综合素质，并且利于培养学生的科研兴趣。

References)

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