MATLAB/SIMULINK 软件在实际热力系统中的应用现状及展望

王众彪 廖曙光 陈飞虎

1.中国信息通信研究院；2.湖南大学土木工程学院

热力学系统（简称系统）必须是由大量微观粒子组成的宏观物体，可以对其发生影响（能量交换与物质交换）的外部环境称为外界。热力系统是一个涉及各项参数较多的系统，随着计算机技术的发展，各种仿真软件被引入暖通空调的设计和性能分析。本文概述了MATLAB/SIMULINK 软件的发展过程及应用场所。借助MATLAB强大的矩阵计算功能和工具箱进行动态系统仿真可以反映实时的运行状态。应用SIMULINK 仿真软件包自带的子系统功能，可以建立和调用工质等的物性数据库等，并利用其可视化用户图形界面（GUI）进行参数输入及状态监控等。目前已成为实际热力系统辅助设计和性能分析的重要工具。最后指出了软件的优缺点和未来应用的方向。

随着计算机技术的快熟发展，其仿真的手段在广泛的应用于暖通空调等热力学系统的设计过程中。传统的多应用专业的软件，如TRANSYS/Dest/Energyplus 等软件和模块。HVACSIM+最突出的特点是，由于采用了先进的变次序/变步长积分法，其运算过程中可以同时求解非线性偏微分方程和非线性代数方程，并且程序允许不同的超级块在模拟过程中使用不同的时间步长。所以在大型建筑物的动态模拟中，可以设置某个暖通空调系统按秒来模拟，而同时设置某一系统分区以分钟来模拟，设置整个建筑物按15min 或1h 来模拟。而TRNSYS 是一个模块化结构的瞬时系统模拟程序，它可以对多区域建筑及其设备和热系统进行详细模拟，同时内置了200 多个功能性子程序，如水源热泵、风冷热泵等常见的空气处理设备，使用十分方便。其最大优点是允许用户根据各自的需要修改或编写新的模型并添加到程序库中去。它不仅能够对空调系统进行模拟和优化，还可以进行建筑物的能耗分析和建筑热性能研究，但是没有为建筑和HAVC 系统设定合理的缺省值，用户必须逐项输入两者较为详细的信息。CYCLEPAD 仿真软件的特点是基于热力学的理论循环模拟，基本不涉及实际设备的具体特点，因此是作为理论循环的比较好的工具，而且使用比较简单，入手难度较低。但是CYCLEPAD 只是一个工程热力学的仿真软件，并非专用的制冷系统仿真软件，因此在很多方面并不能很好的适用。MATLAB 最重要的特点是易于扩展，允许用户自行建立指定功能的M 文件。对于一个从事特定领域的工程师来说，不仅可利用MATLAB 所提供的函数及基本工具箱函数，还可方便地构造出专用函数，从而大大扩展其应用范围。MATLAB 不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，也不需要用户深刻了解算法及编程技巧，其语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务，大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率，已成为应用于线性代数、自动控制理论等高级课程的基本教学工具。暖通空调的系统模拟主要用到其中的SIMULINK 组件，它提供了一个建立模型方块图的图形用户接口，用户根据数学模型选择不同模型方块图来搭建完整的仿真模型。SIMULINK 是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统及数字信号处理的建模和仿真中。而MATLAB 可用来求解各类学科的问题，包括信号处理、图象处理，MATLAB 中包括了图形界面编辑GUI[1]，其中SIMULINK 为MATLAB 软件中的一个控制软件包[2]。MATLAB/SIMULINK 软件已应用于几乎所有的领域，并同时被应用于暖通空调系统等实际热力系统的分析与设计。下面将对其现状进行概述、归纳和展望。

1 将MATLAB/SIMULINK 软件引入实际管网系统的性能分析

计算机控制系统是一门理论和实践性都很强的课程。西安工业大学机电工程学院通过实例说明在机械工程测试技术基础教学中应用MATLAB/SIMULINK 软件对于提高教学质量和学生的综合素质是十分有益的。沈阳建筑大学利用控制仿真技术分别建立了4 个子系统模型和系统的仿真模型，并对模拟结果进行分析，结果设计的组合风速模型与实际风速变化特征相吻合，并得出结论：液压式风力致热系统模型的建立为风能在供暖方向的利用提供了新的方法。湖南大学应用MATLAB/SIMULINK 软件搭建了负压下风机选型的实验平台。通过回调函数的应用，可以进行用滑块代表阀门开度等界面上进行直接操作，主要用于学生的课程设计。该方法可以重复利用，达到实时更新，大大节省了搭建实际实验平台的费用。上海电机学院凯撒斯劳滕智能制造学院等基于MATLAB 图形用户界面（GUI），设计了具备交互功能的气泡动力学数值计算与仿真软件。可根据用户自行设定的参数，使用差分方法对超声驱动下单气泡和双气泡的脉动和平移进行数值计算，计算得到的半径和位置随时间变化的曲线将显示在图形界面（GUI）上，同时也会通过二维或三维动态图实时展示气泡脉动和平移的过程。该软件界面操作简单，能将计算结果直观地展示给用户，有利于增强学生对气泡动力学的理解，对开展声学开放式教学有积极的意义。

2 热力系统的参数优化方面

军械工程学院基于一维理论的火炮后坐运动仿真将液压阻力系数取为常数，导致液压阻力计算值与实际相差较大。针对该问题，提出基于MATLAB/Fluent 的协同仿真技术进行后坐运动计算，弥补一维理论的不足。在建立符合实际结构的制退机二维模型基础上，利用MATLAB计算火炮运动参数，用Fluent 计算流体压力参数，通过外部文件接口实现数据交换，达到准确模拟火炮后坐动态过程的目的。以某型火炮为例进行后坐仿真计算和射击试验验证，结果证明该方法是可行和有效的[3]。安徽大学基于一个海军防晕船训练装置的设计研究为例，运用MATLAB/SIMULINK 软件，对存在阻尼的非小幅摆动系统进行系统仿真，得到了角位移，角速度随时间变化曲线，定量研究了振幅衰减关系。上海电力学院等对于GUI 和SIMULINK 联合编程问题，介绍了一种通过MATLAB 的GUI 模块建立的人机交互图形界面来实时控制SIMULINK 的参数并运行的方法。根据工程实际中的变压器热点温度分析模型，介绍了相应的温度计算仿真，并且将GUI 和SIMULINK 组合模块转换成EXE 可执行文件。南京林业大学利用MATLAB 提供的动态系统仿真工具SIMULINK 对浆水平衡进行仿真，减轻了计算复杂度，并可方便的进行检验，同时可更改工艺流程，具有较强的通用性、灵活性和方便的扩充性。青岛大学对制冷量的太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统应用平台进行模拟，结果表明，单效机组在某典型周内的系统性能符合实际。兰州理工大学提出了元胞自动机模拟热交换器热动态响应过程的计算方法，在计算时间方面显著优于CFD 方法，可以作为在MATLAB/SIMULINK 虚拟系统上进一步研究实现参数预调动态控制仿真分析的基础。辽宁省大连水文局基于MATLAB 软件对大连地区独流入海的季节性河流污染物扩散进行模拟，并以挥发酚为例进行了水污染动态时空可视化展示。结果发现：污染团在降解过程中随着水流向下游漂移，污染范围有所增加，但浓度也在不断降低，并且汛期污染物浓度降低与扩散范围远大于非汛期。对污染源下游1000m 处应急入连取水口处污染物变化情况进行模拟。研究发现：该处污染物浓度变化为先增加后减少，并存在最大峰值，由此得到此处污染物预警的开始与解除时间。该研究能够为山地丘陵地区季节性河流发生的水污染事故水质安全预警预报提供关键技术支撑，促进水生态友好和行业科技的进步。

3 在暖通空调领域的应用

3.1 基于经典热力学的系统仿真

浙江树人大学为了提高空调系统设计效率和精度，在空调系统中进行设计计算，湿空气参数神经网络模型，空调全年运行工况转换等的研究。西安建筑科技大学搭建了多功能热泵的利用仿真软件，搭建了夏季制冷兼热回收模式下的仿真模型。可为系统优化提供理论支持。东华大学根据动力型分离式热管换热器内工质的流动特性和换热特点，利用MATLAB 编制了动力型分离式热管换热器的模型，包括蒸发段进行新风预冷，冷凝段提供送风再热量的运行状态，计算了蒸发段不同进风温度及风量对动力型分离式热管性能的影响。上海理工大学建立了3 种不同形式的光伏组件安装方式的一维非稳态理论模型。通过MATLAB 建模仿真，比较了在不同布置方式下，光伏组件对车顶传热量的影响，使用与普通车顶比对的方法，分析了光伏车顶的夏季遮阳与冬季保温效果。

3.2 在暖通行业的动态仿真

沈阳化工学院建立了空调房间的仿真模型。该模型能够充分反映实际变风量空调房间的特性。湖南三力公司应用MATLAB/SIMULINK 仿真软件建立了卷接设备工艺风力系统动态仿真模型，对系统的不同开机台数及故障情况下系统稳定运行进行优化调度，包括风量参数等的分析和预判，达到实现最优参数运行等的目的。

3.3 在暖通空调领域的逐时仿真

本课题组应用逐时仿真方法解决了复合冷凝空调系统在应用中仍有一些有待解决的问题。这些问题包括:由于增加了热回收装置，系统运行参数发生改变，导致系统效率降低或不能平稳运行;冷热源设备匹配不合理，整体优化差而造成能量浪费;卫生热水装置与冷凝器联合工作的运行参数选择有盲目性。应用SIMULINK 仿真软件搭建了离心式冷水机组复合冷凝过程的仿真模型，并用实验数据进行了验证，得出了系统运行参数与时间的关系，然后利用该仿真模型求得系统优化参数。应用逐时仿真方法，针对数据中心热管冷却系统的蒸发器、冷量分配单元（CDU）及冷源部分建立了部件及系统的逐时仿真模型，提出了冷水流量等参数优化的方法，并给出了计算示例[4]。

4 在暖通空调控制系统的应用

天津大学运用经典控制理论的时域分析法、根轨迹法对暖通空调控制系统的稳定性、动态与稳态性能、PID参数的整定进行了仿真分析。通过房间温度控制的实验表明利用MATLAB/SIMULINK 进行暖通空调控制系统分析设计是简捷、快速而有效的[5,6]。PID 控制是自动化经典的控制理论，杭州万向职业技术学院以蒸发器的调压系统为研究对象，通过工程经验和系统辨识PID 参数整定方法，应用MATLAB 软件设计了系统的PID 控制系统，经仿真，该系统达到了控制要求。

5 在热力系统的辅助系统设计方面的应用

西安陕鼓动力股份有限公司等通过分析奶站热泵系统各部分以及热泵机组各部件的内在关系，以MATLAB/SIMULINK 的模拟结果得知该系统能在规定的时间内将牛奶的温度从35℃降到保鲜所要求的温度，并能将一定量的水从18℃加热到53℃[7]。MATLAB 软件自带的M 语言可以直接调用已有的计算程序包，以及用户可以自定义二次开发程序。麦融高科公司应用MATLAB 软件的M语言，编制了毛细管长度的计算程序。结果表明，该方法简便，精度可靠。

6 软件的二次开发平台方面

吉林大学结合Fluent 与SIMULINK 软件的各自功能,为了更准确地模拟地下水源热泵运行周期内各性能参数的变化,建立了Fluent/SIMULINK 的热泵系统协同仿真平台。研究表明:地下水横流对于削弱热泵热交互,提高机组的COP 值起到积极作用[8-10]。

7 结语

MATLAB/SIMULINK 仿真软件是国际上最通用和最强大的软件，在几乎所有的领域都有应用，但在热力系统应用的文献相对较少。由于其仿真平台的经济型等原因可以大力推广，具体应用方面如下：（1）可以依托仿真的平台，为研究生做仿真课题建模及本科生做毕业设计论文；（2）通过开放扩充数据库的模式，建立仿真模块，并修正其物性等参数，方便用户调用；（3）可以预计，今后的发展是将传统的热力学理论与软件结合，建立符合实际过程的模型，并优化其性能。