楼宇自动化虚拟平台的设计与实现论文

1、天津工业大学毕业论文 楼宇自动化虚拟平台的设计与实现姓 名 杨倩兰 学 院电气工程与自动化专 业 自动化 指导教师 张亮 职 称 讲师 2016年 6 月 6 日摘 要在科技不断进步的今天，智能应用越来越广泛。智能建筑逐年增加，楼宇自动化越来越重要。学校开设楼宇自动化相关实训课题，可以让学生在步入社会之前简单接触与之相关的内容，为之后的工作学习做好准备。虚拟平台可以在没有实物的情况下，进行仿真、模拟实际的控制系统。所以设计一个虚拟的仿真平台可以在没有实物的情况下进行仿真学习。设计虚拟平台时需要考虑到楼宇自动化系统中各个系统的功能，以及他们相互之间的联系。设计虚拟平台需要使用到matlab/si

2、mulink仿真平台，同时要结合eclipse编写后台程序。本文就楼宇自动化虚拟平台的设计与实现结合各个系统要求进行研究。依据不同系统的功能特点、仿真结果要求，提出并构建了基于matlab/simulink的仿真结构框图以及基于eclipse的程序、虚拟平台。论文首先介绍了楼宇自动化课题研究状况、智能建筑概念、不同仿真软件概况、仿真系统的应用等。其次对基于matlab/simulink的不同系统的仿真简要介绍，并且验证仿真系统性能指标。最后对基于eclipse的程序、虚拟平台、虚拟设备以及虚拟环境进行测试验证。保证虚拟平台的正常工作。关键词：Simulink；eclipse；楼宇自动化；仿真；

3、虚拟平台ABSTRACTIn todays technological advancements, intelligent applications more widely. Intelligent building increases every year, building automation increasingly important. The school opened building automation-related training issues, allows students into the community prior to the contact associ

4、ated with simple contents, after learning to prepare. Virtual platform in the absence of physical circumstances, simulation, simulate the actual control system. So the design of a virtual simulation platform can be restricted simulation study.Virtual design platform to take into account features of

5、each system, building automation system, and the links between each of them. Design of virtual platforms need to use matlab / simulink simulation platform, while combining eclipse write daemon. In this paper, the various system requirements Design and realization of building automation on the virtua

6、l platform. Based on features of different systems, simulation requirements, proposed and constructed based on the block diagram simulation matlab / simulink and eclipse-based programs, virtual platform. Paper introduces the research status of building automation, intelligent building concept, diffe

7、rent simulation software before, application simulation system and so on. Secondly simulation of different systems based on matlab / simulink a brief introduction, simulation and verification system performance. Finally, eclipse-based programs, virtual platforms, virtual appliances, and virtual envi

8、ronments for testing verification. To ensure the normal work of the virtual platform.Keywords: Simulink; eclipse; building automation; simulation; virtual platformTOC o 1-3 h u 目 录 HYPERLINK l _Toc6035 第一章 绪论1 HYPERLINK l _Toc11868 1.1 智能建筑简介1 HYPERLINK l _Toc27206 1.2 楼宇自动化简介1 HYPERLINK l _Toc2473

9、1.2.1楼宇自动化控制系统组成1 HYPERLINK l _Toc30280 1.2.2楼宇自动化控制系统原理2 HYPERLINK l _Toc17289 1.2.3 楼宇自动化发展历史3 HYPERLINK l _Toc2077 1.3 国内外研究状况及成果3 HYPERLINK l _Toc17483 1.4 Simulink仿真软件4 HYPERLINK l _Toc1329 1.5 Simulink仿真软件在自动控制系统中的应用实例5 HYPERLINK l _Toc26785 1.6 小结6 HYPERLINK l _Toc30871 第二章 基于Simulink仿真软件的楼宇自

10、动化控制系统7 HYPERLINK l _Toc21460 2.1 仿真软件7 HYPERLINK l _Toc13039 2.1.1 仿真软件定义7 HYPERLINK l _Toc19604 2.1.2 仿真软件功能7 HYPERLINK l _Toc32376 2.1.3 常用仿真软件7 HYPERLINK l _Toc16714 2.2 仿真控制系统性能8 HYPERLINK l _Toc12423 2.3 小结9 HYPERLINK l _Toc14370 第三章 楼宇自动化各控制系统10 HYPERLINK l _Toc27658 3.1 暖通空调系统的监控(HVAC)10 HYP

11、ERLINK l _Toc20508 3.2 给排水系统监控13 HYPERLINK l _Toc17590 3.3供配电与照明系统监控17 HYPERLINK l _Toc25573 3.4火灾报警与消防联动控制18 HYPERLINK l _Toc12562 3.5电梯运行管制203.6防火防爆报警系统20 HYPERLINK l _Toc27013 3.7出入口控制及门禁系统21 HYPERLINK l _Toc28562 3.8安保人员巡查系统22 HYPERLINK l _Toc1283 3.9小结23 HYPERLINK l _Toc5077 第四章 楼宇自动化虚拟平台的设计与实现

12、24 HYPERLINK l _Toc26652 4.1虚拟平台的特点与流程24 HYPERLINK l _Toc24188 4.2控制系统结构设计25天津工业大学2016届本科生毕业论文 HYPERLINK l _Toc15705 4.3系统主要功能设计与实现26 HYPERLINK l _Toc16586 4.3.1主程序设计实现26 HYPERLINK l _Toc3497 4.3.2仿真运行控制功能设计实现26 HYPERLINK l _Toc7591 4.3.3仿真结果数据事后分析功能设计实现27 HYPERLINK l _Toc21833 4.4小结28 HYPERLINK l _

13、Toc21825 第五章 楼宇自动化虚拟平台的测试与应用29 HYPERLINK l _Toc1970 5.1系统功能测试29 HYPERLINK l _Toc9346 5.1.1虚拟设备功能测试29 HYPERLINK l _Toc11274 5.1.2仿真运行功能测试30 HYPERLINK l _Toc3605 5.1.3虚拟环境功能测试30 HYPERLINK l _Toc4191 5.2仿真平台性能测试31 HYPERLINK l _Toc19219 5.3系统实际应用34 HYPERLINK l _Toc17748 5.4小结34 HYPERLINK l _Toc8169 第六章

14、总结35 HYPERLINK l _Toc3152 参考文献36 HYPERLINK l _Toc2581 附录137 HYPERLINK l _Toc2581 附录240 HYPERLINK l _Toc23522 谢辞75天津工业大学2016届本科生毕业论文 天津工业大学2016届本科生毕业论文 第一章 绪论1.1 智能建筑简介在20世纪末智能建筑的概念在美国诞生了。在1984年，美国哈特福德 （Hartford）市建成了第一个智能大厦，他是 HYPERLINK t _blank 智能家居控制系统，利用的是手机Personal Digital Assistant。90年代初，在中国开始出现

15、智能大厦，并且发展的速度令世人刮目相看。优化组合建筑物的管理、设备、服务和结构，条件要按照用户的需求，提供给用户的是一个高效、舒适、便利的以人为本的建筑环境，这样的建筑称为智能建筑。集中现代的很多科技形成了智能建筑。智能楼宇的技术基础：现代电脑技术、现代建筑技术、现代控制技术、现代通讯技术。 随科学技术的发展，建筑物智能化程度逐步提高，智能建筑是信息化的时代产物。现代世界科学技术发展的主要标志：4C技术（Control控制技术、CRT图形显示技术、Communication通信技术、Computer HYPERLINK t _blank 计算机技术）。在建筑物内建立 HYPERLINK t _

16、blank 计算机网络综合系统并将4C技术结合应用之中，使建筑物智能化。4C技术在智能楼宇建筑中是指建筑的结构化、系统化。通过对建筑物的4个基本要素判断确定智能建筑的性质（4要素：结构、系统、服务、管理）。高效率、优雅、舒适又具有快捷便利、安全性高且费用适宜的环境空间需要考虑4要素之间的内在联系，通过最优化的设计来实现。建筑的用户，资金的所有者和经营者等可以通过楼宇自动化察觉到他们在：消费开支、日常生活、商业沟通、生命安全等方面得到最大程度的回报。 建筑智能化结构组成部分：楼宇自动化系统(BAS)、 HYPERLINK t _blank 办公自动化系统(OAS)、通信自动化系统(CAS)修订版

17、的智能建筑设计标准是智能建筑概念的国家标准。1.2 楼宇自动化简介楼宇自动化控制通常利用上位计算机进行画面的监控和管理，这是采用Direct Digit Control,即直接 HYPERLINK t _blank 数字控制器( DDC)。曲线、动画、脚本、 HYPERLINK t _blank 文本、各种专用控件和数据库等是他的主要手段。这就是Decentralized centralized control（分散控制集中管理），所谓分散控制集中管理也是 HYPERLINK t _blank 计算机 HYPERLINK t _blank 集散控制。1.2.1楼宇自动化控制系统组成图1.1 楼

18、与自动化系统组成需要很多的电器机械设备之间相互联系，形成较为完善的自动化管理系统。通过对各种设备进行综合管理、 调度、监视、操作和控制建立机电设备管理系统。1.2.2楼宇自动化控制系统原理 分散控制集中管理是楼宇自动化控制系统的特性。被控对象的实时监测和控制任务由分布在现场被控装置处的直接数字控制器（DDC）完成，对于常用仪器仪表控制功能简单的局限性、计算机集中控制高度会集的风险性的不足，都可以通过这种控制方法加以克服。中央管理计算机功能:CRT显示、打印输出、丰富的软件管理、较强的数字通讯。 具有这些功能的计算机要安装在中央控制室，要在避免了常规仪器仪表分散控制后人机联系困难、无法统一管理的

19、缺陷的情况下能够完成集中操作、显示、报警、打印与优化控制等任务。保证系统在最佳状态下运行。distributed control systems （简称 DCS）是集散型计算机控制系统，即分布式控制系统，他采用的是基于现代控制理论的控制方法。1.2.3 楼宇自动化发展历史到目前为止以有了四代楼宇设备自动化系统的相关产品:表1-1 四代产品对比名称第一代第二代 第三代第四代CCMS中央监控系统DCS集散控制系统开放式集散系统网络集成系统时间20世纪70年代20世纪80年代20世纪90年代21世纪产品原理采用计算机键盘和CRT构成中央站，打印机代替记录仪表，散设于建筑物各处的信息采集站DGP通过总

20、线与中央站连接在一起组成中央监控型自动化系统。DGP分站安装CPU，发展成直接数字控制器DDC并配有微处理机芯片，BAS由4级组成，分别是现场、分站、中央站、管理系统DDC分站连接传感器、执行器的输人输出模块，应用现场总线，形成分布式输入输出现场网络层建筑设备自动化系统采用Web技术，BAS网络集成系统(EDI)是采用Web技术的建筑设备自动化系统中央站功能采集各分站信息，作出决策，完成全部设备的控制监视管理使BAS与Intranet成为一体系统特点一台中央计算机操纵着整个系统的工作只有中央站和分站两类接点，中央站完成监视，分站完成控制，分站完全自治BAS控制网络形成了3层结构，分别是管理层(

21、中央站)、自动化层(DDC分站)和现场网络层(ON)EBI系统从不同层次的需要出发提供各种完善的开放技术，实现各个层次的集成到现在为止，德国Siemens公司、美国KMC公司、Johnson Controls公司、Honeywell公司等公司是规模和影响较大的楼宇设备供应公司。1.3 国内外研究状况及成果 楼宇自动化系统的实质:通讯技术、图形显示技术、控制技术、计算机技术。通过利用这些技术自动化控制与管理整个大厦的建筑设备，使得大厦的信息含量与技术有所增加，整体竞争力不断提高。建筑设备有：照明、供电、供水、消防、空调、电梯。由于信息技术的快速推进，客户对各类建筑物的使用功能要求不断提高，楼宇自

22、动化系统也在原有基础上变得更加繁琐。开始在楼宇中使用由电子器件组成的控制系统是有一部分发达国家早在上世纪50年代初期就开始了，以便于集中监视管理设备的运行状况将各种信号灯、仪器仪表以及操作按钮通过不同线路连接到分布在现场的机电设备上，同时对各种机电系统进行自动或手动切换控制。数字式自动化系统是进入上一世纪60年代末第一次出现，并逐渐使用专用计算机系统进行显示、管理和控制。随着微电子技术的发展在20世纪80年代中期，开始出现采用计算机构成的控制系统，常规控制技术无法实现的性能指标使用计算机都可以达到了，这些技术的发展奠定了扎实的基础可以更好的实现楼宇的智能化。 自从在19世纪80年代开始，首个楼

23、宇自动化建筑在美国修建之后，全世界范围内，楼宇自动化迅速在各地展开，并以一种全新的技术和面貌出现。当代社会，通过多年的进展使得楼宇自动化步入了“绿色环保建筑”的更高阶段的新智能时期。楼宇自动化目的：各个设备的管理和控制、实现保护环境、可持续发展、节约能源。实现目的要以贯彻以人为本为前提条件，强调低污染、低能耗、高效率是对设备的管理和控制总的精神。另外一点，伴随着信息技术产业的迅猛突破，智能建筑的面貌和内涵不断翻新，楼宇系统集成作为智能建筑的核心，网络化的集成是最高要求，并不仅仅是以服务器或处理器为中心。计算机环境、面向过程、信息交互转变方向如下图：浏览器/服务器和C 1 Tent/Networ

24、k模式客户机/服务器模式 计算机环境 转变方向图1.2 计算机环境转变方向为面向对象、强调综合集成、密切联系应用需求集成系统的开发 面向过程的转变方向图1.3 面向过程的转变方向基于内容的处理和融合以及基于虚拟和多媒体技术的人机接口简单的状态信息组合和基于监视控制的处理 信息交互的转变 方向图1.4 信息交互的转变方向1.4 Simulink仿真软件软件简介Simulink是一个集成了环境,集成了动态系统仿真、建立模型和分析综合的仿真软件。MATLAB最重要的组成部分之一就是他。只是要通过简单方便的 HYPERLINK t _blank 鼠标操作，而不用大量编写编程，就可组建出繁琐的系统的环境

25、就是它所提供的。Simulink的优点：1、广泛适应性；2、接近实际；3、高效率；4、灵活；5、结构明了；6、清晰的流程；7、精细仿真；Simulink被广泛应用于数字信号处理以及控制理论的复杂仿真和设计中就是基于以上的优点。可应用在或被要求应用在Simulink中有很多的第三方硬件和软件。1.5 Simulink仿真软件在自动控制系统中的应用实例Simulink仿真在测控系统中有广泛的应用。某测控系统的时域微分方程为：5 eq f(d2y,dx2) +3 eq f(dy,dx) +y=6xSimulink仿真框图图1.5 仿真结构图仿真结果如图：图1.6 仿真结果1.6 小结本论文的结构如下

26、: 第一章绪论论文研究的来源、国内外研究现状以及论文研究需要的技术做了先行介绍;说明了课题研究意义;最后介绍了论文结构安排。 第二章基于Simulink仿真软件的楼宇自动化控制系统常用的仿真软件比较做了， Simulink仿真简单了解。 第三章楼宇自动化各控制系统针对Simulink仿真，建立各个系统结构图以及仿真框图.第四章楼宇自动化虚拟平台的设计与实现 在之前研究的基础上，从虚拟平台仿真的流程和特点考虑，充分考虑各个系统的功能需求和性能要求以及操作方便简单，一个由数学建模、模型代码自动生成并转换以及仿真结果图形显示和数据事后分析于一体的建模仿真平台系统被设计并实现了。模型代码自动生成并转换

27、、仿真结果的事后分析、图形化建模等都是系统具有的功能。第五章楼宇自动化虚拟平台的测试与应用结合实际情况对系统的各项功能进行了第一步测试;然后测试了基于Simulink仿真操作系统平台的实时性能;然后，对测试结果进一步分析由以有的测试结果决定;最后介绍了系统的实际应用情况。 第六章总结总结了论文课题研究的意义。第二章 基于Simulink仿真软件的楼宇自动化控制系统2.1 仿真软件2.1.1 仿真软件定义专为仿真设计的计算机软件即为仿真软件(英文simulation software)。仿真的技术工具包括仿真软件与仿真硬件。50年代中期仿真软件开始有所发展。与仿真软件的发展辅相成的技术:仿真应用

28、、算法、计算机、建模。第一个以数据库为核心的仿真软件系统在1984年出现了，采用人工智能技术(专家系统)的仿真软件系统随后也出现。在这样的发展方向下，仿真软件会具有更灵活、更强的功能、能够面向更广泛的用户。现在较为风行的是虚拟现实仿真软件，例如VR-Platform ，中文名虚拟现实仿真平台。2.1.2 仿真软件功能源语言的处理以及规范化，就是规定描述模型的句法、符号、语法、语句。检测 HYPERLINK t _blank 源程序中的错误。源程序翻译成代码。用于机器执行。2、仿真的执行和控制。3、数据的分析和显示。4、程序、数据、模型、图形的存储和 HYPERLINK t _blank 检索。

29、可以通过对软件的设计来实现。 仿真软件分类：仿真程序包、仿真软件系统、仿真语言。仿真程序包是针对仿真的专门应用领域建立起来的程序系统，常用的程序段被软件设计人员设计成通用的子程序模块，再设计一个主程序模块，用来调用子程序模块。繁重的程序编制工作就可以免去了。他具备功能2、3、4中的任一种，但可以不具备仿真软件的功能1。仿真软件系统是将仿真软件的所有功能有机地统一在一起，构成一个完善的系统。仿真语言具有最广泛的应用。数据库是仿真软件系统的核心。它由仿真运行软件（语言）、建模软件、 HYPERLINK t _blank 数据库管理系统和输出结果 HYPERLINK t _blank 分析报告软件组

30、成。2.1.3 常用仿真软件常用仿真软件比较如表：表2-1 仿真软件对比表名称MatlabProteusKEILLabviewMultisim出品地美国英国美国美国美国公司The MathWorks公司Lab Center Electronics公司Keil Software公司国家仪器(NI)公司国家仪器(NI)有限公司类型商业数学软件EDA工具软件51系列兼容单片机C语言软件开发系统程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境以Windows为基础的仿真工具应用算法开发、数据可视化、数据分析、矩阵运算、绘制函数/数据图像、原理图、代码调试、 HYPERLINK t _blank 单片机与外围

31、电路协同仿真、PCB设计C语言编程汇编语言编程帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作、搭建电路原理图并仿真特点高效计算2、 完备图形处理3、功能丰富工具箱 HYPERLINK t _blank 电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真三合一仿真单片机及外围器件在功能、 HYPERLINK t _blank 结构等有优势完整开发 HYPERLINK t _blank 方案集成环境方便、仿真 HYPERLINK t _blank 调试强大使用图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程

32、2.2 仿真控制系统性能利用Simulink可以先建模，图形模型的代码自动生成，再编译运行有针对性的改造代码，实时仿真就可以实现。当然，由其下层的操作系统平台所决定经修改代码后生成的运行进程的实时性能。因为基于Windows系统的的大多应用Simulink都可以实现，而且有着广泛应用基础的系统是Windows系统，因此提供一个通用实时操作的系统平台，可以通过扩大Windows系统的实时性能来实现，为研究成果的应用奠定扎实的根基。2.3 小结 选择基于MATLAB平台的Simulink仿真是通过对不同仿真软件的介绍比较决定的。该平台是由MathWorks公司推出的，动态系统仿真领域中最为著名的仿

33、真集成环境之一就是他，它在各个领域都有广泛的应用。 用户在构建自己的动态系统模型可以通过Simulink快速实现，进行仿真分析也在此基础上;通过分析仿真结果修正系统参数以及设计，从而快速完成系统的设计。Simulink集成环境的仿真有MATLAB的支持，因此可以立即使用MATLAB中庞大的科学运算功能。毋庸置疑，出色的能力使Simulink在系统仿真领域中极其重要的作用。第三章 楼宇自动化各控制系统3.1 暖通空调系统的监控(HVAC)当今的社会工作生活水平下，人们越来越在意要求室内温度、湿度以及空气质量。对智能楼宇大量的暖通空调设备进行全面管理而实施监控的系统称之为暖通空调监控系统(HVAC

34、Heating Ventilate Air Conditioning) ，该系统是为了营造良好的工作环境设计的。房间有很多热源包括：l)通过围护结构传入的热量经过外窗进入的太阳辐射热量3)人体散热量、照明散热量、设备、器具、管道及其他内部热源的散热量、食物或物料的散热量4)渗透空气带入的热量5)潜热量，由各种散热过程产生1、通过围护结构传入的热量CLq=SqKq(Tw-Tn) （3-1）CLq：逐时冷负荷由外墙和屋面传热形成的;Sq：外墙和屋面的面积;Kq:传热系数，根据外墙和屋面的不同构造和厚度,可在外墙结构类型与热工参数数据库以及屋面结构类型与热工参数数据库中选用;Tw:由墙面和屋子的结合

35、冷负载计算的温度值;Tn：室内温度太阳辐射热量，只限通过窗户射入的按下式可计算外窗温差传热形成的逐时冷负荷: CLch.1=SchKchCk1Ck2(tlc-tn) （3-2）CLch1：逐时冷负荷由外窗温差传热形成的;Sch：外窗窗口面积;Kch：外窗传热系数;Ck1：窗框的外窗传热系数修正值;Ck2：遮阳设施的外窗传热系数修正值;t1c：窗户的逐时冷负荷温度;tn：室内温度B. 按下式可计算透过玻璃窗进入有空调的房间的或者地方的太阳辐射热形成的逐时冷负荷:CLch.2=CsCnCaSlJch+(Sch-Sl)JshC(cl.ch)n （3-3）CLch2：透过窗的太阳辐射热的逐时冷负荷;C

36、s：窗玻璃的遮挡系数;Cn：窗内遮阳设施的遮阳系数;Ca：窗的面积有效系数;Jch：透过窗玻璃的太阳总辐射照度=直接辐射+散色辐射;Jsh：窗户的太阳散射辐射照度;Sch：外窗面积(包括窗框);C(cLch),C(cl.cb)n：冷负荷系数,按纬度取值,考虑有内遮阳和无遮阳因素;Sl：窗上受太阳直接照射的面积人及其他物体的散热量 CLr=n(q1Ccl.r+q2)+Qr （3-4） CLr：人体散热引起的冷负荷; n：空调调节房间内的人数; ql：每个人散发的显热量; q2：每个人散发的潜热量; Ccl.r：人体显热散热冷负荷系数（人在室内停留时间及由进入室内开始到计算时刻的时间决定了该系数）

37、; Qr ：其他设备散热量 由以上四个公式得出：Qroom=CLq+CLch.1+CLch.2+CLr+Qr=(Tw-Tn)+Qf （3-5）其中： =SqKq+SchKchCk1Ck2 Qf=CsCnCaSlJchCcl.ch+(Sch-Sl)JshC(cl.ch)n+n(q1Ccl.r+q2) 图3.1 房间模型通过计算整理房间数学模型为：T eq f(dTroom0,dt) +Troom0=K(L+KTout+KQf) （3-6） 其中时间常数T，放大系数K、K、K T= eq f(CM,L0Cairair+),K= eq f(Cairair(Tin-Troom0),L0Cairair+

38、) , K= eq f(,Cairair(Tin-Troom0) ,K= eq f(1,Cairair(Tin-Troom0) ；Cair是空气比热;air是空气密度。由公式得系统的结构图：图3.2 房间温度模型结构图由结构图得出Simulink仿真框图：图3.3 Simulink仿真框图图3.4 仿真结果调节各个参数得适当的仿真结果：参数设计：K=0.2、K=0.053.2 给排水系统监控给排水系统中，要对给水量和排水量实时监控。选择不同的控制方法：传统pid控制、模糊控制。为实现机电一体化，采用应用了先进的现代控制理论的变频调速恒压供水系统。结构原理图如下:图3.5 变频调速结构原理图与模

39、糊控制相结合的模糊预测控制，通过预测输出，利用输出反馈调节输入，结构图如图：图3.6 模糊控制结构图因为有很多的不稳定环节存在,在供水系统中,想要获得一个精确的数学模型很困难,尤其是使用变频恒压控制。因此在实际应用中，只能根据供水装置的性能用近似数学模型逼近。图3.7 水泵充水过程水压变化1、管道水泵供水系统的数学模型:一个惯性环节带有一个纯滞后环节的一阶系统等效。2、电机和变频器的模型:时间常数为T2 的惯性环节一阶模型等效。3、相对于其他的控制单元和检测环节的延迟时间以及时间常数而言，由于供水系统执行环节的时间常数和延迟时间常数较大，这样相对而言其他控制装置的时间常数和延迟时间常数可忽略不

40、计,都用比例环节等效。综上可知, 两个惯性环节串联再带一个纯滞后环节可等效供水系统的数学模型,供水系统的近似数学模型为:G(s)=eq f(K,(T1s+1)(T2s+1)e-s 由公式连接simulink的仿真框图传统的PID控制如图：图3.8 传统pid控制框图所得的仿真结果：图3.9 运行结果与现有的比例-积分-微分控制相比，模糊预测控制框图图3.10 模糊预测控制框图 在命令窗口中输入fuzzy得如图：图3.11 （a） 图3.12 （b） 图3.13 (c) 图3.14 （d） 仿真结果如图：图3.15 模糊控制仿真结果从仿真响应曲线分析，就该系统用传统PID控制相比：超调量降低,

41、动态响应速度迅速，系统上升时间缩短,振荡减小。不过在模糊控制中还有很多问题存在,最主要的有: 提高智能水平；适应能力加强；改进稳态控制精度。根据其他的实际应用中得出结论,遇到实际情况时,由于模糊控制发展不成熟，通常要将模糊推理或模糊控制的思想结合到其他较为成熟的控制理论或方法,积极发挥各自的优势,从而得到最优化的控制效果。采用PID控制的条件：压力偏差较小；响应速度快；动态性能好；静态性能好；满足系统控制精度。模糊控制与单个的PID调节器及单个的模糊控制器相比均有更好的控制性能。虽然在改善静态性能方面，Fuzzy-PID复合控制更优,但他的缺点是：控制法则一层不变,一般系统在不同状态下的条件不

42、同，所以很难满足各种情况, 控制效果会有所影响。模糊控制的发展方向应该是：自适应、自组织、自学习的方向。这样可以自动更改完善系统参数设置以及控制规则, 在最优化的条件下控制系统。可以更好的控制那些阶次高、带有非线性环节、滞后时间大的复杂系统。3.3供配电与照明系统监控电力的合理分配对于智能楼宇极其重要，在现如今的社会中，电能已成为最重要的能源，合理分配电能不仅可以给每个用户更加舒适方便的使用，而且可以节约能源，适应现代的能源利用环境。用户使用的电力设备不仅包括纯电阻电器，还有一些非纯电阻电器，比如电容以及电感。这些非纯电阻电器会储存一部分电能，即无功功率。输电线路Simulink仿真框图如图：

43、图3.16 输电线路框图仿真结果如图：图（b）中黄色为有功功率，蓝色为无功功率；图3.17 （a） 图3.17 （b）3.4火灾报警与消防联动控制图3.18显示了火灾自动报警与联动控制系统的工作原理。探测器安装在保护区。探测器要求：对现场的烟雾浓度、温度等进行监视、不断地向所监视的现场发出巡测信号、监视得到的信号反馈给报警控制器。判断确定火灾是否发生要依据控制器收到的信号与本身设定的正常整数值之间的比较，这是控制器的作用，火灾报警及消防联动控制系统原理也正如此。 当火灾发生时,显示器显示内容：烟雾浓度、火灾区域或楼层房号的地址编码、火灾现场发出声光报警、打印报警时间、地址、与火灾发生楼层的上下

44、相邻层或火灾区域的相邻区域也属于危险区域，同样要发出报警信号。报警系统报警后, 根据事先设计的代码编程, 控制系统会有对应的动作, 即启动防排烟系统以及灭火系统, 点亮各个相应的应急疏散指示灯、疏散通道明确等。图3.18 火灾系统原理框图根据原理得出系统的数学公式：N eq f(S,KA) 其中：N:探测器数量, 应取整数S:该探测区域面积(m2 )A；探测器的保护面积(m2 )K：修正系数利用Simulink连接仿真框图：图3.19 仿真框图 仿真运行的结果图3.20 运行结果3.5电梯运行管制 智能建筑中电梯一般不止一个，需要设计合理的程序分配电梯，是电梯在最优化的条件下工作。随着社会不断

45、发展，电梯的应用越来越多，电梯事故也被人们所关注。要实时监控电梯运行以免事故发生，同时一旦发生事故要及时处理，有相应的应急处理程序。电梯远程监控系统如图:图3.21 电梯系统结构图3.6防火防盗报警系统智能楼宇要有识别能力，特别是智能家居要及时识别陌生人进入。防盗系统的原理为用户输入密码或其它信号，当输入错误时，声光报警启动。防火报警系统类似于防盗，当探测器检测到烟雾、高温等信号时，声光报警启动。图3.22 防盗系统结构原理图3.7出入口控制及门禁系统 出入口控制系统组成：出入凭证的校验装置、出入口自控锁、出入口控制主机。出入凭证的校验装置是身份识别技术分为个人身份识别码、卡片式、人体特征识别

46、三种。门禁系统结构如图：图3.23 门禁系统结构实现出入口控制的方式： 第一种方式是在需要了解其通行状态的门上安装门磁开关。第二种方式是在需要监视和控制的门上，除了安装门磁开关以外，还要安装电动门锁。第三种方式是在需要监视、控制和身份识别的门或有通道门的高保安区，除了安装门磁开关、电控锁之外，还要安装磁卡识别器或密码键盘等出入口控制装置，由中心控制室监控，采用计算机多重任务处理，对各通道的位置、通行对象及通行时间等实时进行控制或设计程序控制，并将所有的活动用打印机或计算机记录，为管理人员提供系统所有运转的详细记录。分布式控制系统是出入门禁系统的本质，该系统支持结构为网络化结构。成为门禁控制系统

47、设计和开发的理想平台是由于他是低成本、实时性和可靠性的控制网络技术。由于网络技术、控制和计算机的不断发展，用户在生产和生活中的控制对象不断发生变化。从局部到整体，由单点到多点，从简单到复杂。全开放嵌入式控制网络系统现场总线控制系统集散式控制系统集中式数字控制系统组合式模拟控制系统图3.24 控制系统的经历过程网络化、数字化、智能化是控制系统整体的发展的趋势。3.8安保人员巡查系统 楼宇中要有安保巡逻不断记录安保人员的位置，是否离岗、控制人员进出。安保人员巡查系统的工作原理即有一便携式设备及时传送人员位置信息，同时接受系统传达的指令，如图3.26、3.27： 图3.25 原理图图3.26 安保巡

48、查原理图 3.9小结本章简要介绍了基于Simulink仿真环境下楼宇自动化系统中系统的仿真与结果，以及各子系统的原理和要求。第四章 楼宇自动化虚拟平台的设计与实现4.1虚拟平台的特点与流程系统具有以下特点： 1) 仿真时间标尺与自然标尺一致即仿真必须是实时仿真。这一点决定了仿真的时间特性。 2) 数学模型是必须建立的仿真对象的实体。对于复杂系统的建模，一般要将其简化用近似的数学模型代替，忽略细小误差，简化仿真。3) 有些物理效应设备存在时间延迟。在进行时，仿真系统中也要串联延迟函数，减少对仿真系统真实性的影响。4) 仿真的置信度最高。仿真系统忽略外部环境的一些影响，这样与实际的系统相比，仿真系

49、统的可信程度被很大地提高了，比纯数学模型的仿真系统的置信度高得多。 综上所述，设计开发仿真平台系统的前提基础既是仿真系统的特性，意义也在此。仿真的一般过程：1) 描述仿真问题，明确仿真目的；2) 项目计划、方案设计与系统定义：仿真目的决定仿真结果以及系统的边界条件、约束条件；3) 数学建模：根据研究系统的先验知识、实验数据及其机理，确定模型的类型、结果及参数是按照物理原理或者采取系统辨识的方法决定； 4) 仿真建模：系统的仿真模型是通过数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型实现的。5) 试验：仿真实验并记录数据； 6) 仿真结果分析：实验要求和仿真目的决定。仿真结果决定：修正数学模型、

50、仿真模型、仿真程序、修正/改变原型系统。 新的实验在修正后进行。准确描述实际系统并不是一次完成的，要不断对比模型和实际系统的差异，不断的更改、验证、再更改而完成的。图4.1 流程图4.2控制系统结构设计该平台主要的目的是为楼宇的自动化设计进行仿真，进而方便楼宇自动化的设计与改良。如图：图4.2楼宇自动化系统结构图4.3系统主要功能设计与实现4.3.1主程序设计实现框架建模在simulink中，打开MATLAB file model,在model中建立系统结构框图点击 获得模块库。建立结构框图，程序见附表。4.3.2仿真运行控制功能设计实现功能结构：一、楼宇虚拟化基础平台部分。系统配置：初始化参

51、数、数据等。楼宇自动化系统模拟。二、楼宇设备仿真部分。1.设备的录入2.设备类型维护设备 三、楼宇突发事件场景仿真部分。1.火灾事件场景2.断水场景3.断电场景 四、楼宇自动化报表实现：整个平台分为楼宇自动化仿真平台、虚拟设备、仿真平台配置管理、仿真平台监控与分析、数据存储等部分。楼宇自动化仿真平台为楼宇自动化系统的模拟、虚拟设备为楼宇中设备的虚拟结点、仿真平台配置管理模块对仿真平台以及虚拟设备进行配置管理；仿真平台监控与分析为仿真平台进行监控与分析，提供运行报告等。图4.3 仿真平台结构图4.3.3仿真结果数据事后分析功能设计实现 建立数据分析功能可以更好的实现虚拟平台设计。仿真结果数据事后

52、分析功能：对仿真结束后存储到文件或数据库中的多组仿真数据进行图形或列表查看以及数据辅助对比分析。通过分析可以得到有价值的结论。仿真结果数据事后分析功能是作为一个独立的外部工具，利用Eclipse基于Java的可扩展开发平台，支持多种文本格式和数据库类型。图4.4 eclipse图4.5 eclipse界面4.4小结先介绍了仿真的特点与流程，从该点出发，在系统的性能要求和功能需求以及操作便捷性方面充分考虑。系统设计思想：为实践者提供操作界面、提高仿真应用、实现支持仿真交互的方便进行、功能全面开发。一体的仿真系统的设计需求包括：图形建模、模型代码生成、实时工程生成实时仿真运行、仿真数据实时显示、仿

53、真结果事后分析。本章详细叙述了系统主要功能的设计与实现。系统的主要功能模块:主程序框架、仿真运行控制功能、数据转存、实时显示功能、仿真结果数据事后分析功能。第五章 楼宇自动化虚拟平台的测试与应用5.1系统功能测试5.1.1虚拟设备功能测试 虚拟设备组成：设备类型维护、设备模拟、数据通信。在进行系统配置的时候，是根据设备类型进行添加的。设备类型可以自定义添加，添加设备类型的时候需要添加虚拟的该设备的实例。 虚拟设备系统初始包括：电梯虚拟、环境虚拟、空调虚拟、电路虚拟、水路虚拟、通信设备虚拟。 设备通信模块是在TCP/IP的基础上把虚拟设备的数据传送到楼宇自动化平台的。如果自定义添加设备的是需要按

54、照以下的规则制定： 虚拟设备已进程的形式存在，并以日志的形式写入一个文件。 文件的格式内容如下：2016-01-26 16:14:37.100elevator001RUNING1000110011所有的字段以t 分隔，第一个字段为时间、然后是设备类型、设备编号、设备内容内容标示、数据内容。虚拟设备上报数据的流程如图：图5.1 虚拟设备上报数据的流程5.1.2仿真运行功能测试1、运行各个系统模块。点击“ ”标志，如图。图5.2 Simulink界面2、如果结果不是很满意调整各模块参数以及仿真时间直至达到稳定结果。3、点击scope观察仿真实时的图形。5.1.3虚拟环境功能测试虚拟环境：方式为采集

55、得到一天内的温度数据。然后将其作为日志文件格式存起来，然后使用设备检测读取文件，更新为当前数据时间并按照采样的频率输入。虚拟电梯：提供了一个程序进行模拟。虚拟电梯设备的工作流程如图：图5.3 虚拟电梯设备的工作流程在仿真电梯运行时，首先虚拟场景设备虚拟出楼宇的人员进出情况，并将其上报到楼宇自动化仿真平台，平台将数据发送到电梯设备控制进程，电梯控制进程将数据发送到虚拟电梯设备中，例如5人从1楼上电梯，3人到10层，2人到12层的数据。虚拟电梯设备接收到这样的数据，对数据进行相应处理，例如1号电梯响应该数据，从目前闲置在5层下行到1层，并载入人员到分别的楼层。此时会输出相应的数据到设备日志文件中，

56、电梯设备控制进程得到数据并上报到楼宇自动化仿真平台。其他的设备运行与上报数据类似。5.2仿真平台性能测试 自动化仿真平台包括内容：数据采集模块、数据处理模块、各个自动化子系统模拟（包括给排水系统监控、暖通空调系统的监控、供配电与照明系统监控、电视监控系统、火灾报警与消防联动控制、电梯运行管制、防盗报警系统、出入口控制及门禁系统、安保人员巡查系统等）、自定义子系统模块、事件处理模块、配置模块、监控模块。楼宇自动化仿真子系统类似一个真实的楼宇自动化控制系统，接收者设备的数据，并作出控制。并可以响应突发的事件，并针对事件对设备进行控制。设备管控流程楼宇自动化仿真子系统设备管控流程如图：图5.5 楼宇

57、自动化仿真子系统设备管控流程图中以电梯运行控制模拟系统为例，其他的子系统为处理过程类似。 模拟事件处理流程楼宇自动化系统对于事件有智能化处理，仿真平台也提供了一个可以自定义事件，并可以人为的触发事件，来看仿真系统是如何处理事件。事件的模拟处理流程如图：图5.6 事件的模拟处理流程由模拟事件模块触发事件，事件处理模块接收到事件之后，做事件第一步分析处理，然后按照各个子系统注册的事件进行事件的派发。各个子系统接收到事件后并做响应的事件处理。并根据事件处理的结果是否给设备发送控制指令，设备接收到控制指令后执行，并将结果反馈到各个子系统中。子系统将事件的处理结果发送到事件处理模块。例如断电的事件，电梯

58、需要处理断电的事件，电梯运行控制接收到断电的事件，做响应的处理。仿真平台监控分析：主要实现了接收到仿真平台的一些数据，并针对一些数据进行展示。以便改良楼宇自动化系统的相应的策略。仿真平台配置管理：主要实现了平台的一些配置，例如设备类型的维护、事件的维护等。5.3系统实际应用在基于Simulink仿真项目中，显示与数据采集以及仿真数据的事后分析与管理等功能可以更好的完成系统仿真。不同系统的仿真时间设置有所不同，保证了在实际应用时很好的实时性和稳定性。在基于Simulink以及eclipse仿真项目中，模型解算、数据共享与运行显示以及仿真数据分析等功能都很好地完成了。在实际应用中，系统各方面的功能

59、和良好的性能指标得到了很好的评价，可以奠定了扎实的基础，以便未来更广泛的应用系统。5.4小结使用自动或手动手段来运行或测定某个系统的过程称之为虚拟平台测试，检验它是否满足标准的条件是他的目的所在。前几章介绍的基于Simulnik构建实时的各项技术、实现系统的可行性、准确性及高效性，本章做了必要的验证。本章将对虚拟设备、虚拟平台、虚拟环境进行严格的测试，并且分析其在实际项目中的应用情况。测试与应用表明: 基于Simulnik以及eclipse构建仿真系统，他的各项技术、方法可行性高;基于Simulink和eclipse的仿真平台，不仅使用方便、运行稳定、性能可靠，而且可有效支持楼宇自动化仿真应用

60、的开发和运行。第六章 总结 楼宇自动化实践教学一般是在实验室内完成，在实验室内有相应的系统模拟设备，通过实际操作掌握一些实际操作。这种实验实训，在某种程度上一定的积极作用，不过凡事都有两面性，他也存在一些不足。第一，学生仅根据实验室设备学习，缺少创新性。第二，实验效果不理想。第三，实验室是并不是随时开放的，实验学时课时受限，设备有限，想要在有限的学时里把握夯实课堂内容，对于学生而言是很难的。利用计算机平台，在此平台上虚拟实际的物理系统就是仿真。通过虚拟仿真可以补充不足的实验，开发虚拟实验是以仿真为基础的。且空间、物质条件和时间不会限制到仿真实验，可不受地域限制随时进行，仿真在培养学生能力以及改