恒温恒湿房间的仿真模拟控制实验报告

题目：恒温恒湿房间的仿真模拟控制实验

班级：建环1302班

姓名：陈文博

学号：U8

指导教师：徐新华

完成时间：2016年 5月

一、 实验目的

本次模拟仿真的目的是要满足在 秋（过渡季）、夏、冬三季的温湿度控制。控制对象为温度和湿度，其中湿度为相对湿度，因为温度与相对湿度的耦合关系，而且在实际工况中，对温、湿度又有不同的精度要求，因此我们只需要在温湿度中选取其中一个进行精调，另外一个满足一定条件即可。我们要做的工作便是在上述外界环境下，分别对温湿度进行控制。

其中温度控制：230.1t C =±o ，％1060±=φ

湿度控制：％160±=φ，231t C =±o

本次实验主要是利用Mat lab 中Simulink 仿真模型模拟恒温恒湿机组在各种工作环境下的运行情况。在模拟过程中，对于各季环境差异，我们主要考虑的是环境温度的不同，即显热负荷的差异。同时，我们假设各种条件下房间内的产湿都是相同的，这主要是基于室内设备、人员没有变化。我们需利用Simulink 仿真模型模拟恒温恒湿机组在各种工作环境下的运行情况，通过仿真实验找到合适的控制策略，实现房间里的恒温恒湿控制。

二、 实验控制方法

由于所用控制器件的惯性及精度影响，很难在第一刻就能使调节后的空气温湿度达到要求。而且处于保护设备和节能的角度考虑，我们没有必要总使设备运行在满负载工况下，同时避免在很小的区域内由于控制目标的波动而是其频繁启停，同时还得兼顾进行微调所能达

到的幅度，因而根据设备自身参数要求，设定一个合适的粗调区是很重要的。因此，我们的实验控制方法是先确定一个合适的房间温湿度粗调区，根据我们所需控制的恒温恒湿房间的温湿度控制要求：t=23℃，φ=60%，我们可以确定温度的粗调区为：T=23±1℃，φ=60%±10%，如下图所示：

粗调使室内温湿度环境满足条件之后，便可以集中对温湿度中的一个因素进行调节。对于温度和湿度的控制必须有一个是精确控制，而另外一个则有一个比较宽的变化，我们分别通过和分别完成对温度和湿度的精确控制中精调过程。但在实际的Simulink模拟模型中，我们不可能直接将温湿度调节到我们理想的控制要求，我们对和需要不断进行修正，直到得到符合我们实验要求的温湿度范围。

三、实验控制算法

1、温度控制实现方法：

由于控制的过程最终是给被控器件一个0－1信号，如果是0，则表示该仪器停止运行，如果是1，则表示该仪器运行。例如，如果要精调温度，我们就以温度作为程序控制的主线。当实测温度与设定温度的差大于度时，我们分以下三种情况进行处理：

当实测湿度（相对）与设定值的差大于8％，即湿度偏大时，应当开启表冷器进行制冷除湿。当实测相对湿度与设定值的差小于8％，

即温度偏高、湿度偏低时，应当开启加湿器和表冷器以同时降温和加湿。而在二者之间时，说明湿度已经达到了要求，只需要用表冷器降温即可。

同样的道理，当实测温度与设定温度的差小与度时，也是仿照上面的情况分成三种情况进行讨论，在程序中有说明，这里就不赘述了。

需要特别说明的是，我们在控制过程中特别选定了一个正负度的一小段温度范围作为过渡区，在这个区中的时候只要湿度在我们允许的最大范围内，我们就不用对空气再做任何的处理，这样可以节约一部分能量。同时，介于这个过渡区与粗调区之间的就是我们的精调区。处于精调区的空气温度已经在设定范围内，我们的目标是让它更加接近设定值，同时将不再控制范围内的湿度控制在设定范围内。因此，对于处于精调区的空气在进行温度处理时，均采用前面的积分公式算出需要的加热量，然后与的加热器进行比较，得到需要在一个周期内加热的比例，然后把这个比例转换成占空比信号传给加热器。

对于表冷器我们也采用了类似的方法。不同的是，为了简化问题，我们直接利用需要降低的温度与表冷器一次的降温量进行比较得到

需要加热的比例，然后再转换成占空比信号传递给表冷器进行相应的动作。至于加湿器，我们假设它的工作周期为150秒（即150秒内只能启动一次），通过用给定的模型进行实验，发现它在150秒内可以将同温度空气的相对湿度增加10％，于是我们直接将需要的加湿量与之比较得到一个周期内需要的加湿比，再转换成占空比信号传给加湿器。

2、湿度控制的实现

湿度的控制与温度类似，只是在粗调的时候要以湿度为标准，先将湿度调整到我们需要的范围内，然后再对温度的不同情况进行相应的调整。在进入精调区后，我们采用加热器和加湿器对湿度进行精确控制。加热器可以在温度低而湿度大的时候达到升温除湿的目的，而加湿器则只要是当湿度偏低时将湿度拉回设定范围。具体方法由于和温度控制类似，此处不再详述。

下面绘出实验控制流程框图：

Simulink 程序图：

房间框图：

控制模块：

四、模拟结果

Matlab程序中子程序介绍：

Ctrl：温湿度粗调程序，将室内房间温湿度的可调范围控制早

粗调区（Δt=±1℃；Δd=±）。

Ctrl_T:温度精调程序，将室内房间温湿度的变化范围控制在

Δt=±℃；Δd=±。

Ctrl_D：湿度精调程序，将室内房间温湿度的变化范围控制在

Δt=±℃；Δd=±。

TDtofai：由温度，含湿量求得相对湿度的程序。

TDtoTsfai：由温度，含湿量求得湿球温度的程序。

TsfaitoTD：由湿球温度求得该状态下的含湿量的程序。

1.夏季

1)粗调结果：

设备启停状况：

2)温度精调结果：

设备启停状况：

3)湿度精调结果：

设备启停状况：

2.秋季

1)粗调结果：

设备启停状况：

2)温度精调结果：

设备启停状况：

3)湿度精调结果：

设备启停状况：

3.冬季

1)粗调结果：

设备启停状况:

2)温度精调结果：

设备启停状况：

3)湿度精调结果：

设备启停结果：

五、实验结果分析

1.夏季温湿度调节结果分析：

夏季的粗调结果比较符合设定要求，温湿度的值被调节到一个合理的范围之内，t=24℃，φ=59%，而温度与湿度精调后，虽然温湿度单一都可以得到预想的控制设计范围，但温湿度对应的变化却并没有得到很好的对应。对于温湿度的联合控制，由于室外的温湿度扰动，温湿度只能说是大致对应，总有温度或者湿度超出了控制范围。

设备的启停结果分析：在粗调时，由于温湿度控制精度很大，因此加热器会频繁启停，对于温度进行调节。而进入温湿度精调后，我们可以发现加热器的启停频率明显减少，而只用表冷器和加湿器的启停来控制温湿度调节。

2.秋季温湿度调节结果分析：

从图中粗调结果的图像来看，粗调结果并不理想，温湿度偏移预期控制量很多，这说明在过渡季节，室外环境的多变性对于控制系统有很大的干扰，往往会导致恒值控制系统不能很好对室内温湿度进行合理的控制。而由温湿度精调控制结果，可以看出，无论是温度精调还是湿度精调，都只有唯一的控制参数可以得到很好的控制，而其他的参数却往往不能很好的对应预想的控制范围。设备启停的频率与种类差异性大，其中所有加热器都有启停记录，说明温湿度调节过程复杂，室外气象参数多变。

过渡季节温湿度异常原因分析：

过渡季节温湿度出现异常，其原因不外乎以下几种：

1.系统中冷水机组，组合式空调器的表冷器制冷能力不足，但再热能力满足要求，其运行结果是温度满足要求但相对湿度偏高。

2.系统中冷水机组，组合式空调器的表冷器制冷能力满足要求，但在热能力u=不够，其运行结果是相对湿度满足要求，但温度却偏低。

3.系统中冷水机组，组合是空调器的制冷能力和再热能力都满足要求，但运行调试不够完善，不能充分发挥冷水机组，组合式空调器及再热器的作用，以致出现要么温度满足要求但相对湿度却偏高，要么相对湿度满足要求但温度却偏低的现象。

综合实际的Simulink框图，系统不存在再热能力不足，故原因只能是1或者3，实际须看运行设备系统。

3.冬季温湿度调节结果分析：

冬季的粗调结果中温度控制极其稳定，而湿度控制却波动加大，

但至少在湿度合理控制范围内。由粗调节的设备启停图像，可以看出加热器启停频繁，很好地控制了室内温度，而表冷器与加湿器的启停则较为少，但对湿度控制也大体上到达要求。而从温湿度精调结果，图像跟秋季控制图像相似，但差异变化范围更为奇怪，温度都能符合的很好，相对湿度最高竟然达到75%，可见该控制系统对于冬季的湿度控制过程需要进行改进，才能得到很好的湿度控制。

六、实验心得

通过这次实验的操作与分析，我对于室内环境的调节过程以及室内环境自动控制的程序有了一个比较清晰的理解。虽然实验中Mat lab程序和Simulink框图都是老师已经准备好的，但我认为通过这次的实验分析，我对于Matlab软件的理解又加深了一层。实验中的各种程序并不是很复杂，复杂的是Simulink框图的理解，然而到现在，我对于实验中Simulink框图仍不是很理解，但这并不妨碍我将实验顺利地进行下去，我仍然可以得到实验结果，并做出自己的分析。总的来说，经过这个实验，我意识带到了自己在Mat lab软件操作上的不足以及对于实际问题应与软件解决分析的缺陷。在今后的学习与研究生活中，我会结合对于基础知识的理解，努力弥补自己在实际问题分析与计算机软件转化分析方面的缺陷，加深自己对于建筑自动化专业知识的理解。