低代码控制器仿真实验教程（一）：房屋温度控制
基于Simulink官方的房屋温度控制仿真案例实验教程发布。
1、实验目的
基于Simulink官方的房屋温度控制仿真案例，采用低代码控制器代替其中的控制模块，采集室内温度和设定温度信号，控制房屋温度保持在允许范围内。
2、实验模型
本实验原始模型来自于Simulink官方的房屋温度控制模型，官网给出了该模型原理的详细介绍（https://www.mathworks.com/help/simulink/slref/thermal-model-of-a-house.html ），在MATLAB命令行窗口中输入命令：openExample(‘simulink_general/sldemo_househeatExample’);可打开该模型，如下图所示：
其中Thermostat为温度控制模块，控制逻辑为当室内温度低于设定温度5ºF以下，发出打开加热器的信号；当室内温度高于设定温度5ºF以下，发出打开加热器的信号。
采用低代码控制器进行控制时，将该控制模块替换为S-函数，在S-函数中实现与低代码控制器通信功能，上送室内温度和设定温度数据并接收控制信号，修改后的模型如下图所示：
3、实验步骤
低代码控制器的特点在于不需要对控制器进行代码的编写，只要在excel文件之中进行测点配置、通信通道和AOE配置就可以实现相应的控制。
3.1、编写低代码控制器配置文件
低代码控制器文件配置分为三个部分：测点配置、通信通道配置和AOE配置。测点配置用于配置控制器输入和输出信号点的参数，本案例中需要的信号要是输入所需要的房间设定温度、测量温度和输出的加热器启停控制信号，通信通道的配置是为了将控制器与simulink仿真模型建立modbus通信，实现仿真模型与控制器的信息交互，而AOE配置是建立AOE模型网络来实现所需的控制逻辑和功能。
3.1.1、测点配置
测点配置表格的内容包含了测点的点号、名称、别名、是否离散、是否是计算点以及默认值等。点号是程序里给这个测点的编号，可以自己定义，使用时，测点与通信通道的点号一一对应完成对接。别名是英文字母与下划线组合使用，可以当做变量名用于AOE表格里表达式的书写，使之可以不用点号来表达，使得表达式的意思表达得更加清楚。本案例需要三个测点，分别问设定温度值、测量温度值以及控制器输出控制加热器启停，测点配置如下图所示：
3.1.2、通信通道配置
低代码控制器通过Modbus协议与Simulink进行通信。由于Matlab仅有Modbus客户端功能，因此需要将低代码控制器配置为Modbus服务端，如下图所示，其中通道数量为1，服务端口需设置为未占用端口。
然后对客户端信息和测点信息等进行配置，如下图所示：
利用3个测点设定的点号，将3个测点与3个寄存器的起始地址点号对应，2个温度值的数据类型为八个字节的浮点数，输出控制信号数据类型为无符号整数。
3.1.3、AOE配置
本案例中AOE文件配置内容分为三个部分。
AOE网络声明
AOE网络声明部分，定义了表格之中的AOE网络个数和整体信息以及一些变量的初始值。其中触发条件分为三类：SimpleRepeat（定时触发，需要自行设定定时时间）、TimeDriven（时间驱动）、EventDriven（事件驱动）；变量的定义方式为：<变量名1>:<初值1>;<变量名2>:<初值2>;…。
本案例中的AOE网络声明如下所示：
本程序的控制器的作用是实现房屋内温度的控制，所以名称定为房屋温度控制，触发条件是事件控制（即当温度超出阈值的事件发生时，控制器进行相应动作）。变量upDev和downDev分别代表了向上和向下超出的设定温度的最大值（实测温度与设定温度最大差值的绝对值）为2.77778摄氏度（5华氏度）。
AOE节点声明
节点类型分为Switch和Condition两类，其中Switch节点为二分支逻辑判断，触发逻辑为：表达式为真时，该节点序号为1的边进行动作；表达式为假时，序号为2的边进行动作。当Switch节点为AOE网入度为0的节点（首节点）时，Switch节点直接触发，若超时时间内表达式为真，则执行动作1，为假或者发生超时事件执行动作2；Condition节点的表达式为事件触发条件，超时时间内表达式为真，则节点事件发生，该节点出发的所有动作并行执行。
本案例的控制逻辑可以用AOE网表示如下：
对应上图需要定义的节点有四个，都是事件触发条件，分别是温度超出阈值事件、温度超过下阈值事件、温度超过上阈值事件以及结束节点，其中，前三个事件规定了超时时间，需要在超时时间内表达式为真才能触发，根据表达式进行运算和比较来控制是否触发事件，式子中用到的数据可以用测点配置里对应的别名来表示。节点声明如下所示：
AOE边声明
边需要声明首尾节点，格式为：<尾节点ID>;<首节点ID>。边的方向为：尾节点→首节点。边的动作类型有：None、SetPoints、Solve、Milp、SimpleMilp、Nlp。其中，SetPoints除了对测点设值之外，还可以进行变量定义和计算，动作参数分为数字量和模拟量；Solve为求解方程Ax=b；Milp为混合整数线性规划问题求解；Nlp为非线性规划问题求解。
本案例中的AOE边声明如下图所示：
一共用到了四条边声明，从节点1到节点2和节点3的两条边不需要判断，只需要执行进入下一个节点的动作，动作类型为None，不需要进行计算。从节点2和节点3到节点4需要作出开加热器和关加热器的动作，动作类型为SetPoints，输出为1时，打开加热器，输出为0时，关闭加热器。
3.1.4、配置文件存储
在excel表格中编写完成之后，将表格另存为.csv格式（纯文本形式存储表格数据）文件供低代码控制器使用。
4、编写Simulink与控制器通信程序
打开Simulink模型中S-函数的源文件，将S-函数的输入信号数量设置为2、输出信号数量设置为1，采样时间，采样时间设置为0.01（每仿真10ms与控制器通信一次）。添加建立Modbus通信的命令，其中需要服务端ip和端口参数：
添加温度设定值、温度测量值、读取控制指令程序：
5、低代码控制器配置与运行
将控制器电源线与电源相连，打开电源开关，再用网线将控制器与计算机连接，就可以使用。
利用发现工具获得控制器ip，如下图所示：
当控制器启动并接入计算机，被计算机发现后，可以得到如下界面（打开一个浏览器，并输入控制器地址也可以得到如下界面）。
点击界面中控制器id，进入控制器配置界面，选择并导入.csv已编写好的测点、通道和AOE配置文件，点击界面中的“reset”即可保存配置并运行控制器。
6、运行仿真
先运行低代码控制器，再运行Simulink模型，进行仿真。得到的利用低代码控制器的控制结果与原模型十分接近。
由该仿真实验可以看出，使用低代码控制器并不需要繁复的程序代码编写，只需要编写测点配置、通信通道配置和AOE配置文件就可以实现通信和控制功能，与目前常用的其他控制器相比，更方便于非编程技术背景人员的应用。
房屋温度控制AOE配置文件下载链接
SGOOL团队
2021年9月10日
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