6.1 房屋温度控制

1、实验环境

该程序可在以下环境运行：

1.Matlab R2019a + Simulink v9.3及以上版本；

2.Matlab APP:Instrument Control Toolbox；

3.低代码控制器。

2、原始模型介绍

本实验原始模型来自于matlab R2021a中官方自带的simulink仿真案例中的 sldemo_househeat 模型。

可以通过在matlab命令行窗口中输入下面的命令打开此案例的模型：

openExample('simulink_general/sldemo_househeatExample');

该仿真案例包含模型初始化脚本sldemo_househeat_data.m文件，提供需要的房屋信息：

• 包括定义房屋几何信息（大小、窗户数量）
• 指定房屋材料的热属性
• 计算房屋的热阻
• 提供加热器特性（热空气温度、流速）
• 定义电力成本（0.09 美元/千瓦时）
• 指定初始室内温度 (20 ºC = 68 ºF)

房屋的热模型主要功能是模拟房屋内的加热和热损耗（House）来表现温度的变化，再由控制模块（Thermostat）控制温度在设定温度下内基本保持小范围的波动，并计算加热成本（cost）。

• 室温变化模型（House），是计算室温变化的子系统，会考虑来自加热器的热流和在环境中的热损失，室温变化模型方程为：

\[ \left(\frac{\text{d} Q}{\text{d} x}\right)_ {losses} = \frac{ T_{room} - T_{out} }{ R_{eq} } \]

\[ \frac{\text{d}T_{room}}{\text{d}t} = \frac{1}{M_{air}\cdot c}\left( \frac{\text{d}Q_{heater}}{\text{d}t}-\frac{\text{d}Q_{losses}}{\text{d}t} \right) \]

其中\(M_{air}\)表示屋内空气质量，\(R_{eq}\)表示房屋的等效热阻。

• 加热器模型（Heater），对恒定空气流速 Mdot 进行建模。

  其值在sldemo_househeat_data.m 文件中指定。调温器信号用于打开或关闭加热器。当加热器打开时，它以恒定的 \(Mdot\) 流速（默认 1 千克/秒 = 3600 千克/小时）吹出温度 \( T_{heater} \)（默认为 50 ºC = 122 ºF）的热空气。

\[ \frac{\text{d}Q}{\text{d}t}=\left( T_{heater} - T_{room} \right)\cdot Mdot\cdot c \]

其中 \( \frac{\text{d}Q}{\text{d}t} \)表示从加热器流入房间的热流，\(c\)表示常压下的热容，\(Mdot\)表示空气流速，\( T_{heater} \) 和 \( T_{room} \)分别表示从加热器中输出的热空气温度和房间内空气的温度。

• 调温器（Thermostat），允许温度在理想室温上下 5 ºF 范围内波动。如果气温降到 65 ºF 以下，调温器会打开加热器。

• 环境建模模块，使用具有无限热容量和时变温度 Tout 的散热器。常量模块 Avg Outdoor Temp 指定室外平均气温。Daily Temp Variation Sine Wave 模块产生室外温度的日温波动。修改参数可以比较这些参数对于供暖成本的影响。

3、整体流程分析

模型主要检测内容是室内的温度，需要将室内温度与控制温度进行比较，将温度是否超出限定值范围的信息反馈给调温器。

调温器对加热器施加开启或者关闭的信号，若信号为开启信号，加热器启动，稳定输出固定流速的热空气，并对此动作产生的能量消耗进行价格的计算，在PlotResults中显示成本的曲线图，并将室外温度以及室内温度一起显示在结果之中，方便比较室内外温度变化对成本的影响。

此模型只用于计算供暖成本，如果室外温度高于室内温度，室内温度将超过所需的Set Point值。

如果需要计算制冷成本，可以修改此模型，使其包含空调（即修改加热器的参数指标）。

进行此修改，要在 sldemo_househeat_data.m 中添加如下参数：冷空气输出、空调气流的温度以及空调效率。由于需要同时控制空调和加热器，因此还需要修改调温器。

4、低代码控制器

本控制器是基于AOE引擎的低代码控制器。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。

5、matlab仿真测试

5.1、原始案例

使用原始代码进行仿真可以得到如下图所示仿真图像。

图中可以看出制热成本，室内外温度变化曲线。

5.2、低代码控制器替代原始调温器

图中的modbusCom1指代的是由控制器控制模拟得到的调温器。

5.3、文件配置

文件配置分为三个部分：测点配置、通信通道和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。

接下来分别介绍相关的三个方面的配置。

5.3.1、测点配置

测点配置表格的内容包含了测点的点号、名称（测点1/2/3）、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，不用点号来表达，使得表达式的意思表达得更加清楚。

本例中的测点配置如下表所示：

本程序需要三个测点，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。其中的别名对应的就是AOE文件之中设置节点事件的表达式的参量。表示在matlab的simulink模型中是如图所示的几个参数。

5.3.2、通信通道配置

表格中包含有通信通道的各种配置信息。

服务端口可以自行设置。

建立通信时，modbus通信的时候两边有一个是主站，有一个是从站，主站可以轮询、发控制指令，从站响应主站。

通道配置文件里的客户端就是指主站，主站在同一台机器就用本机地址127.0.0.1，客户端端口要设成9999。此文件之中，将控制器配置成从站，matlab配置成主站。

当需要把控制器配置成主站时，将客户端ip改成服务端ip。

本案例中需要的通道配置如下：

连接个数设定为1，服务器端口自定义为502；

客户端ip就是主站ip，端口需修改为9999，在实体控制器配置时需要改为与网络属性相关的ip，在网络属性中查询。

利用3个测点设定的点号，将3个测点与寄存器的起始地址点号对应，两个温度值的数据类型为八位的浮点数，输出的数据类型规定为无符号整数。

其他参数本案例中不需要配置，在此不多赘述。

5.3.3、AOE配置

将AOE表格拆开之后可以分为四个部分。

1. 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。

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>:<表达式1>;<变量名2>:<表达式2>;…

本例中的AOE网络声明：

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）。

2. 变量声明

变量声明需要规定变量生效的AOE网络，通过表达式定义，可以使用预先载入的测点表内的测点名，当测点名对应的测点数据在动作中被更新时，变量的信息也会被更新。

本案例中没有需要的变量声明，在此不多赘述。

3. AOE节点声明

节点类型分为两类：Switch、Condition.

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。

本例中的节点声明：

本案例中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。

4. 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；

• 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求解方程\(Ax=b\)。

• Milp为稀疏混合整数线性规划问题求解，

• Nlp为非线性规划问题求解。

• Milp的写法包括：

  • 目标函数：min(<表达式>); 或者 max(<表达式>);

  • 约束条件：<Bool表达式1>;<Bool表达式2>;…

  • 变量声明：<变量名1>:<变量类型1>, <变量名2>:<变量类型2>,… （其中变量类型为：二进制(0/1)、整型和浮点数）

本案例中的AOE边声明如下图所示：

本例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。

包含有节点以及边的流程如图所示：

5.4、建立控制器与matlab通讯以及仿真过程

1. 连接低代码控制器

将matlab的路径切换到低代码控制器替代后的simulink模型文件的文件夹。

当与实体的控制器时，就是将所实现的功能通过实体的控制器实现，只需要将控制器与电脑接入同一局域网后后，修改主站和从站的ip地址，控制器（从站ip）可以从查找窗口获得。主站ip为本机ip地址，通过网络属性配置中可以查询。

2. 配置低代码控制器的文件

打开一个浏览器，并输入控制器地址，然后输入账号和密码以进入控制器主界面。

进入主界面后，在左侧导航栏的设置项板块中分别点击测点、通道和AOE按钮，进入相应界面后上传配置文件。

以测点配置文件上传为例，若界面已存在数据可以先清空数据，然后单击右上角的文件上传图标（具体见下图所示），选中需要上传的文件，确定即可完成上传。上传成功后界面将出现相应内容，可对其进行查看与编辑。

所有文件上传完成后，单击主页或概览返回概览界面，点击重置按钮保存配置即可运行。操作界面如下图所示：

1. matlab界面操作

配置完成后，进入matlab的界面。然后打开控制器的源文件modbusCom1.m文件，该文件是以S-Function模块模板为基础实现的利用Modbus通信协议与控制器进行通信的模块。

下面这个程序段是将控制信息的数据通过函数对控制器进行读写，S-Function模块中输出函数为mdlOutputs。

function sys=mdlOutputs(t,x,u)
global m;
write(m,'holdingregs',2,u','double');   % 将温度设定值和测量值写入控制器
pause(0.01);    % 等待10ms（实际时间），使得通过modbus通信之后读到最新控制值
sys = read(m,'holdingregs',10,1,'uint16');  % 读取控制信号

同时需要设置输入和输出信号的个数，其中输入信号有两个（即设定温度和测量温度），输出信号有一个（控制器发出的指令信号）。

以下这个初始化程序段用于联系控制器与matlab，将modbusCom1中的建立modbus通信的代码中的，输入从站ip（“127.0.0.1”，当连接实体的控制器时，需要填写查找得到的控制器的ip地址）和端口（502，这个端口是由通信通道配置里选择的）。

global m;
m = modbus('tcpip', '127.0.0.1', 502);  % 建立modbus通信

通过这个函数建立了simulink与控制器的通信，实现了仿真过程中和外界数据交互。

在matlab命令行窗口中输入以下命令可以测试modbus通信，判断通信是否成功连接。

m = modbus('tcpip', '127.0.0.1', 502);

4. Simulink模型参数设置

mosbuscom1.m文件是s函数的源文件，放在.slx文件的目录下，应用到模型中的控制器中，替换控制算法部分，按如下图所示连接输入和输出端:

5. 仿真结果

运行完成之后，得到完整的波形图如下图所示：

可以看出与原本程序自带的调温器所得的仿真结果是一样的。

5.5、总结

由仿真结果可以看出，低代码控制器的功能与原始的调温器的功能是一致的，但是低代码控制器并不需要繁复的程序代码的编写，根据需要编写相关的AOE配置、测点配置以及通信通道的配置就可以实现对应的功能，与目前常用的其他的控制方法相比，更方便于非编程技术背景人员对模型功能的设计和实现。

附件：HouseHeat房屋温度控制示例.rar