楼宇自动化虚拟平台的设计与实现

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

学院电气工程与自动化

专业一自动化

指导教师

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、模拟实际的捽制系统0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/simulink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，提出并陶建了基于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；虚拟平台

ABSTRACT

Intoday'stechnologicaladvancements,intelligentapplicationsmorewidely.

Intelligentbuildingincreaseseveryyear,buildingautomationincreasinglyimportant.

Theschoolopenedbuildingautomation-relatedtrainingissues,allowsstudentsinto

thecommunitypriortothecontactassociatedwithsimplecontents,afterlearningto

prepare.Virtualplatformintheabsenceofphysicalcircumstances,simulation,

simulatetheactualcontrolsystem.Sothedesignofavirtualsimulationplatformcan

berestrictedsimulationstudy.Virtualdesignplatformtotakeintoaccountfeaturesof

eachsystem,buildingautomationsystem,andthelinksbetweeneachofthem.Design

ofvirtualplatformsneedtousematlab/simulinksimulationplatform,while

combiningeclipsewritedaemon.

Inthispaper,(hevarioussystemrequirementsDesignandrealizationofbuilding

automationonthevirtualplatform.Basedonfeaturesofdifferentsystems,simulation

requirements,proposedandconstructedbasedontheblockdiagramsimulation

matlab/simulinkandeclipse-basedprograms,virtualplatform.Paperintroducesthe

researchstatusofbuildingautomation,intelligentbuildingconcept,different

simulationsoftwarebefore,applicationsimulationsystemandsoon.Secondly

simulationofdifferentsystemsbasedonmatlab/simulinkabriefintroduction,

simulationandverificationsystemperformance.Finally,eclipse-basedprograms,

virtualplatforms,virtualappliances,andvirtualenvironmentsfortestingverification.

Toensurethenormalworkofthevirtualplatform.

Keywords:Simulink;eclipse;buildingautomation;simulation;virtualplatform

4.3系统主要功能设计与实现......................................26

4.3.1主程序设计实现.........................................26

4.3.2仿真运行控制功能设计实现...............................26

4.3.3仿真结戾数据事后分析功能设计实现......................27

4.4小结.........................................................28

第五章楼宇自动化虚拟平台的测试与应用...................29

5.1系统功能测试.................................................29

5.1.1虚拟设各功能测试.......................................29

5.1.2仿真运行功能测试.......................................30

5.1.3虚拟环境功能测试.......................................30

5.2仿真平台性能测试.............................................31

5.3系统实际应用.................................................34

5.4小结.........................................................34

第六章总结.............................................35

参考文献.................................................36

附录1.................................................37

附录2.................................................40

谢辞.....................................................75

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，他是智能家居控制系统，利用的是手机

PersonalDigitalAssistanto90年代初，在中国开始出现智能大厦，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芯境,

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计算机技术）。

在建筑物内建立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）、办公自动化系统（OAS）、

通信自动化系统（CAS）修订版的《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

DirectDigitControl,即直接数字控制器（DDC）。曲线、动画、脚本、文本、

各种专用控件和数据库等是他的主要手段。这就是Decentralizedcentralized

control（分散控制集中管理），所谓分散控制集中管理也是计算机集散控制。

1.2.1楼宇自动化控制系统组成

空

调

系

统

图1.1楼与自动化系统组成

需要很多的电器机械设备之间相互联系，形成较为完善的冉动化管理系统。

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

controlsystems（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17四代产品对比

名第一代第二代第三代第四代

称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

20世纪70年代20世纪80年代20世纪90年代21世纪产品

间

采用计算机键盘和

DGP分站安装CPU,发建筑设备自动化

CRT构成中央站,打印

展成直接数字控制器DDC分站连接传感系统采用Web技

机代替记录仪表，散

DDC并配有微处理机器、执行器的输入输术，BAS网络集

原设于建筑物各处的信

芯片，BAS由4级组出模块，应用现场总成系统（（EDI）是

理息采集站DGP通过总

成，分别是现场、分线，形成分布式输入采用Web技术的

线与中央站连接在一

站、中央站、管理系输巴现场网络层建筑设备自动化

起组成中央监控型自

统系统

动化系统。

中

央采集各分站信息，作使BAS与

站出决策，完成全部设监视管理Intranet成为

功备的控制一体系统

能

BAS控制网络形成了EBI系统从不同

只有中央站和分站两

3层结构，分别是管层次的需要出发

特一台中央计算机操纵类接点，中央站完成

理层（中央站）、自动提供各种完善的

点着整个系统的工作监视，分站完成控制，

化层（DDC分站）和现开放技术，实现

分站完全自治

场网络层（0N）各个层次的集成

到现在为止,德国Siemens公司、美国KMC公司、JohnsonControls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.卜.世纪50年代初期就开始了，以使丁集中

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：

图1.2计算机环境转变方向

为面向对象、强调综合

面向过程的转变方向

集成系统的开发>集成、密切联系应用需

求

图1.3面向过程的转变方向

基于内容的处理和融合

简单的状态信息组合和信息交互的转变.

方向>以及基于虚拟和多媒体

基于监视控制的处理

技术的人机接口

图1.4信息交互的转变方向

1.4Simulink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就是它所提供的。

Simulink的优点:

1、广泛适应性；

2、接近实际；

3、局效率；

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。

1.5Simulink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:

d2ydy

5菽+3瓦+y心

Simulink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：

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、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simulationsoftware）□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、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

1、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、图形的存储和检索。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、数据库管理系统和输出结果分析报告软件

组成。

2.1.3常用仿真软件

常用仿真软件比较如表:

表27仿真软件对比表

名

MatlabProteusKEILLabviewMultisim

称

出

品美国英国美国美国美国

地

LabCenter

公TheMathWorksKeilSoftware国家仪器（ND国家仪器（ND

Electronics

口1公司公司公司有限公司

公司

程序开发环

51系列兼容单以Windows为

类境，类似于c

商业数学软件EDA工具软件片机C语言软件基础的仿真工

型和BASIC开发

开发系统具

环境

算法开发、数适用于板级的

原理图、代码调帮助工程师和

据可视化、数语言编程模拟/数字电路

应试、单片机与外C科学家解决问

据分析、矩阵板的设计工作、

用围电路协同仿题、提高生产

运算、绘制函汇编语言编程搭建电路京理

真、PCB设计力和不断创新

数/数据图像、图并仿真

1、电路仿真、、在功能、结

1从理论到京理

、高效计算

1PCB设计和构等有优势

图捕获与仿真

2、完备图形虚拟模型使用图形化编

再到原型设计

处理仿真三合2、完整开发方辑语言G编写

特和测试这样一

3、功能丰富工案程序，产生的

卢个完整的踪合

具箱程序是框图的

3、集成环境方设计流程

2、仿真单片形式

机及外围便、仿真调

器件试强大

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—HeatingVentilateAirConditioning),该系统是

为了营造良好的T作环境设计的0

房间有很多热源包括：

1)通过围护结构传入的热量

2)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

CL=SqKq(T-Ttl)(3-1)

CL。：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；

(:传热系数，根据外墙和屋面的不同构造司厚度，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；

I：由墙面和屋子的结合冷负载计算的温度值；

Tn：室内温度

2、太阳辐射热量，只限通过窗户射入的

A.按下式可计算外窗温差传热形成的逐时冷负荷:

CLch.]-SchK(：hCklCk2(tic-tn)(3-2)

CLchl：逐时冷负荷由外窗温差传热形成的;

Sch：外窗窗口面积;

Lh：外窗传热系数；

Ckl：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；

tlc：窗户的逐时冷负荷温度；

t„：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:

CLh.2-CCCa[SiJch+(Sch-Si)JshC(cl.ch)n]

csn(3-3)

CLch2：透过窗的太阳辐射热的逐时冷负荷；

Cs：窗玻璃的遮挡系数；

Cn：窗内遮阳设施的遮阳系数；

C：窗的面积有效系数；

K：透过窗玻璃的太阳总辐射照度二直接辐射+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；

Si：窗上受太阳直接照射的面积

3、人及其他物体的散热量

CLt=n(q1Ccl.r+q2)»Qt(3-4)

CLt：人体散热引起的冷负荷；

n：空调调节房间内的人数；

q.：每个人散发的显热量；

上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)；

Q,：其他设备散热量

由以上四个公式得出：

Qroon二CLq+CLch.l+CLch2^,CL1+Qr~Q(TW-Tn)+Qf(3-5)

其中：

Q二SqKq+SchK<hCk[Ck2

+-+

CxCnCatSiJchC,i,ch(SChSi)JshC(d,ch)nn(qC-.r+q?)]

图3.1房间模型

通过计算整理房间数学模型为：

,+△丁…二K(△L+K'Tw+K〃Q「)

(3-6)

其中时间常数T,放大系数K、K'、K〃

TCM,,CirPair(TinTTrnriio)

LoCairPair+。L°CairPair+。

K，__________—________JZ,Z_________!__

-

CairPair(TinT,(x)mo)'CairPair(Tjn

C「是空气比热；Q.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:

Band-LimitsGs»n1

WhiteNobel

图3.3Simulink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、参数.05

3.2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

与模糊控制相结合的模糊预测控制J,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

因为有很多的不瑙定环节存在,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。

水压变化

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)e

"(T,S+1)(T2s+l)

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:

*于

or;DMatled

IcabeislupF

ra«14Hw

FISVebH

C*r>er<Vertat*CurertMe<Oe<加Ftncflon(ctcl8""se*<ri

[(94004】

T«ttir4'AutOMticIO!Y«Iitltctiondiacnestletonon*inthe

图3.11(a)图3.12(b)

图3.13(c)图3.14(cl)

仿真结果加图:

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：

1、超调量降低，

2、动态响应速度迅速，

3、系统上升时间缩短，

4、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：

1、提高智能水平；

2、适应能力加强；

3、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：

1、压力偏差较小；

2、响应速度快；

3、动态性能好；

4、静态性能好；

5、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，在最优叱的条件下控制系统。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

电力的合理分配充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涔，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：

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:

其中：N:探测器数量，应取整数

S:该探测区域面积(成)

A；探测器的保护面积(m2)

K：修正系数

利用Simulink连接仿真框图：

WhiteNoise

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史理,

有相应的应急处理程序。电梯远程监控系统如图：

计算机管理系统

远程数据流入

后台监控系统

效据来贝

电梯数据监控

远程数据发送

采集涔

电

梯

控

制

数据果集

柜

信号采型与流

电梯轿厢一

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

放

集散

组合式集中式数现场总线开

式

控

入

嵌

式

模拟控字控制系控制系统

网

系

制

控

制

制系统统

络

统

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安保人员巡杳系统

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：

移动便携智能终端

图3.25原理图

安全保卫系统软件

图3.26安保巡查原理图

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,对干复杂系统的建模，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、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：

匚!中央计算机

।।管理网络（LAN）

I/O模块DSDCyDDCI/O模块

空调系统-------------------------------------制冷系统

---------------I/O模块DDCDDCI/O模块！---------

给排水系统

-Q—着HMY>-电梯系统

总

线

---------------I/O模块DDg一DO模块---------

供配月系统-Q—1^5-―QHD—照明系统

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->fil->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。

1.系统配置：初始化参数、数据等。

2.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

3.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、楼宇自动化孜表

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。

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没计。仿真结果数据事后分析功

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。

THEECLIPSEPROJECT

川CefMiCM2600.2004.AN»«MMdJM■■JM

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GJU3

图4.4eclipse

图4.5eclipse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