基于FLUENT/MATLAB 接口的分布参数系统闭环控制仿真 - Read

第 20 卷 第 11 期 系 统 仿 真 学 报 © Vol. 20 No. 11
2008 年 6 月 Journal of System Simulation Jun., 2008
基 于 FLUENT/MATLAB 接 口 的 分 布 参 数 系 统 闭 环 控 制 仿 真
鲍
文 , 李 伟 鹏 , 常 军 涛 , 付 海 洋
( 哈 尔 滨 工 业 大 学 能 源 科 学 与 工 程 学 院 , 哈 尔 滨 150001)
摘 要 : 在 工 程 实 际 中 常 遇 到 的 流 动 、 传 热 和 燃 烧 等 问 题 中 , 大 都 为 分 布 参 数 系 统 。 针 对 该 分 布 参
数 模 型 建 模 难 的 问 题 , 结 合 CFD 仿 真 软 件 FLUENT 和 系 统 仿 真 软 件 MATLAB 各 自 的 优 点 , 根 据
WinSock 网 络 通 信 原 理 , 开 发 了 FLUENT/MATLAB 接 口 , 建 立 了 分 布 参 数 模 型 闭 环 控 制 快 速 原
型 的 仿 真 平 台 , 并 且 通 过 算 例 仿 真 验 证 了 该 方 法 的 可 行 性 与 实 用 性 。
关 键 词 :FLUENT/MATLAB 接 口 ;WinSock 网 络 通 信 ; 分 布 参 数 系 统 ; 仿 真 技 术
中 图 分 类 号 :TP391.9 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1004-731X (2008) 11-2851-04
Closed-loop Control Simulation Technology of Distributed Parameter System
Based on FLUENT/MATLAB Interface
BAO Wen, LI Wei-peng, CHANG Jun-tao, FU Hai-yang
(School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract: The problems of fluxion, heat transfer and combustion which are frequently met in practical project are mostly
distribution parameter system. In order to solve the difficulty in building the model of distribution parameter system,
combined the advantage of CFD emulation software FLUENT and system simulation software MATLAB, according to
WinSock network communication principle, the interface of FLUENT/MATLAB was developed, and a fast prototype
simulation platform for the closed-loop control of distribution parameter system was established. And through calculation
example, the practicality and the feasibility of this method were verified.
Key words: FLUENT/MATLAB interface; WinSock network communication; distributed parameter system; simulation
technology
1
引 言
在 工 程 实 际 中 常 遇 到 的 流 动 、 传 热 和 燃 烧 等 问 题 中 , 大
都 为 分 布 参 数 系 统 , 其 能 量 和 质 量 在 空 间 上 是 连 续 分 布 的 ,
一 般 用 偏 微 分 方 程 描 述 其 状 态 变 化 规 律 。 此 类 系 统 动 态 过 程
的 建 模 与 仿 真 多 采 用 简 单 易 行 的 集 总 参 数 方 法 , 但 此 方 法 难
以 反 映 系 统 参 数 的 瞬 态 分 布 特 性 [1-3] 。 如 果 建 立 分 布 参 数 动 态 模
型 , 存 在 建 模 难 、 计 算 量 大 的 困 难 , 并 且 许 多 模 型 仅 限 于 零 维
或 一 维 描 述 , 往 往 不 能 反 映 符 合 实 际 的 分 布 参 数 特 性 [4-7] 。
目 前 , 随 着 计 算 流 体 力 学 、 计 算 热 力 学 的 发 展 和 高 速 、
大 容 量 、 低 价 格 的 计 算 机 的 相 继 出 现 , 利 用 成 熟 的 CFD 商
业 软 件 ( 例 如 FLUENT), 对 于 工 程 中 常 遇 到 的 非 定 常 分 布
参 数 模 型 能 够 很 好 的 模 拟 , 并 且 其 计 算 精 度 、 可 靠 性 和 效 率
得 到 很 大 提 高 , 在 工 程 中 的 得 到 广 泛 的 应 用 [8、9] 。 虽 然 商 业
CFD 软 件 具 有 建 模 简 单 、 精 度 高 等 特 点 , 但 其 不 能 实 现 对
分 布 参 数 模 型 的 闭 环 反 馈 控 制 , 存 在 很 大 的 局 限 。
本 文 结 合 CFD 计 算 软 件 FLUENT 和 系 统 仿 真 软 件
MATLAB 各 自 的 优 点 , 利 用 网 络 通 信 协 议 实 现 了 两 者 的 接
口 , 通 过 系 统 参 数 的 实 时 同 步 传 输 , 使 得 在 Simulink 中 搭 建
的 控 制 模 块 能 够 实 时 的 控 制 FLUENT 计 算 模 型 , 建 立 了 研
究 分 布 参 数 闭 环 控 制 的 快 速 原 型 仿 真 平 台 , 为 研 究 分 布 参 数
收 稿 日 期 :2007-01-11 修 回 日 期 :2007-03-10
作 者 简 介 : 鲍 文 (1970-), 男 , 山 东 人 泰 安 人 , 博 士 , 研 究 方 向 为 热 能
动 力 系 统 建 模 与 控 制 、 高 超 声 速 推 进 、 智 能 信 息 处 理 等 。
• 2851 •
系 统 仿 真 提 供 了 新 的 思 路 。
1 FLUENT/MATLAB 接 口 的 设 计 思 路
实 现 FLUENT/MATLAB 接 口 技 术 关 键 在 于 解 决 两 软 件
之 间 的 数 据 传 输 , 在 保 证 FLUENT 和 MATLAB 实 时 同 步 运
行 的 前 提 下 , 两 者 的 数 据 能 够 高 效 稳 定 的 传 输 。 应 用 Internet
网 络 通 信 传 输 数 据 的 方 法 , 在 Windows 仿 真 平 台 下 , 给 同
一 台 计 算 机 上 给 两 软 件 分 配 不 同 的 网 络 端 口 , 设 计 合 理 的 网
络 通 信 函 数 嵌 入 两 软 件 的 接 口 函 数 中 , 通 过 控 制 网 络 通 信 协
议 传 输 数 据 的 方 式 , 就 能 够 实 现 FLUENT 与 MATLAB 的 数
据 传 输 。
TCP/IP 协 议 是 当 今 最 为 广 泛 应 用 的 网 络 互 联 协 议 , 包
括 应 用 层 、 传 输 层 、 互 联 网 络 层 和 网 络 接 口 层 。 传 输 层 提 供
了 节 点 间 的 数 据 传 送 服 务 , 这 一 层 负 责 传 送 数 据 , 主 要 包 括
传 输 控 制 协 议 (TCP) 和 用 户 数 据 报 协 议 (UDP)。 在 TCP/
IP 协 议 组 中 ,TCP 是 一 种 面 向 连 接 的 协 议 , 为 用 户 提 供 可 靠
的 、 全 双 工 的 字 节 流 服 务 , 具 有 确 认 、 流 控 制 、 多 路 复 用 和
同 步 功 能 。UDP 协 议 则 是 无 连 接 的 , 每 个 分 组 都 携 带 完 整 的
目 的 地 址 , 各 分 组 在 系 统 中 独 立 传 送 , 它 不 能 保 证 分 组 的 先
后 顺 序 , 不 进 行 分 组 出 错 的 恢 复 与 重 传 。 虽 然 UDP 协 议 不
保 证 传 输 的 可 靠 性 , 但 是 提 供 高 传 输 效 率 的 数 据 报 服 务
[10,11] 。 由 于 MATLAB/FLUENT 数 据 交 互 传 输 模 型 简 单 , 并
且 为 了 提 高 数 据 传 输 效 率 并 减 小 模 拟 仿 真 时 间 , 采 用 UDP

第 20 卷 第 11 期 Vol. 20 No. 11
2008 年 6 月 系 统 仿 真 学 报 Jun., 2008
协 议 。FLUENT 与 MATLAB 数 据 传 输 原 理 如 图 1 所 示 。
UDP
接 发 数 据
u 1
… …
u n
FLUENT
被 控 对 象
Matlab-Simulink
控 制 器
y 1
… …
y n
UDP
接 发 数 据
现 数 据 传 输 的 基 本 单 元 是 套 接 字 , 分 为 基 于 TCP 协 议 的 流
式 套 接 字 和 基 于 UDP 协 议 的 数 据 报 套 接 字 。 数 据 报 套 接 字
比 流 式 套 接 字 模 型 简 单 , 并 且 由 于 数 据 报 套 接 字 基 于 UDP
协 议 , 传 输 效 率 高 。
应 用 程 序 1 应 用 程 序 2
网 络 编 程 界 面 , 例 如 Windows Sockets
图 1 FLUENT 与 MATLAB 数 据 传 输 原 理 图
FLUENT 软 件 采 用 基 于 完 全 非 结 构 化 网 格 的 有 限 体 积
法 , 能 够 很 好 的 模 拟 流 体 和 传 热 分 布 参 数 模 型 的 定 常 或 非 定
常 问 题 , 它 是 用 C 语 言 开 发 的 , 其 常 规 功 能 不 支 持 外 部 接 口 ,
但 为 用 户 提 供 了 自 定 义 函 数 (UDF), 为 FLUENT 二 次 开 发
提 供 了 条 件 。 应 用 UDF 的 可 以 实 现 定 制 模 型 边 界 条 件 、 定
义 材 料 属 性 、 定 义 表 面 和 体 积 反 应 率 、 添 加 输 运 方 程 中 的 源
项 、 自 定 义 标 量 输 运 方 程 等 功 能 , 同 时 也 支 持 Windows 库
函 数 。 因 此 , 应 用 FLUENT 的 UDF 功 能 既 可 以 定 制 和 获 取
模 型 的 系 统 参 数 , 又 能 够 编 写 接 收 和 发 送 数 据 的 通 信 函 数 。
Matlab 中 的 Simulink 软 件 包 集 动 态 系 统 建 模 、 仿 真 和
综 合 分 析 于 一 身 , 可 以 处 理 的 系 统 包 括 : 线 性 、 非 线 性 系 统 ;
离 散 、 连 续 及 混 合 系 统 ; 单 任 务 、 多 任 务 离 散 事 件 系 统 , 广
泛 地 应 用 于 控 制 领 域 。MATLAB 由 C 语 言 开 发 的 , 在
Simulink 中 提 供 了 S- 函 数 功 能 , 用 户 可 以 根 据 需 要 编 写 函
数 , 经 过 编 译 生 成 MEX 动 态 链 接 文 件 , 可 以 加 载 到 Simulink
模 块 中 。 因 此 , 通 信 函 数 可 以 通 过 S- 函 数 编 译 加 载 到
Simulink 模 块 中 。
UDP 通 信 协 议
S-Function
UDF
FLUENT
控 制 器 发 送 数 据 接 受 数 据 分 布 参 数 模 型
S-Function
UDF
UDF
接 受 数 据
发 送 数 据
获 取 模 型 被 控 量
图 2 FLUENT 与 MATLAB 接 口 实 现 示 意 图
网 络 通 信 服 务 界 面 , 例 如 TCP/IP
操 作 系 统 , 例 如 Windows
物 理 通 讯 介 质
图 3 应 用 程 序 与 WinSock 关 系 图
开 发 MATLAB/FLUENT 数 据 通 信 接 口 , 采 用 客 户 端 与
服 务 器 (C/S) 模 式 , 数 据 传 输 采 用 基 于 UDP 协 议 的 数 据 报
套 接 字 。 图 4 为 采 用 数 据 报 套 接 字 服 务 器 与 客 户 端 的 通 讯 时
序 图 , 首 先 客 户 端 和 服 务 器 端 都 要 创 建 一 个 数 据 报 套 接 字 ,
然 后 通 过 bind 函 数 绑 定 分 配 的 端 口 , 将 套 接 字 与 本 地 地 址
相 连 。 客 户 端 和 服 务 器 端 都 可 以 使 用 sendto 函 数 发 送 数 据 ,
使 用 recvfrom 函 数 接 受 数 据 , 完 成 数 据 报 的 传 递 。 发 送 数 据
时 , 发 送 方 除 指 定 本 地 套 接 字 号 外 , 还 需 指 定 接 受 方 的 套 接
字 号 , 从 而 在 数 据 发 送 过 程 中 建 立 全 相 关 [12,13] 。
服 务 器 端
客 户 端
Socket() socket() 建 立 数 据 包 套
Socket() socket() 建 立 数 据 包 套
接 字 , 返 回 套 接 字 号 s
接 字 , 返 回 套 接 字 号
bind() 将 套 接 字 号 s 与
bind() 将 套 接 字 号 s 与
本 地 地 址 相 连
本 地 地 址 相 连
recvform()/send() 在 套
recvform()/send() 在 套
服 务 请 求 / 应 答
接 字 号 s 上 读 写 数 据
接 字 号 s 上 读 写 数 据
图 2 是 FLUENT 与 MATLAB 接 口 实 现 示 意 图 , 分 别 在
S- 函 数 和 UDF 中 嵌 入 UDP 网 络 通 信 函 数 , 实 现 两 个 软 件 之
间 的 数 据 传 输 , 在 保 证 两 软 件 实 时 同 步 运 行 的 前 提 下 , 那 么
就 可 以 应 用 Simulink 强 大 的 系 统 仿 真 功 能 对 FLUENT 模 拟 的
分 布 参 数 模 型 进 行 控 制 , 即 可 实 现 对 仿 真 模 型 闭 环 反 馈 控 制 。
2 基 于 WinSock 网 络 编 程 的 FLUENT/MA
TLAB 接 口 的 实 现
2.1 WinSock 数 据 报 网 络 编 程
WinSock(Windows Socket 的 简 称 ) 是 从 UNIX 系 统 的 标
准 TCP/IP 编 程 接 口 Socket 演 变 而 来 , 采 用 WinSock 实 现 应
用 程 序 数 据 通 信 的 关 系 图 如 图 3 所 示 。WinSock 网 络 通 信 实
• 2852 •
closesocket() 关 闭 套 接
字 s, s, 服 务 结 束
图 4 无 连 接 套 接 字 应 用 程 序 时 序 图
closesocket() 关 闭 套 接
字 s, s, 结 束 对 话
由 于 默 认 情 况 下 recvfrom 函 数 处 于 阻 塞 模 式 , 在 接 受 到
数 据 前 , 程 序 将 不 会 向 下 执 行 [14] , 这 样 就 使 得 客 户 端 与 服 务
器 端 能 够 实 时 同 步 工 作 , 满 足 了 FLUENT 与 MATLAB 在 闭
环 反 馈 过 程 中 实 时 同 步 运 行 。
2.2 FLUENT 客 户 端 的 实 现
UDF 分 为 解 释 型 和 编 译 型 , 解 释 型 不 具 备 标 准 C 编 译
器 的 所 有 功 能 , 而 编 译 型 比 解 释 型 运 行 快 , 并 且 支 持 任 何
ANSI-compliant C 编 译 器 , 不 存 在 C 语 言 上 的 限 制 , 因 此 使

第 20 卷 第 11 期 Vol. 20 No. 11
2008 年 6 月 鲍 文 , 等 : 基 于 FLUENT/MATLAB 接 口 的 分 布 参 数 系 统 闭 环 控 制 仿 真 Jun., 2008
用 编 译 型 UDF 建 立 网 络 通 信 函 数 。
编 译 型 UDF 需 要 安 装 C 编 译 器 ( 例 如 VC++6.0), 一
旦 编 译 好 的 UDF 库 文 件 在 FLUENT 链 接 运 行 后 , 与 共 享 库
相 关 的 东 西 会 保 存 到 case 文 件 中 , 那 么 只 要 读 取 case 文 件 ,
编 译 的 库 文 件 会 自 动 链 接 到 FLUENT 处 理 过 程 。 编 译 型
UDF 要 在 FLUENT 安 装 目 录 下 建 立 编 译 UDF 库 目 录 结 构 ,
如 图 5 所 示 , 编 写 好 的 源 码 放 在 src 文 件 夹 下 , 把 makefile
和 user_nt.udf 两 个 文 件 复 制 到 相 应 版 本 的 目 录 下 , 用 文 本 文
件 编 译 user_nt.udf 文 件 , 设 置 SOURCES 为 编 译 好 的 用 户
自 定 义 函 数 。 在 MS-DOS 命 令 提 示 窗 口 , 键 入 nmake 建 立
目 录 , 即 可 通 过 UDF 面 板 进 行 链 接 。
libudf
src
ntx86
Udfexample.c
2d 2d_host 2d_node
makefile user_nt.udf makefile user_nt.udf makefile user_nt.udf
图 5 编 译 UDF 建 立 库 目 录 示 意 图 (Windows)
程 序 开 始
定 义 变 量
套 结 字 的 创 建 与 绑 定
创 建 绑 定 完 成
UDF 宏 获 取 取
FLUENT 模 型 被 控 量
向 服 务 端 发 送 数
据 , 并 等 待 接 收
NO
终 止 程 序
MATLAB 服 务 端
Simulink 接 收 数 据
FLUENT 迭 代 计 算
求 解 连 续 、 动 量 和
控 制 器
能 量 控 制 方 程
接 收 数 据
Simulink 发 送 数 据
充 本 地 地 址 , 然 后 绑 定 套 接 字 , 验 证 是 否 与 服 务 器 端 建 立 关
联 , 从 而 判 断 程 序 是 否 向 下 进 行 。
(2) 在 创 建 和 绑 定 套 接 字 无 误 后 , 通 过 UDF 特 定 的 宏
命 令 提 取 FLUENT 模 型 的 控 制 参 数 变 量 , 利 用 宏 命 令 可
以 获 取 位 置 坐 标 、 温 度 、 压 力 、 速 度 等 参 数 及 其 不 同 方 向
的 梯 度 , 在 本 文 的 实 例 中 用 到 ,thread_loop_f( )、begin_c
_loop( ) 和 C_T( ) 三 个 宏 函 数 , 其 中 thread_loop_f( )、
begin_c_loop( ) 作 用 是 循 环 单 元 面 和 控 制 体 , 用 C_T( ) 获
取 单 元 面 的 温 度 .
(3) 将 获 取 的 变 量 数 据 发 送 到 指 定 的 服 务 器 端 口 , 发 送
数 据 后 , 通 信 函 数 处 于 阻 塞 状 态 ,FLUENT 迭 代 计 算 不 会 向
下 运 行 , 直 到 接 受 到 MATLAB 发 送 的 数 据 。
(4) 发 送 到 Simulink 接 收 端 的 数 据 , 与 目 标 值 比 较 , 经
控 制 器 调 节 , 输 出 量 由 Simulink 发 送 端 向 FLUENT 接 收 端
口 发 送 , 并 判 定 是 否 接 收 到 数 据 。
(5) 在 确 认 接 受 无 误 后 , 通 过 UDF 宏 赋 值 到 模 型 边 界 或
其 它 模 型 属 性 , 例 如 反 应 速 率 、 材 料 特 性 等 。 本 文 实 例 中 用
到 F_PROFILE( ) 宏 函 数 把 接 收 到 的 数 据 赋 值 为 进 口 边 界 的
温 度 。
(6) 判 断 是 否 达 到 迭 代 次 数 , 如 果 迭 代 完 成 则 跳 出 循 环 ,
并 释 放 套 接 字 ; 否 则 进 入 FLUENT 流 场 求 解 计 算 , 然 后 再
调 用 UDF 通 信 函 数 。
2.3 MATLAB-Simulink 服 务 端 的 实 现
Simulink 为 用 户 提 供 了 S- 函 数 模 块 , 可 以 根 据 不 同 的
需 要 编 写 外 部 接 口 程 序 。 图 7 为 S- 函 数 的 运 行 流 程 图 ,
依 照 S- 函 数 的 编 写 格 式 , 把 套 接 字 的 初 始 化 和 绑 定 程 序
编 写 在 S- 函 数 的 初 始 化 函 数 里 , 数 据 的 接 受 和 发 送 程 序
写 在 mdlOutputs 函 数 中 , 最 后 释 放 套 接 字 。 分 别 编 写 接
收 和 发 送 S- 函 数 , 通 过 循 环 运 行 不 断 的 与 客 户 端 传 输 数 据 。
仿 真 开 始
接 收 完 成
通 过 UDF 宏 赋 值 到
控 制 边 界
NO
终 止 程 序
{
初 始 化
初 始 化
mdlInitialize Sizes Sizes
mdlInitialize Sample Times Times
NO
循 环 次 数
mdlOutputs
释 放 套 结 字
迭 代 结 束
mdlTerminate
图 6 UDF 通 信 程 序 流 程 图
UDF 函 数 的 编 写 具 有 规 定 的 格 式 , 程 序 前 要 包 含 udf.h
头 文 件 , 通 过 UDF 规 定 的 宏 命 令 读 写 模 型 参 数 。WinSock
通 信 函 数 嵌 入 在 UDF 中 , 需 包 含 stdafx.h、winsock.h、
windows.h、stdio.h、stdlib.h 几 个 头 文 件 ,UDF 通 信 程 序 流
程 如 图 6 所 示 , 基 本 步 骤 为 :
(1) 首 先 要 定 义 变 量 , 创 建 套 接 字 并 根 据 指 定 的 端 口 填
图 7 S- 函 数 的 运 行 步 骤
在 加 载 Simulink 网 络 通 信 函 数 前 首 先 运 行 mex -setup
或 mbuild -setup 命 令 来 对 编 译 环 境 进 行 设 置 , 确 定 编 译 器 为
VC+ +6.0, 然 后 对 编 写 好 的 cpp 文 件 进 行 编 译 , 生 成 动 态 链
接 库 文 件 , 即 可 加 载 到 Simulink 模 块 中 调 用 。 仿 真 采 用 定 步
长 , 设 置 Simulink 与 FLUENT 相 同 的 时 间 步 长 和 迭 代 次 数 ,
仿 真 开 始 首 先 启 动 MATLAB 服 务 端 。
• 2853 •

第 20 卷 第 11 期 Vol. 20 No. 11
2008 年 6 月 系 统 仿 真 学 报 Jun., 2008
3 算 例
为 验 证 FLUENT/MATLAB 通 讯 的 可 靠 性 , 构 建 了 混 合
器 模 型 , 如 图 8 所 示 。 混 合 器 两 进 口 初 始 温 度 分 别 为 350K
和 290K, 速 度 均 为 10m/s, 出 口 初 始 平 均 温 度 为 320.3K。
现 在 的 问 题 是 , 在 其 他 边 界 调 节 不 变 的 情 况 下 , 如 何 构 建 闭
环 仿 真 , 进 而 设 计 合 理 的 控 制 器 调 节 进 口 1 的 温 度 使 得 出 口
的 平 均 温 度 快 速 的 达 到 在 目 标 温 度 325K。
随 时 间 的 变 化 规 律 , 如 图 11 所 示 。 图 12 为 不 同 时 刻 温 度 场
的 分 布 图 , 可 以 看 出 整 个 温 度 场 的 变 化 趋 势 , 另 外 利 用
FLUENT 可 以 做 成 视 频 动 画 文 件 , 能 够 更 详 细 的 观 测 模 型 各
参 数 的 变 化 规 律 。
进 口 11
T=350K
V=10m/s
进 口 22
T=290K
V=10m/s
P1
P2
P3
P4
40cm
40cm
6cm
4cm
6cm
出 口
图 8 混 合 器 Fluent 网 格 图 (P1-P4 为 温 度 测 点 )
t=0s
图 11 不 同 测 点 温 度 变 化 曲 线
t=0.1s
应 用 MATLAB/FLUENT 接 口 技 术 , 选 用 简 单 的 PI 控 制
器 , 在 Simulink 中 搭 建 控 制 器 和 数 据 速 度 接 发 模 块 , 如 图 9
所 示 。
t=0.2s
t=0.3s
325
Constant
Gain
25
Gain1
Integrator
Scope1
Scope
S-Function2
S-Function1
t=0.4s
t=0.5s
receive
send
图 9 Simulink 仿 真 控 制 模 块
尝 试 调 节 PI 参 数 , 观 测 出 口 平 均 水 温 的 变 化 规 律 , 获
得 较 好 的 系 统 动 态 特 性 。 图 10 给 出 了 四 种 不 同 PI 参 数 被 控
量 的 变 化 规 律 , 当 Kp=1 和 Ki=25 时 , 超 调 小 , 具 有 较 好 的
动 态 特 性 , 出 口 水 温 在 0.6s 后 达 到 预 定 温 度 。
图 12 不 同 时 刻 温 度 场 分 布 图
本 例 中 不 仅 可 以 控 制 出 口 的 平 均 温 度 , 通 过 编 写 合 理 的
UDF 程 序 , 还 可 以 选 取 模 型 中 任 意 位 置 的 温 度 、 压 力 等 参
数 作 为 被 控 量 , 通 过 网 络 通 信 与 Simulink 传 输 数 据 , 同 样 调
节 量 可 以 是 某 边 界 的 温 度 、 压 力 或 速 度 等 , 也 可 以 设 置 多 参
数 调 节 。 由 此 可 知 ,FLUENT/MATLAB 技 术 适 用 于 更 复 杂
的 分 布 参 数 系 统 , 可 以 推 广 到 更 广 泛 的 应 用 领 域 。
4 结 论
本 文 针 对 该 分 布 参 数 模 型 建 模 难 的 问 题 , 结 合 CFD 仿
真 软 件 FLUENT 和 系 统 仿 真 软 件 MATLAB 各 自 的 优 点 , 根
据 网 络 通 信 原 理 , 开 发 了 FLUENT/MATLAB 接 口 , 有 效 合
理 的 结 合 了 两 软 件 的 优 点 , 建 立 了 分 布 参 数 模 型 闭 环 控 制 快
图 10 出 口 平 均 温 度 变 化 曲 线
速 原 型 的 仿 真 平 台 , 为 研 究 分 布 参 数 模 型 闭 环 控 制 仿 真 提 供
同 时 , 当 Kp=1 和 Ki=25 时 , 在 混 合 器 模 型 的 中 线 上 选 了 研 究 平 台 , 算 例 仿 真 验 证 了 该 方 法 的 可 行 性 与 实 用 性 , 可
取 四 个 温 度 测 点 , 在 FLUENT 中 设 置 观 测 器 记 录 测 点 温 度 以 推 广 到 更 广 泛 的 应 用 领 域 。
• 2854 •
( 下 转 第 2858 页 )

第 20 卷 第 11 期 Vol. 20 No. 11
2008 年 6 月 系 统 仿 真 学 报 Jun., 2008
Simulink 设 计 某 一 实 验 对 象 模 型 , 充 当 辨 识 对 象 , 仿 真 真 实
的 实 验 对 象 即 可 。 而 这 里 的 关 键 是 构 造 仿 真 对 象 的 数 学 模
型 。 一 旦 模 型 确 定 , 仿 真 的 实 验 对 象 就 有 了 。 由 于 不 需 要 真
实 设 备 , 整 个 实 验 不 需 要 购 买 设 备 , 因 此 可 大 大 节 省 设 备 投
入 资 金 。 这 也 是 虚 拟 辨 识 实 验 的 一 大 优 势 。
引 擎 文 件 包 括 辨 识 对 象 的 模 型 文 件 和 辨 识 函 数 文 件 。 辨
识 函 数 文 件 将 由 VLabServer 调 用 , 来 控 制 仿 真 的 过 程 。 在
此 我 们 以 文 献 [7] 中 提 到 的 水 槽 对 象 为 仿 真 辨 识 对 象 。 此 辨
识 对 象 由 三 个 液 位 对 象 即 三 个 透 明 有 机 玻 璃 液 位 槽 组 成 。 它
们 可 单 独 工 作 , 也 可 以 串 联 工 作 。 一 个 水 槽 可 以 看 成 一 阶 惯
性 系 统 , 三 个 水 槽 的 串 联 可 以 看 成 三 个 一 阶 惯 性 环 节 串 联 而
成 。 模 型 如 图 7。
所 设 计 的 子 实 验 名 称 。 在 辨 识 实 验 中 , 它 共 有 AUTOCHECKING、
SAMPLEDATA 、 IDENTIFICATION 、 模 型 阶 次 、
DATAPREPROCESS、MODELCOMPARE 六 个 子 实 验 名 。
para1、para2、…、para7 为 参 数 列 表 。 由 于 每 个 子 实 验 调 用
labtank 函 数 时 所 用 的 参 数 个 数 不 一 样 , 因 此 其 数 量 取 决 于 参 数
最 多 的 子 实 验 。
4 结 论
本 文 介 绍 了 系 统 辨 识 虚 拟 实 验 平 台 的 软 硬 件 结 构 、 系 统
辨 识 客 户 端 程 序 设 计 ,VLabServer 虚 拟 实 验 服 务 器 程 序 设
计 和 科 学 计 算 引 擎 文 件 设 计 等 。 由 于 采 用 B/S 结 构 , 用 户 能
随 时 随 地 (Any Time and Any Where) 通 过 因 特 网 访 问 系 统 。
系 统 集 客 户 端 程 序 、WEB 服 务 器 、 虚 拟 实 验 服 务 器 和
Matlab/Simulink 为 一 体 , 构 建 了 一 个 切 实 可 行 的 辨 识 虚 拟 实
验 平 台 。 平 台 具 有 较 强 的 扩 展 能 力 , 增 加 实 验 对 象 的 模 型 文
件 , 就 可 增 加 辨 识 实 验 数 量 。 三 阶 水 槽 对 象 的 辨 识 虚 拟 实 验
的 实 现 , 验 证 了 平 台 设 计 的 可 行 性 。
参 考 文 献 :
图 7 M 序 列 信 号 输 入 三 阶 水 槽 模 型
为 了 适 应 对 象 辨 识 过 程 的 反 复 性 及 辨 识 算 法 的 多 样 性 ,
辨 识 函 数 文 件 分 为 主 函 数 文 件 和 算 法 函 数 文 件 。 主 函 数 文 件
只 有 一 个 , 算 法 函 数 文 件 有 多 个 。VLabServer 虚 拟 实 验 服
务 器 中 设 置 多 个 子 实 验 。 实 验 时 每 个 子 实 验 调 用 其 对 应 的 算
法 函 数 文 件 。 并 且 , 每 个 实 验 所 需 要 的 参 数 , 由 主 函 数 文 件
统 一 传 递 。 主 函 数 的 定 义 如 下 式 :
function[A,B,C,D,E,F,G]=labtank(subLabName, para1, para2,
para3, para4, para5, para6, para7 )
其 中 :labtank 为 主 函 数 名 , 这 个 函 数 名 将 在 虚 拟 实 验 服 务
器 配 置 中 使 用 。SubLabName 为 子 实 验 名 , 这 个 名 字 对 应 客 户
[1] C C Ko, B M Chen, S H Chen, V Ramakrishnan, R Chen, S Y Hu, Y
Zhuang. A large scale web-based virtual oscilloscope laboratory
experiment [J]. IEEE Engineering Science and Education Journal
(S0963-7346), 2000, 9(2): 69-76.
[2] C C Ko, B M Chen, J Chen, Y Zhuang, K C Tan. Development of a
web-based laboratory for control experiments on a coupled tank
apparatus [J]. IEEE Transactions on Education (S0018-9359), 2001,
44(1): 87-104.
[3] 李 仁 发 , 李 方 敏 . 虚 拟 实 验 室 网 络 体 系 结 构 研 究 [J]. 系 统 仿 真 学
报 , 2002, 14(3): 359-362, 393.
[4] 刘 萍 先 , 俞 立 , 杨 马 英 , 郑 笑 建 . 控 制 系 统 网 络 虚 拟 实 验 室 方 案
设 计 [J]. 计 算 机 仿 真 , 2004, 21(2): 151-154.
[5] 郑 笑 键 , 杨 马 英 , 刘 萍 先 . 控 制 系 统 网 络 虚 拟 实 验 室 [J]. 计 算 机
工 程 与 应 用 , 2004, 40(10): 146-149.
[6] 方 崇 智 , 萧 德 云 . 过 程 辨 识 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 2002.
[7] 谢 启 . 预 测 函 数 控 制 技 术 及 其 应 用 研 究 [D]. 浙 江 工 业 大 学 硕 士 学
位 论 文 , 2002.
( 上 接 第 2854 页 )
参 考 文 献 :
[1] 陈 红 , 何 祖 威 . 一 维 流 体 相 变 过 程 的 统 一 分 布 参 数 模 型 及 数 值 仿
真 方 法 [J]. 系 统 仿 真 学 报 ,2005, 17(3): 571-573.
[2] 于 达 仁 , 崔 涛 , 鲍 文 . 高 超 声 速 发 动 机 分 布 参 数 控 制 问 题 [J]. 航
空 动 力 学 报 ,2004, 19(2): 259-264.
[3] 宣 宇 清 , 胡 益 雄 . 基 于 分 布 参 数 的 房 间 空 调 蒸 发 器 的 数 学 模 型 及
其 仿 真 研 究 [J]. 制 冷 与 空 调 , 2004, 3(4): 32-35.
[4] 初 云 涛 , 周 怀 春 . 蒸 发 系 统 分 布 参 数 特 性 动 态 仿 真 研 究 [J]. 中 国
电 机 工 程 学 报 ,2006, 26(11): 17-22.
[5] 董 芄 , 洪 梅 , 秦 裕 琨 . 大 型 煤 粉 锅 炉 炉 膛 传 热 工 程 化 三 维 数 值 计
算 方 法 及 其 应 用 [J]. 动 力 工 程 ,2000, 20(2): 606-610.
[6] 朱 金 荣 , 章 臣 樾 . 直 流 锅 炉 炉 内 传 热 及 蒸 发 工 况 的 实 时 数 学 模 型
[J]. 中 国 电 机 工 程 学 报 , 1991, 11(1): 63-72. (Zhu Jingrong, Zhang
Chenyue. A Real-Time Mathematical Model for the Heat Transfer in
The Furnace and The Evaporating Condition of An Once-Through
Boiler [J]. Proceedings of the CSEE, 1991, 11(1): 63-72. (in Chinese).)
[7] Niu Z S, Wong K V. Adaptive simulink of boiler unit performance [J].
Energy Conversation Management, 1998, 39(13): 1383-1394.
[8] 赵 兴 艳 , 苏 莫 明 . CFD 方 法 在 流 体 机 械 设 计 中 的 应 用 [J]. 流 体 机
械 ,2000, 28(3): 22-25.
[9] Kai Zhang, Jiyu Zhang, Biiang Zhang. CFD Model of Dense
Gas2solid Systems in Jetting fluidized Beds. [J]. Chemical Research
in Chinese Universities, 2002, 18(2): 117-120.
[10] 黄 焕 , 黄 赞 . 一 种 基 于 TCP 协 议 的 点 对 点 通 信 方 法 [J]. 计 算 机 与
现 代 化 , 2005, 9: 62-64.
[11] 胡 延 平 , 陈 志 刚 , 王 志 春 , 王 建 新 . 基 于 UDP 协 议 的 语 音 聊 天 系
统 的 设 计 与 实 现 [J]. 计 算 机 工 程 与 设 计 , 2002, 23(12): 58-60.
[12] 庞 文 尧 . 基 于 C/S 模 式 的 远 程 控 制 系 统 研 究 开 发 [D]. 浙 江 大 学 ,
2003, 38-40.
[13] 冯 长 江 , 古 兆 兵 , 赵 月 飞 , 赵 盼 . 基 于 WinSock 的 远 程 控 制 技 术
的 研 究 [J]. 仪 表 技 术 ,2006, 1: 44-47.
[14] 殷 肖 川 , 刘 志 宏 , 姬 伟 锋 , 万 映 辉 . 网 络 编 程 与 开 发 技 术 [M]. 西
安 : 西 安 交 通 大 学 出 版 社 . 2003.
• 2858 •