PDF《基于 FLUENT/MATLAB 接口的分布参数系统闭环控制仿真》

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 ?

2851 ? 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 引言1 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. 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