TRNSYS新建部件 C++實現計算 VS編譯靜態庫測試

本文轉載自查看原文 2021-04-16 21:44 402 數學建模/ CPP/ TRNSYS/ 仿真

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筆者最近在參加一個與自己專業幾乎不相關的競賽，這個競賽project的選題與中央空調運行參數的節能優化有關。由於筆者及他的項目組並無財力購置一套中央空調系統，且幾乎不會有某個單位的中央空調會出借給一個~~極其不專業的團隊~~做實地試驗，因此，對於空調系統的數學建模和仿真是必要的。

在前期文獻調研的過程中，注意到有兩篇論文~~完美地做出了我們要做的東西~~與我們的方向比較吻合，而它們均用一個名為TRNSYS的軟件實現他們的數學模型。於是筆者和他的項目組一拍腦袋，決定也用這個軟件實現我們~~抄下來~~的數學模型。在安裝、配置好這個TRNSYS軟件后，筆者和他的項目組遇到了他們宿命的問題：這個軟件咋用？

【摘要】

本文主要包含如下內容：

如何在TRNSYS下新建一個部件？怎樣設置部件的I/O變量？
如何使用C++為部件編寫計算流程並導入TRNSYS？~~看到fortran我頭都大了~~
如何測試新建的部件是否可以運行？（之后更）

【0. 運行環境】

操作系統：Windows10 專業版 20H2 x64 19042.928

TRNSYS：18.02.0002

Visual Studio：Visual Studio Community 2019 版本 16.8.6

【1. 新建部件】

打開Simulation Studio，點擊File->New，顯示如下對話框。選擇New Component(TRNSYS TYPE)，這代表新建一個TRNSYS部件。

事實上，這里的“部件”就是一個數學模型，它可以類比為面向對象程序設計中“類”的概念。而在具體的仿真項目中，如果指定仿真所需的參數，這些數學模型就可以被實例化為一個個“對象”，而不同的“對象”之間可以通過input和output實現交互，完成仿真任務。

設置TYPE NUMBER

如下所示就是新建部件的窗口，在這里我們需要關注的地方是TYPE NUMBER，其實就是數學模型的識別號碼。識別號碼的選擇是隨意的，但是需要注意的是：不要與TRNSYS庫中已有模型的識別號碼重復，否則在后續的運行過程，可能無法正確調用你自己編寫的模型。

如果有閑心，把部件名，作者，創建日期啥的改一改也挺好。

提示：可以利用Windows自帶的文件搜索功能查看TRNSYS內置的模型的TYPE NUMBER。首先轉到TRNSYS安裝目錄下，搜索TYPE*.tmf，即可列出所有內置類型的TYPE NUMBER，自定義時小心避開即可。

設置變量

接下來，就要設置這個模型包含的變量了。如上圖所示，單擊Variable選項卡頂端的Variables (Parameters, Inputs, Outputs and Derivatives)。出現如下圖所示的變量定義窗口，此時就可以為模型添加變量了。

筆者使用一種較為原始的方法添加變量——那就是一個一個地輸入。如果有什么更好的方法歡迎留言qaq。

還是把笨辦法講一遍吧：點擊add新建一個變量，然后點擊modify來修改變量的屬性。

各個屬性的說明如下：

Name：變量名
Symbol：變量符號（沒有改過）
Role：控制變量的輸入輸出性質。我們關注變量有三類：input（輸入）、output（輸出）和parameter（內部參數）。輸入和輸出是不同模型之間交互的橋梁，而內部參數則代表了模型本身的特性。
Type：變量的數據類型。可選實數型(real)，整數型(integer)，布爾型(boolean)或是字符串(string)。
Dimension：變量所代表的物理量。如pic所示，這一欄有很多可選項，例如溫度、流量、功率等。
Units：描述Dimension物理量所用的單位制。感覺Dimension和Units主要是方便人類使用者記憶而設置的屬性。可能或許還帶一點類型檢查和單位轉換的功能在里面。畢竟對於機器而言，數據只是數字而已。
Minimum，Maximum和Default Value：字面意思啦。

保存

把上述Type Number和Variables設置好，就可以保存了。點擊File->Save，將部件的tmf文件保存在方便調用的地方。保存完成后不要急着關閉窗口，下一步有用。

【2. 編寫計算程序】

在上一步創建模型的過程中，我們只是定義了模型的外部框架，而內部計算過程則沒有涉及。

那么如何把計算過程嵌入模型呢？TRNSYS通過從外部加載函數庫（DLL）的方式完成模型內部的計算。當然，對於TRNSYS庫中自帶的模型，官方已經寫好並打包好函數庫了，因此在軟件中可以直接使用這些庫。而自己建立的模型就必須由自己來完成寫代碼、編譯打包的工作了。

導出程序骨架

在上一步保存文件之后，不要關閉（當然關閉了再打開也沒問題），點擊File->Export as...->C++就可以生成該模型的C++骨架。為了方便，我們可以把生成的C++骨架文件改名為TYPEX.cpp。其中X即為設置的TYPE NUMBER。

在開始編程之前，我們可以先來研究一下這個骨架的結構。

程序骨架的結構

忽略掉注釋、函數體等細節，我們的文件結構大概是這樣的：

#include <cmath>
#include <fstream>
#include <algorithm>

#include "TRNSYS.h"

extern "C" __declspec(dllexport) void TYPEX(void) {...}

我們可以發現，模型導出的C++骨架實質上就是一個函數庫的源代碼。函數名TYPEX中的X就是在上一步設置的TYPE NUMBER。

據此我們也可以猜測，當模型需要進行運算時，TRNSYS就會在庫中尋找對應的TYPEX()函數，完成運算過程。這也解釋了為什么TYPE NUMBER不能重復。因為如果模型的TYPE NUMBER相同，對應函數名也會相同，TRNSYS就可能會調用錯誤的函數。

然后，我們展開函數細讀，發現函數體就是做了一些准備工作。比如說當第一次調用該函數（仿真開始）時做好初始化，最后一次調用函數（仿真結束）時要做什么清理工作之類的。

在函數體的末尾，我們可以發現輸入變量和輸出變量已經被定義而且獲取了：

//ReRead the Parameters if Another Unit of This Type Has Been Called Last
    index = 1; param1 = getParameterValue(&index);
    index = 2; param2 = getParameterValue(&index);

//Get the Current Inputs to the Model
    index = 1; input1 = getInputValue(&index);    
    index = 2; input2 = getInputValue(&index);

於是我們就可以愉快地直接使用定義好的input和parameter型的變量了。

之后可以看到這樣一段注釋：

// Perform All of the Calculations Here
// TODO:add algorithm
// double result1=42;
// index = 1;
// setOutputValue(&index, &result1);

這段話的意思是：在這里進行模型內部所有的運算。還給了一段很簡單的示例代碼，示范了如何設置模型的輸出：

double result1 = 42;
index = 1;
setOutPutValue(&index, &result1);

可以看到，關鍵點就是setOutputValue()函數，其中index參數為需要設置輸出的序號，result1參數為需要設置的值。

接下來就愉快地搬磚吧～

【3. 編譯計算程序】

創建VS項目

首先打開Visual Studio，選擇“創建新項目”，在接下來進入的頁面中，選擇“空項目”，設置好名稱，項目就建好了。為了方便，建議設置項目名稱為“TYPEX”。

細心的讀者可能會發現，在創建新項目時，我們也可以選擇“動態鏈接庫(DLL)”這一選項來新建一個目標為dll文件的項目。可能這些讀者會有這樣的疑問：為什么不選擇這一項呢？當然，選擇這一類項目也能達到我們的目標。但是在建好的項目中，微軟會給你“貼心”地准備一些不需要的文件。例如預編譯頭pch.h，如果保留它，項目就顯得不那么整潔；如果不保留它，還要在項目選項中額外選擇一項“不使用預編譯頭”選項，否則就可能會編譯錯誤。因此，與其接受冗余的方便，不如自己配置一個空項目來得清晰。當然這只是筆者的一種偏好。

准備必要的文件

由於選擇時選擇的是“空項目”，因此我們得到的項目中沒有頭文件，也沒有源文件。此時就需要我們自己導入或是新建源文件和頭文件。在這里筆者選擇的方式是新建空的源文件和頭文件，之后再用自己的文件替換掉這些空文件。

首先，我們需要添加空的TRNSYS.h和TYPEX.cpp文件到VS項目中。這么做的目的是讓Visual Studio為這兩個文件建立索引，以便在編譯時找到它們。

添加頭文件

在右側“解決方案資源管理器”窗口中，右鍵單擊“頭文件”，選擇添加->新建項（如pic）。然后在彈出的窗口之中選擇“頭文件”，在“名稱”一欄中，改名叫TRNSYS.h即可。

添加源文件

在右側“解決方案資源管理器”窗口中，右鍵單擊“源文件”，選擇添加->新建項（如pic）。然后在彈出的窗口之中選擇“C++文件”，在“名稱”一欄中，改名叫TYPEX.cpp即可，注意TYPEX.cpp就是之前生成的C++骨架文件名，X是TYPE NUMBER。

然后，就是復制文件的過程了。將剛剛由TRNSYS生成的TYPEX.cpp骨架和TRNSYS自帶的TRNSYS.h頭文件拷貝到VS項目下，覆蓋掉Visual Studio生成的兩個同名空文件。TYPEX.cpp好找，而TRNSYS.h不好找。為了查找TRNSYS.h，我們來到TRNSYS的安裝目錄下，利用Windows自帶的文件搜索功能搜索TRNSYS.h。最終，在TRNSYS18/SourceCode/Templates/下找到了。直接在搜索結果里復制就行啦。

復制完兩個文件后，項目目錄就長這樣。

為了正確編譯我們的庫，還需要復制TRNSYS的二進制庫文件。因為TRNSYS.h中只有一些函數接口的聲明（例如setOutputValue()），而這些函數接口的定義依賴於外部的運行庫文件。為了調用這些函數接口，我們還需要找到對應的運行庫，並把它們引入到項目中來。

費盡九牛二虎之力，筆者終於了解到需要引入的運行庫是TRNDll64.lib和TRNDll64.dll這兩個文件。通過文件搜索，筆者查找到這兩個文件位於TRNSYS18/Compilers/TRNSYS/TRNDll/x64/Release和TRNSYS18/Compilers/TRNSYS/TRNDll/x64/Debug目錄下。兩者的區別是前者不能用於Debug而速度快，而后者能用於Debug而速度慢。由於我們編寫的都是簡單的數值計算，所以筆者建議選擇Release目錄下的文件。將這些文件拷貝到項目目錄下即可。