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自动气候控制系统仿真

此示例说明如何使用 Simulink® 和 Stateflow® 对汽车中自动气候控制系统的工作进行仿真。您可以输入车内空气要达到的温度值,方法是双击 User Setpoint in Celsius 模块并输入温度值。您也可以用类似方式设置 External Temperature in Celsius 值。在模型右侧的数值显示中,显示安装在驾驶员头部后面的温度传感器的读数。这是驾驶员感受到的温度。当模型运行且气候控制处于活动状态时,此显示框的值会发生变化以显示车内温度的变化。

图 1:自动气候控制系统。

Stateflow® 控制器

此监督控制器在 Stateflow 中实现。双击 Stateflow 图会显示此监督控制逻辑的工作原理。

Heater_AC 状态显示,当您输入的设定值温度比车内当前温度高至少 0.5 摄氏度时,加热器系统将打开。加热器将保持活动状态,直到车内的当前温度在设定温度的上下 0.5 摄氏度范围内。同样,当用户输入比当前汽车温度低 0.5 摄氏度(或更低)的设定值时,空调将打开并保持活动,直到汽车中的气温在设定值温度上下 0.5 摄氏度范围内,之后空调系统将关闭。已实现 0.5 摄氏度的死区,以避免连续切换问题。

Blower 状态下,设定值温度和当前温度之间的差值越大,风扇吹得越强劲。这可确保温度在合理时间内达到要求的值(即使存在温差)。同样,当汽车内的气温在设定温度上下 0.5 摄氏度范围内时,系统将关闭。

Air Distribution(AirDist) 和 Recycling Air States(Recyc_Air) 由触发 Stateflow 图的两个开关控制。系统在这两种状态下实现了内部转移,以便在需要时对车窗进行有效除霜。当除霜状态激活时,空气循环功能关闭。

图 2:Stateflow 中的监督控制逻辑。

加热器和空调模型

加热器模型是根据如下所示的加热器交换器方程建立的:

Tout = Ts - (Ts-Tin)e^[(-pi*D*L*hc)/(m_dot*Cp)]

其中:

  • Ts = 常量(散热器壁温)

  • D = 0.004m(通道直径)

  • L = 0.05m(散热器厚度)

  • N = 30000(通道数)

  • k = 0.026 W/mK = 常量(空气的热导率)

  • Cp = 1007 J/kgK = 常量(空气的比热)

  • 层流 (hc = 3.66(k/D) = 23.8 W/m2K)

此外,还会考虑加热器挡板的影响。与吹风机的运行类似,所需设定值温度和车内当前温度之间的温差越大,加热器挡板打开的越多,加热效果越大。

空调模型是基于以下方程建立的:

y*(w*Tcomp) = m_dot*(h4-h1)

其中:

  • y = 效率

  • m_dot = 质量流量

  • w = 发动机的转速

  • Tcomp = 压缩机扭矩

  • h4、h1 = 焓

此处我们有空调系统的 Bang-Bang 控制,其中从空调吹出的气温由发动机转速和压缩机扭矩确定。

图 3:加热器控制子系统。

图 4:空调控制子系统。

车舱内的热传递

驾驶员感受到的气温受下列所有因素的影响:

  • 通风口吹出的气温

  • 室外气温

  • 车内人数

这些因素是车舱内部的热力学模型的输入。我们通过计算通风口气温和车内当前温度之间的差,并将其乘以风扇速度比例(质量流量),来考虑从通风口吹出的气温。然后针对车内每个乘客增加 100W 的能量。最后,车外气温和车内气温之间的差值乘以较小的质量流量,以计算从车外到车内的空气辐射。

内部动态模型的输出馈送到显示模块,作为安装在驾驶员头部后面的传感器读取的温度的测量值。如果使用默认设置运行仿真,温度读数从车外温度 18 °C 开始,然后冷却至用户设定值 9 °C。

图 5:时间-温度计显示图

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