超級跑車HVAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的密切協(xié)作不僅有助于學(xué)生提升基本技能，還在設(shè)計(jì)新系統(tǒng)、將其集成到創(chuàng)新產(chǎn)品中并將這些產(chǎn)品推向市場方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。最近由 EMA Global Engineering、都靈理工大學(xué)和 MathWorks 協(xié)作完成的車輛暖通空調(diào) (HVAC) 項(xiàng)目就是一個(gè)典范。

一家意大利汽車制造商需要一款 HVAC 系統(tǒng)的控制器，以用于下一代超級跑車。這款價(jià)值數(shù)百萬美元的汽車配備定制發(fā)動機(jī)，能夠快速加速到 230 英里/小時(shí)（370 公里/小時(shí)）以上。鑒于 EMA Global Engineering 在為面向利基市場的汽車制造商設(shè)計(jì)和開發(fā)系統(tǒng)方面具有豐富的專業(yè)知識，制造商聘請了他們來開發(fā)控制軟件。

除了現(xiàn)代車輛 HVAC 系統(tǒng)自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和眾多子系統(tǒng)外，該項(xiàng)目關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是開發(fā)在汽車或 HVAC 系統(tǒng)本身可用之前就需要開始。EMA Global Engineering 首席技術(shù)官 Mirko Zanotel 將本次挑戰(zhàn)視為其工程團(tuán)隊(duì)擴(kuò)展使用基于模型的設(shè)計(jì)的良機(jī)。具體來說，就是在做出硬件之前使用物理模型對控制器進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

Zanotel 聯(lián)系了 Massimo Violante 教授，提出進(jìn)行協(xié)作。Violante 教授在附近的都靈理工大學(xué)講授基于模型的設(shè)計(jì)相關(guān)課程。Violante 建議讓他的研究生 Gianluca Aquaro 開發(fā)車輛 HVAC 系統(tǒng)的物理模型作為碩士論文的一部分。他認(rèn)為讓該協(xié)作成功的所有要素均已就位?！癊MA Global Engineering 的問題能夠清晰的被定義并通過基于模型的設(shè)計(jì)來解決，”他解釋道?！癆quaro 本就有興趣與一家公司協(xié)作來完成他在此領(lǐng)域的碩士論文，而且 MathWorks 也準(zhǔn)備好了提供所有必要的支持。”

在接下來的幾個(gè)月里，Aquaro 使用 Simulink 和 Simscape 開發(fā)了 HVAC 系統(tǒng)的詳細(xì)模型。該模型涵蓋六個(gè)不同物理域：氣體、熱液體、熱、兩相流體、濕氣和機(jī)械。該模型讓 EMA Global Engineering 能夠在各種工作場景下通過仿真來標(biāo)定、優(yōu)化和實(shí)際測試 HVAC 控制系統(tǒng)的性能。這種方法不僅能夠最大限度地減少系統(tǒng)在超級跑車上的測試時(shí)間，還能夠縮短整體開發(fā)時(shí)間，從而使 EMA Global Engineering 能夠快速響應(yīng)制造商將來的改動請求，例如，為在異常炎熱或寒冷氣候下運(yùn)行的車輛優(yōu)化 HVAC 系統(tǒng)和控制參數(shù)。

通過參考示例快速開始模型開發(fā)

Aquaro 在入手此項(xiàng)目時(shí)，已從 Violante 教授的基于模型的設(shè)計(jì)課程和都靈理工大學(xué)的其他課程中獲得了 MATLAB 和 Simulink 的使用經(jīng)驗(yàn)。但是，他在物理建模和 Simscape 方面的經(jīng)驗(yàn)相對較少。首先，Aquaro 研究了 Simscape 附帶的車輛 HVAC 系統(tǒng)示例。該示例對潮濕空氣流經(jīng)再循環(huán)風(fēng)門、風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、混合門和加熱器，再返回車室的過程進(jìn)行了建模（圖 1）。

圖 1. HVAC 系統(tǒng)的示例模型。

盡管此模型需要修改和擴(kuò)展才能符合超級跑車的獨(dú)特規(guī)范，但它可以作為論文和整個(gè)項(xiàng)目工作的重要起點(diǎn)。Violante 認(rèn)為，有示例模型作為起點(diǎn)非常重要，因?yàn)閷W(xué)生從頭開始開發(fā)這樣的模型至少需要六個(gè)月的時(shí)間，這樣就沒有時(shí)間來完成實(shí)際論文工作。

模型增強(qiáng)

Aquaro 根據(jù)超級跑車制造商提供的風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、管道和其他組件的數(shù)據(jù)表，從調(diào)整模型參數(shù)開始更新參考模型。他還以多種方式擴(kuò)展和增強(qiáng)了模型，包括納入其他物理域，并用更詳細(xì)的、更能準(zhǔn)確地反映制造商計(jì)劃使用的組件的動態(tài)特性的替代方案替換單個(gè)子系統(tǒng)（圖 2）。

圖 2. 完整的頂層車輛 HVAC 模型。

更換蒸發(fā)器模塊是 Aquaro 對原始模型進(jìn)行的關(guān)鍵修改之一。此模塊與壓縮機(jī)和冷凝器模塊一起用于制冷劑循環(huán)（圖 3）。Aquaro 用一個(gè)完整子系統(tǒng)取代了最初僅基于冷卻溫度作為輸入對蒸發(fā)器行為進(jìn)行仿真的模塊。該子系統(tǒng)考慮管道內(nèi)的冷卻空氣，并使用兩相液體域?qū)Τ壟苘囍惺褂玫?R-1234yf 制冷劑的屬性進(jìn)行建模。

圖 3. 制冷劑循環(huán)模型。

實(shí)現(xiàn)建模規(guī)范和測試框架

在 Violante 教授的鼓勵(lì)下，Aquaro 在開發(fā) HVAC 系統(tǒng)模型時(shí)采用了多種行業(yè)做法。例如，他遵循了 MathWorks Advisory Board 咨詢委員會 (MAB) 建模規(guī)范以提高模型的可讀性和可重用性，使 EMA Global Engineering 的其他工程師更容易理解其工作原理并將其改造用于其他項(xiàng)目。

Aquaro 還生成了一組測試框架，用于運(yùn)行 HVAC 系統(tǒng)模型中組件的基于仿真的測試。Aquaro 使用 Simulink Test 生成這些框架，他還使用了該產(chǎn)品中的測試管理器來管理和執(zhí)行各種場景下的模型測試（圖 4）。作為測試計(jì)劃的一部分，Aquaro 在 Simulink 中創(chuàng)建了一個(gè)簡單的控制模型，然后他將其與在 Simscape 中開發(fā)的被控對象模型結(jié)合起來創(chuàng)建了系統(tǒng)級模型，用于運(yùn)行閉環(huán)測試。他還使用 MATLAB 和 Simulink 工程在單一環(huán)境中組織所有這些模型以及測試和測試結(jié)果。

圖 4. 為單個(gè)組件生成的測試框架（左）和測試管理器中顯示的測試結(jié)果（右）。

作為測試模型的工作流的一部分，Aquaro 運(yùn)行了大量仿真，重點(diǎn)驗(yàn)證加熱、冷卻和管道（氣流）子系統(tǒng)的性能。然后，他使用 MATLAB 對仿真結(jié)果進(jìn)行了后處理和可視化（圖 5）。

圖 5. R-1234yf 制冷劑屬性的可視化。

車輛測試和后續(xù)步驟

當(dāng)超級跑車制造商制造出可供測試的原型車時(shí)，EMA Global Engineering 的工程師已準(zhǔn)備好立即測試他們根據(jù) Simscape 模型調(diào)節(jié)的控制設(shè)計(jì)。汽車原型可用后，Aquaro 將模型的仿真結(jié)果與實(shí)際 HVAC 系統(tǒng)的測量結(jié)果進(jìn)行了比較（圖 6），并確定了影響仿真準(zhǔn)確性的二階效應(yīng)，例如車速對管道中氣溫的影響。

圖 6. 車輛行駛時(shí)冷卻（上圖）和加熱（下圖）子系統(tǒng)的測量溫度和仿真溫度的比較。

EMA Global Engineering 工程師根據(jù)這些車輛測試的結(jié)果對控制參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)，現(xiàn)在該控制系統(tǒng)已經(jīng)在超級跑車生產(chǎn)版本的 ECU 上運(yùn)行。獲得碩士學(xué)位后，Aquaro 入職 EMA Global Engineering，繼續(xù)在該公司從事模型和其他基于模型的設(shè)計(jì)項(xiàng)目工作。

展望未來，EMA Global Engineering 可以在以后推出的超級跑車版本中重用 HVAC 模型，只需根據(jù)需要在 Simulink 模型工作區(qū)中調(diào)整參數(shù)即可（圖 7）。

圖 7. 模型工作區(qū)中可修改的 HVAC 系統(tǒng)參數(shù)。

Zanotel 指出，除了模型本身，協(xié)作中使用的整套方法讓公司處于領(lǐng)先地位。“此項(xiàng)目是 EMA Global Engineering 與 MathWorks 和都靈理工大學(xué)協(xié)作應(yīng)用最先進(jìn)的汽車工程方法的絕佳機(jī)會，我們現(xiàn)在可以繼續(xù)沿襲這種方法?！?/p>

而在中國，面向全國高等學(xué)校開放的教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目——教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革（MATLAB 專題）已獲批準(zhǔn)通過。歡迎感興趣的老師抓緊最后的時(shí)間，完成申請?zhí)峤弧?/p>

關(guān)于作者

Jordi Villar Venini 是 MathWorks 的應(yīng)用工程師。

Massimo Violante 是意大利都靈理工大學(xué)控制和計(jì)算機(jī)工程系的副教授。他的研究興趣包括任務(wù)和安全關(guān)鍵型應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，尤其是在航空航天和汽車行業(yè)。

Mirko Zanotel 是 EMA Global Engineering 的首席技術(shù)官。

Gianluca Aquaro 在都靈理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)在是 EMA Global Engineering 的軟件開發(fā)人員。

審核編輯：湯梓紅