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自動車の電気と室温調節システム
この例では、電気システムを備えた自動車の室温調節システムをモデル化する方法を示します。モデルを使用して、自動車の電気システム全体に対する室温調節システムの負荷の影響を調べます。
室温調節システム
室温調節システム モデルを開くには、ClimateControlSystem
サブシステムをダブルクリックします。以下の設定を指定できます。
車内温度 –
UserSetpointInCelius
ブロックという名前の Subsystem ブロック。温度の値を入力します。車外温度 –
ExternalTemperatureInCelius
という名前の Subsystem ブロック。温度の値を入力します。
Thermometer Display という名前の Display ブロックは、運転席頭部の後ろに設置されたセンサーの温度測定値を提供します。モデルは室温調節がアクティブなときに実行されるため、ここで示される測定値は運転者が感じる温度です。
Stateflow® コントローラー
この調節システムは、Stateflow® で実装されます。Temperature Control という名前の Stateflow チャートをダブルクリックして、監視制御ロジックの実装を表示します。
Heater_AC
ステートは、設定点温度が車内の現在温度より 0.5℃以上高いと、ヒーター システムがオンになることを示しています。ヒーターは、現在の車内温度が設定点温度の 0.5℃以内になるまでアクティブなままになります。設定点が現在の車内温度より 0.5℃以上下回ると、エアコンがオンになり、車内温度が設定点温度の 0.5℃以内に到達するまでアクティブなままになります。連続切り替えの問題を回避するために、チャートでは 0.5℃の不感帯が実装されています。
Blower
ステートでは、送風機の出力は、設定点温度と現在温度の差に比例しています。これにより、温度差に関係なく、妥当な時間内に温度が確実に必要値に到達します。車内温度が設定点温度の 0.5℃以内になると、システムはオフになります。
空気分配 (AirDist
) と空気再循環 (Recyc_Air
) は、Stateflow チャートをトリガーする 2 つのスイッチによって制御されます。ウィンドウの除霜を促進するために、このチャートではこれら 2 つのステート間で内部遷移が実装されています。除霜ステートがアクティブになると、チャートは空気の再循環をオフにします。
ヒーター モデルとエアコン モデル
ヒーター モデルは、次に示す熱交換器の方程式から作成されています。
Tout = Ts - (Ts-Tin)e^[(-pi*D*L*hc)/(m_dot*Cp)]
ここで、
Ts = 定数 (ラジエーター壁面温度)
D = 0.004m (チャネル直径)
L = 0.05m (ラジエーターの厚さ)
N = 30000 (チャネル数)
k = 0.026 W/mK = 定数 (空気の熱伝導率)
Cp = 1007 J/kgK = 定数 (空気の比熱)
層流 (hc = 3.66(k/D) = 23.8 W/m2K )
モデルでは、ヒーター フラップの効果が考慮されています。送風機の動作と同様に、ヒーター フラップの出力は、設定点温度と現在温度の差に比例しています。温度差が大きくなるほど、ヒーター フラップはより大きく開き、暖房効果はより大きくなります。
エアコン (AC) システムは、室温調節モデルが自動車の電気システム モデルとインターフェイスする 2 つの場所のいずれかです。エアコン システムがアクティブになると、コンプレッサーは自動車のエンジンに負荷をかけます。このモデルでは次の方程式を実装して、エアコンの最終温度を決定します。
y*(w*Tcomp) = m_dot*(h4-h1)
ここで、
y = 効率
m_dot = 質量流量
w = エンジンの速度
Tcomp = コンプレッサー トルク
h4, h1 = エンタルピー
エアコン システムの場合、モデルはバンバン制御を実装します。エンジン速度とコンプレッサー トルクにより、エアコンから出る空気の温度を制御します。
車室内の熱伝達
運転者が感じる気温は、次の要因の影響を受けます。
通気孔から出る空気の温度
外気温度
乗車人数
これらの要因の値が、車室内の熱力学モデルへの入力になります。通気孔から出る空気の温度をモデルで考慮するには、通気孔から出る空気の温度と車内の現在温度の差を計算し、これにファン速度比 (質量流量) を掛けます。次に、車内の 1 人につき 100 W のエネルギーが追加されます。最後に、外気温度と室内空気温度の差に、小さい方の質量流量を掛けて、外部から車内に放散される空気を考慮します。
Thermometer Display
は、内部力学モデルの出力を提供します。出力は、運転者の頭の後ろに設置されたセンサーの温度測定値です。
電気システム
この電気システムは、アイドル回転数で自動車をモデル化します。PID コントローラーは、自動車のオルタネーターも必要な速度で動作していることを確認します。オルタネーターは、出力電圧を制御するためにその界磁電流が調整される同期機によってモデル化されます。オルタネーターの出力は、その後、3 相 6 パルス整流器ブリッジに入力されて、バッテリーを充電するために必要な電圧を供給します。バッテリーは、自動車の DC 母線に電圧を供給します。
DC 母線の電圧は、室温調節システムの室温調節ファン、フロントガラスのワイパー、およびラジオに入力されます。設定点温度と現在の車内温度の差が減少すると、ファン速度も減少し、DC 母線に対する負荷も減少します。電気システムのフィードバックにより、DC 母線電圧が一定になります。
自動車の電気システムの追加モデルでは、エンジン速度を変更できます。エンジン速度を変更すると、DC 母線電圧にどのように影響するかがわかります。