자동 공조 제어 시스템 시뮬레이션하기
이 예제에서는 Simulink® 및 Stateflow®를 사용하여 차량의 자동 공조 제어 시스템을 시뮬레이션하는 방법을 보여줍니다.
User Setpoint in Celsius 블록에 차량 내부의 목표 공기 온도 값을 입력합니다.
External Temperature in Celsius 블록에 외부 공기 온도 값을 입력합니다.
Thermometer Display 블록은 운전자의 머리 뒤쪽에 배치된 온도 센서의 측정값을 나타냅니다. 이는 운전자가 체감하는 온도입니다.
그림 1: 자동 공조 제어 시스템
Stateflow 제어기
Stateflow는 감독 제어기(supervisory controller)를 구현합니다. 제어 논리를 보려면 차트를 여십시오.
Heater_AC 상태는 난방(heating), 대기(idle), 냉방(cooling) 모드 간의 전환을 통해 온도 제어를 관리합니다. 설정점이 내부 온도보다 0.55ºC를 초과하여 높으면 난방이 켜지고, 그 차이가 0.5ºC 이하가 되면 난방이 꺼집니다. 이와 유사하게, 내부 온도가 설정점보다 0.55ºC를 초과하여 높으면 냉방이 켜지고, 그 차이가 0.5ºC 이하가 되면 냉방이 꺼집니다. 제어기는 난방과 냉방이 빈번하게 전환되는 것을 방지하기 위해 설정점을 기준으로 0.5ºC ~ 0.55ºC 구간에 0.05ºC의 히스테리시스 대역을 사용합니다.
Blower 상태에서는 시스템이 온도차에 따라 팬 출력을 조정합니다. 절대 온도차가 eps보다 작거나 너무 큰 경우에는 시스템이 송풍기를 끕니다. 송풍기는 정의된 중간 온도 범위 내에서만 작동하며, 이를 통해 온도 조절 과정에서 효율적이고 비례적인 공기 흐름 제어를 가능하게 합니다.
두 개의 스위치가 공기 분배(AirDist) 상태와 공기 재순환(Recyc_Air) 상태를 제어하는 Stateflow 차트를 트리거합니다. 효과적인 창문 성에 제거를 위해 제어기는 이 두 상태 내에 내부 천이를 구현합니다. 성에 제거 상태가 활성화되면 제어기는 공기 재순환을 끕니다.
그림 2: Stateflow의 감독 제어 논리
히터 및 에어컨 모델
히터 모델은 다음 열 교환 방정식을 구현합니다.
Tout = Ts - (Ts-Tin)e^[(-pi*D*L*hc)/(m_dot*Cp)]
여기서
Ts = 상수(라디에이터 벽 온도)
D = 0.004m(채널 지름)
L = 0.05m(라디에이터 두께)
N = 30000(채널 개수)
k = 0.026W/mK = 상수(공기의 열전도도)
Cp = 1007J/kgK = 상수(공기의 비열)
층류(hc = 3.66(k/D) = 23.8W/m2K)
이 모델은 히터 플랩(heater flap)의 영향을 고려합니다. 송풍기 동작과 마찬가지로, 목표 설정점 온도와 현재 내부 온도 간의 온도차가 클수록 난방 효과가 커집니다.
에어컨 모델은 다음 방정식을 구현합니다.
y*(w*Tcomp) = m_dot*(h4-h1)
여기서
y = 효율
m_dot = 질량 유량
w = 엔진 속도
Tcomp = 압축기 토크
h4, h1 = 엔탈피
A/C 시스템의 뱅뱅(bang-bang) 제어는 엔진 속도와 압축기 토크를 사용하여 A/C에서 배출되는 공기의 온도를 결정합니다.
그림 3: 히터 제어 서브시스템
그림 4: A/C 제어 서브시스템
실내 열 전달
다음 요인은 운전자가 체감하는 공기 온도에 영향을 줍니다.
송풍구에서 나오는 공기의 온도
외부 공기의 온도
차량 내 탑승자 수
이러한 요인은 차량 실내의 열역학 모델에 입력으로 제공됩니다. 송풍구에서 나오는 공기의 온도를 고려하기 위해, 모델은 송풍구 공기 온도와 현재 차량 온도의 차이를 계산하고 여기에 팬 속도 비율(질량 유량)을 곱합니다. 모델은 차량 내 탑승자 한 명당 100W의 에너지를 더합니다. 외부에서 차량 내부로 전달되는 열의 영향을 고려하기 위해, 모델은 외부 공기 온도와 내부 공기 온도의 차이에 더 작은 질량 유량을 곱합니다.
Thermometer Display 블록은 Interior Dynamics 모델 출력을 표시합니다. 이는 운전자의 머리 뒤쪽에 배치된 온도 센서의 측정값입니다. 디폴트 설정으로 시뮬레이션을 실행하면, 온도 측정값은 18°C의 외부 온도에서 시작한 후 사용자 설정점인 9°C까지 낮아집니다.
그림 5: 시간에 따른 온도계 표시
