學術界和產業界的密切協作不僅有助于學生提升基本技能，還在設計新系統、將其集成到創新產品中并將這些產品推向市場方面發揮著至關重要的作用。最近由 EMA Global Engineering、都靈理工大學和 MathWorks 協作完成的車輛暖通空調 (HVAC) 項目就是一個典范。

一家意大利汽車制造商需要一款 HVAC 系統的控制器，以用于下一代超級跑車。這款價值數百萬美元的汽車配備定制發動機，能夠快速加速到 230 英里/小時（370 公里/小時）以上。鑒于 EMA Global Engineering 在為面向利基市場的汽車制造商設計和開發系統方面具有豐富的專業知識，制造商聘請了他們來開發控制軟件。

除了現代車輛 HVAC 系統自身的復雜結構和眾多子系統外，該項目關鍵的挑戰是開發在汽車或 HVAC 系統本身可用之前就需要開始。EMA Global Engineering 首席技術官 Mirko Zanotel 將本次挑戰視為其工程團隊擴展使用基于模型的設計的良機。具體來說，就是在做出硬件之前使用物理模型對控制器進行仿真和優化。

Zanotel 聯系了 Massimo Violante 教授，提出進行協作。Violante 教授在附近的都靈理工大學講授基于模型的設計相關課程。Violante 建議讓他的研究生 Gianluca Aquaro 開發車輛 HVAC 系統的物理模型作為碩士論文的一部分。他認為讓該協作成功的所有要素均已就位。“EMA Global Engineering 的問題能夠清晰的被定義并通過基于模型的設計來解決，”他解釋道。“Aquaro 本就有興趣與一家公司協作來完成他在此領域的碩士論文，而且 MathWorks 也準備好了提供所有必要的支持。”

在接下來的幾個月里，Aquaro 使用 Simulink 和 Simscape 開發了 HVAC 系統的詳細模型。該模型涵蓋六個不同物理域：氣體、熱液體、熱、兩相流體、濕氣和機械。該模型讓 EMA Global Engineering 能夠在各種工作場景下通過仿真來標定、優化和實際測試 HVAC 控制系統的性能。這種方法不僅能夠最大限度地減少系統在超級跑車上的測試時間，還能夠縮短整體開發時間，從而使 EMA Global Engineering 能夠快速響應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行的車輛優化 HVAC 系統和控制參數。

通過參考示例快速開始模型開發

Aquaro 在入手此項目時，已從 Violante 教授的基于模型的設計課程和都靈理工大學的其他課程中獲得了 MATLAB 和 Simulink 的使用經驗。但是，他在物理建模和 Simscape 方面的經驗相對較少。首先，Aquaro 研究了 Simscape 附帶的車輛 HVAC 系統示例。該示例對潮濕空氣流經再循環風門、風機、蒸發器、混合門和加熱器，再返回車室的過程進行了建模（圖 1）。

圖 1. HVAC 系統的示例模型。

盡管此模型需要修改和擴展才能符合超級跑車的獨特規范，但它可以作為論文和整個項目工作的重要起點。Violante 認為，有示例模型作為起點非常重要，因為學生從頭開始開發這樣的模型至少需要六個月的時間，這樣就沒有時間來完成實際論文工作。

模型增強

Aquaro 根據超級跑車制造商提供的風機、蒸發器、壓縮機、管道和其他組件的數據表，從調整模型參數開始更新參考模型。他還以多種方式擴展和增強了模型，包括納入其他物理域，并用更詳細的、更能準確地反映制造商計劃使用的組件的動態特性的替代方案替換單個子系統（圖 2）。

圖 2. 完整的頂層車輛 HVAC 模型。

更換蒸發器模塊是 Aquaro 對原始模型進行的關鍵修改之一。此模塊與壓縮機和冷凝器模塊一起用于制冷劑循環（圖 3）。Aquaro 用一個完整子系統取代了最初僅基于冷卻溫度作為輸入對蒸發器行為進行仿真的模塊。該子系統考慮管道內的冷卻空氣，并使用兩相液體域對超級跑車中使用的 R-1234yf 制冷劑的屬性進行建模。

圖 3. 制冷劑循環模型。

實現建模規范和測試框架

在 Violante 教授的鼓勵下，Aquaro 在開發 HVAC 系統模型時采用了多種行業做法。例如，他遵循了 MathWorks Advisory Board 咨詢委員會 (MAB) 建模規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目。

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

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

作為測試模型的工作流的一部分，Aquaro 運行了大量仿真，重點驗證加熱、冷卻和管道（氣流）子系統的性能。然后，他使用 MATLAB 對仿真結果進行了后處理和可視化（圖 5）。

圖 5. R-1234yf 制冷劑屬性的可視化。

車輛測試和后續步驟

當超級跑車制造商制造出可供測試的原型車時，EMA Global Engineering 的工程師已準備好立即測試他們根據 Simscape 模型調節的控制設計。汽車原型可用后，Aquaro 將模型的仿真結果與實際 HVAC 系統的測量結果進行了比較（圖 6），并確定了影響仿真準確性的二階效應，例如車速對管道中氣溫的影響。

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

EMA Global Engineering 工程師根據這些車輛測試的結果對控制參數進行了微調，現在該控制系統已經在超級跑車生產版本的 ECU 上運行。獲得碩士學位后，Aquaro 入職 EMA Global Engineering，繼續在該公司從事模型和其他基于模型的設計項目工作。

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，只需根據需要在 Simulink 模型工作區中調整參數即可（圖 7）。

圖 7. 模型工作區中可修改的 HVAC 系統參數。

Zanotel 指出，除了模型本身，協作中使用的整套方法讓公司處于領先地位。“此項目是 EMA Global Engineering 與 MathWorks 和都靈理工大學協作應用最先進的汽車工程方法的絕佳機會，我們現在可以繼續沿襲這種方法。”

而在中國，面向全國高等學校開放的教育部產學合作協同育人項目——教學內容和課程體系改革（MATLAB 專題）已獲批準通過。歡迎感興趣的老師抓緊最后的時間，完成申請提交。

關于作者

Jordi Villar Venini 是 MathWorks 的應用工程師。

Massimo Violante 是意大利都靈理工大學控制和計算機工程系的副教授。他的研究興趣包括任務和安全關鍵型應用的嵌入式系統設計，尤其是在航空航天和汽車行業。

Mirko Zanotel 是 EMA Global Engineering 的首席技術官。

Gianluca Aquaro 在都靈理工大學獲得碩士學位，現在是 EMA Global Engineering 的軟件開發人員。

審核編輯：湯梓紅