以混成系統為塑模基礎之智慧型車用恒溫控制器的設計與實現(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

以混成系統為塑模基礎之智慧型車用恒溫控制器的設計與 實現(3/3)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-096-

執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 09 月 30 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電機工程系

計 畫 主 持 人 ： 鍾聖倫

計畫參與人員： 教授-主持人(含共同主持人)：鍾聖倫 博士-兼任助理人員：李宗倫

博士-兼任助理人員：傅宇 碩士-兼任助理人員：張宗逸 碩士-兼任助理人員：邱達進

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 97 年 05 月 08 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成果報告 以混成系統為塑模基礎之

智慧型車用恆溫控制器的設計與實現(3/3)

計畫類別：■ 個別型計畫

計畫編號：NSC 95-2221-E-011-096

執行期間： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日

計畫主持人：鍾聖倫

計畫參與人員：李宗倫、張國澤、傅宇

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管計畫及下列情 形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立臺灣科技大學 電機系

中 華 民 國 97 年 05 月 01 日

計畫中文摘要

逆向工程係給定一個系統實體，在不知原始設計，而只是有限的技術性文件的支援前提 下，經由工作原理推測、嘗試測試、反推出原設計規格，以便當作後續維護或是改良設 計的依據。本研究針對汽車用之恆溫空調系統(Automobile Temperature Controller：ATC) 進行回逆工程的探討，三項主要課題包括： (1)互動式控制器的規格回逆分析：根據現 有 ATC 控制器實體，按輸入、顯示、控制以及輸出等四個模組，利用 statechart 塑模出 彼此間相互動作的運作以及設計規格； (2)模型的實現：在 Matlab /simulink/ stateflow 的模擬環境中，實現由前面推導 ATC 運作模型以及整個汽車恆溫控制迴授系統中的運 作模擬； (3)系統之重建：由反推出的功能規格與領域知識了解，重新設計出相同功能 的車用恆溫控制器。經由針對 ATC 實體為例，本研究所提出來的上述三個步驟，可當 作其他內嵌式系統回逆設計的參考。

關鍵字：汽車恆溫控制器、逆向工程、Statechart、Matlab/Simulink

計畫英文摘要

Reverse engineering refers to the process of inferring system specification and design of an existing system without complete original specification. Reverse engineering is especially important when it comes to maintenance and design improvement constrained by the lack of original design. This study investigates the reverse engineering process of an automobile automatic temperature controller in three steps. First, reversing specification, in statechart, of the interactive control panel, which is comprised of four interacting modules of input, display, control and output; second, software simulation of the resultant statechart models in Matlab/ simulink/ stateflow; and finally, an improved design, which is implemented in a different hardware platform but with similar functional specification. Specialized to an automatic temperature controller target, the reversing engineering techniques presented in this study can also be applied to similar embedded control systems.

Keywords: automatic temperature controller, reverse engineering, statechart modeling,

Matlab/simulink

1 前言

1.1

背景知識

逆向工程的名詞定義為：在不知原始設計方式，而在有限的技術性文件的限制下，經由 嘗試反推出原設計規格，並實現與原系統相同的功能。

汽車恆溫空調控制器(ATC)是汽車內的自動空調控制系統(Heating, Ventilation, and Air Conditioning：HVAC)其中一部分。其主要扮演著 HVAC 控制中心，並且取代人的操作，

而能在夏、冬天透過自動啟動汽車冷氣或是導入引擎來的熱風，讓車內溫度達到駕駛乘客 所設定的舒適溫度，將車內溫度維持在指定的舒適範圍之間。另外配合舒適化的需求，還 會按照一般人的習慣，自動調節冷暖氣出風口、風量大小、以及適時決定內氣環境(recycle) 或是新鮮空氣(fresh)的交替模式，以達到溫度控制的需求。

本篇報告旨在探討逆向工程的設計與實現。針對汽車內 HVAC 系統以實現控制車內溫 度為目標的汽車恆溫空調控制器為例，探討在以微處理器為基礎的發展與研究過程中，系 統規格的建立、軟體人機操作界面與控制演算法的推演配合 matlab/simulink 所提供的軟體 模擬環境，設計出軟體互動模擬平台。並且詳細地說明 ATC 的設計方法與實現過程。

1.2

研究動機

在從事 ATC 的逆向工程中發現到，整個的過程會偏向逆向工程的重建與實現，以致於 我們的動機在於給定一個 ATC，也就是在離散事件系統上，以事件型指令控制的連續性控 制器，我們想了解：

(1) 如何在沒有設計規格的限制下，反推它的功能規格。

(2) 如何實際建立出汽車恆溫控制器與受控體之間的互動關係。

(3) 如何檢驗反推的系統規格是否能符合實際的狀況。

(4) 如何進一步設計與實現汽車恆溫控制器。

1.3

文獻審閱

目前對於汽車恆溫控制器的設計，在 HVAC 系統領域中，已經有許多的研究論文相繼 提出，像是針對 HVAC 系統的非線性特性，提出不同控制方法設計，以增加 HVAC 系統使 用效能與降低能源消耗[7]，有的則是在控制器上設計不同的控制法則，以提高系統的控制 效能[6]。這些研究論文的重點都集中在效能提升的觀點上，反而對於在離散事件系統上，

汽車恆溫控制器的行為模式沒有詳細的介紹。對此，本篇報告的重點除了逆向實現 ATC 外，希望針對 ATC 系統運作的動態行為模型，使用圖形化塑模語言建立互動系統關係。

一般常見的圖形化語言包括 FSM、Petri net、UML 及 statechart。FSM 是以狀態圖(state diagram)為基礎，主要用於描述系統型行為，[12]即為使用 FSM 來描述 HVAC 系統中致動 器的行為模型。然而，當系統中狀態數增加時，以 FSM 描述的複雜度會成指數性的上升，

不適用在較為複雜的系統；Petri net 是一種用以表示並行的狀態導向圖形化語言，可用於系

統塑模、分析與模擬，但 Petri net 塑模的結果具有太多的圖形標誌[2]，對於其描述的系統

行為無法迅速並容易地理解；UML 主要以九種塑模圖型將系統具象化、將系統結構及行為

描述系統動作行為，而其階層性的優點，及系統的深度(depth)及層次(level)，也提供了更清 晰、簡潔的描述，大大地簡化了系統設計的複雜度。

在找尋有關 ATC 塑模相關論文時，很少研究的方法使用 Statechart 塑模語言，因此想利 用 Statechart 強大的特性，針對 ATC 控制行為詳細介紹，並且增加有關 Statechart 塑模語言 的研究經驗。因此本文的研究過程中使用 Statechart 清晰表達出 ATC 的行為模式。Statechart 經常使用在複雜的互動式系統中，用以描述系統的動態行為[4]。同樣架構在狀態圖的基礎 下，Statechart 可幫助設計者迅速建立系統的動態行為模型，例如，使用 Statechart 進行設 計與實現的個案研究[1]，或是針對嵌入式系統 co-design 的設計[10]，提出基於 Statechart 模型的設計方法等，因此在之後探討 ATC 行為模式時，將會利用 statechart 的優點，表現 出 ATC 內部控制過程及行為模式。

1.4

貢獻

針對逆向工程的設計流程，本研究以 HVAC 系統中的 ATC 系統為主題，反推出控制車 內氣候所需要的汽車恆溫控制器。整篇報告詳細的介紹整個 ATC 控制器設計的方法與逆向 工程的過程。針對 1.2 節所提出的研究動機外，並且實現出一個可以驗證控制演算法的車 內溫度控制環境。所以本篇報告主要貢獻包括：

(1) 利用逆向工程的方法，經由對實體的操作以及對於相關領域知識的了解，反推系統原始 設計規格。接著根據系統規格的內容使用 statechart 建立系統的混層控制模型。

(2) 在 simulink/stateflow 的模擬環境中，實現反應包括離散型事件 (discrete) 以及連續型變 數 (continuous variable) 的混成系統特性 (hybrid system)。並且使用 matlab/simulink 建 立出汽車恆溫控制器模型與汽車內氣候彼此的互動關係，模擬出整體控制法則的效能。

(3) 由反推出的功能規格與領域知識了解外，藉由原始硬體的架構及 PIC 單晶片的功能，重 新設計出相同功能的車用恆溫控制器。

1.5

論文架構

本篇報告架構如下。第 2 節說明本文設計步驟可以分成逆向工程及順向工程設計步驟。

第 3 節按照第 2 節逆向工程的步驟，逐一找尋並且歸納 ATC 系統規格。第 4 節按照第 2 節 順向工程的步驟，實現出具有相同功能 ATC。第 5 節整理本研究貢獻及探討未來研究方向。

2 ATC 逆向工程設計流程

為了能快速利用逆向工程的方法，重新建立出具有相同功能的實體 ATC 控制器，如圖 1

所示本篇研究配合[8]提出逆向工程的馬蹄型設計步驟，有系統快速地重建及設計 ATC 控制

器。

逆向工程

(Refactored representation)

(Legacy code)

順向工程

目標模型

客製化架構

元件 (Components) 需求

目的

架構 功能

原始碼 程式結構 目標模型

分解呈現

原始碼

圖 1 馬蹄模型 [8]

如圖 1 所示，實現與原系統相同功能的過程總共分成三個部分探討。在圖中間所表示 系 統 在 設 計 過 程 中 所 處 的 狀 態 ， 處 的 狀 態 越 高 代 表 越 抽 象 的 概 念 ， 如 同 設 計 目 的 (intentions)，越低則是越接近實現的硬體，如同程式碼(code)。在左半部為逆向工程回逆步 驟，配合其箭頭方向，可以了解逆向工程主要藉由原始系統資料，從下而上尋找出系統的 設計目的及設計規格，即為圖中最高層。在右半部為順向工設計步驟，同樣配合箭頭的方 向，可以了解到順向工程主要藉由設計目的及規格，從上而下實現出系統元件。因此配合 馬蹄型模型即可重建出相同功能的 ATC。

2.1

逆向工程步驟

依照[10]說明，逆向工程的步驟可以分成二個方法進行。如圖 1 所示，第一個方法可以 透過最低階層合法的程式碼，將每一段程式碼模組化，並且探討其模組特性。接著將相同 性質的模組建立起互動關係，並且結合成一個完整的系統架構，最後經由系統架構求得系 統規格及工作目的，達成逆向工程的目標。另一方法，也就是最原始的方法[3]，可以經由 實際的週邊環境，配合嘗試錯誤的過程，逐一整理出，每個系統架構的特性，並且依照其 特性求得系統規格。

本研究沒有原始的程式碼，沒有辨法可以跟[10]所提出原始碼分解理論相對應，不過可 以使用最原始 Statechart 文獻所說明，借由錯誤的嘗試，進而求出相關的規格。其中本方法 的設計理念主要藉由硬體的測試，將 ATC 軟體控制行為重新建立。硬體的測試項目可以分 成二個部分說明，分別為輸入信號及輸出信號。輸入信號為將測試過程中，將已知的信號 輸入傳送到 ATC 控制器上。輸出信號為 ATC 控制器針對週邊元件輸出的信號。於是利用 已知的輸入信號與接受到的輸出信號，便可以經由測試的過程，找出 ATC 軟體控制行為動 作模式，並且將已知的行為動作模式利用模塑語言，圖型化方式重建出 ATC 控制行為模式。

2.2

順向工程步驟

經由逆向工程的步驟之後，初步已經了解到整個 ATC 系統互動關係，也建立出設計規

格，接下可利用順向工程實現出有相同功能的 ATC。然而圖 1 的順向工程只能大略地表達

出每個步驟的設計重點，因此結合[5]所提出 ATC 模擬平台的建立過程，清楚地表示 ATC

在設計的過程中，每一個時期所需要注重的想法。

Function Management

(Controller)

Sensor 1

Sensor Actuator Combination Interface

Intelligent Interface

Model Sensor 1

Model Sensor Actuator Combination

Model Sensor 1

CODE Sensor Actuator Combination Conceptual Realisation

Model-in-the-Loop-Simulation

Software-in-the-Loop-Simulation

Hardware-in-the-Loop-Simulation

Controller Real-Time Computer with

Control-PC Controller

Model of Controller

ATC controller

-No display -MCU reset

SYSTEM OFF SYSTEM ON

Event1-1

Event1-2 Display Input

ControlOutput

………

圖 2 順向工程流程圖 [5]

圖 2 除了介紹 ATC 系統在研究的過程中分為 ATC 及車房外，還說明車房模擬系統可 以分成四個設計的流程，並且循序漸進說明每個時間設計的重點。本研究注重在 ATC 系統 的實現，因此主要的研究重心會放在 ATC 的設計流程。

3 ATC 逆向工程

3.1

汽車空調系統

在測試 ATC 系統規格之前，首先了解整個汽車冷氣空調系統的五項控制架構。如圖 3 所示，一般而言汽車冷氣自動空調應該具有下列的機構: (1)進氣口控制機構(Air Control)，

有外氣(outside air)與內氣(inside air)兩種選擇。(2)鼓風機控制(Blower Control)，控制風量的 大小。(3)壓縮機控制機構(A/C Switch Control)，保持蒸發器(evaporator)為正常工作。(4)混 風控制機構(Mix Control)，控制供風溫度。(5)風向模式控制機構(Mode Control)，決定吹出 口方向，有除霧(DEF)、臉(Face)、腳(Foot)。

其中控制空調系統的流程如下所示，首先會先選擇風量的來源是從內氣或者是外氣引 進，接著利用鼓風機將空氣引進到空調系統中。引進來的風量會因為蒸發器熱交換的關係，

使得溫度下降。有著低溫的空氣後，空調系統就會利用混風擋板，把一部分低溫的空氣引

導到引擎，藉此製造出高溫的空氣。系統的末端就會結合低溫的空氣及高溫的空氣，混出

控制器所想要的吹出口溫度。經由以上的過程，空調系統就可以控制風量的大小及吹出口

溫度，使之能影響車內溫度，達到溫度控制的目標。

Face

Foot

戶外空氣

DEF

Air Motor

Mix Motor

Mode Motor Blower

2

5 3

1 4

循環空氣

內外氣控制

鼓風機控制

壓縮機控制

混風控制

模式控制 腳 臉 除霧

圖 3 汽車空調系統架構圖

了解主要每個制動器控制機構後，接下來說明本研究的主題 ATC 控制器。一般自動控 制器在設計上，主要藉由五種致動器的功能，達成二項控制指標，其中控制指標可以分為 溫度控制及舒適度控制。溫度控制為控制器最主要的控制指標。一個好的控制器會依照設 定溫度和車內溫度二者間的差，精準地計算出所需要風量的大小及吹出口的溫度高低，換 而言之控制器可以直接利用鼓風機、壓縮機、內外氣檔板及混風檔板，吹出所要的溫度及 風量，達成控制溫度的目的。當溫度控制發展到穩定時，控制器設計慢慢加強如何能讓人 體在溫度的變化中更舒服。其中[13]提到人往往在高溫的狀態下，接受吹向頭的冷風會最舒 服，而在低溫的狀態下，則換成吹向腳的暖風，使其較為舒適。針對這樣的控制目的，加 入一項控制吹出口方向的功能。讓在不同的溫度狀態下，選擇需要的吹出口方向。

經由上段溫度控制及舒適度控制的說明，控制器可以針對 5 種致動器設計出各自的控制 方法。如圖 4 所示，圖中間綠色方塊為控制器控制演算法。控制器透過紫色方塊 GUI 介面 讓使用者設定想要的參模擬數，再配合二側藍色方塊感測器測量車房及外部環境參數。接 著中間控制器經由五項各別的演算法，將控制信號輸出到黃色方塊致動器上。經由致動器 本身的改變，直接地影響車內溫度的變化。相同地系統感測器會接受到車內溫度的改變，

再次回傳給控制器，接著控制器又可以重新計算出下次的輸出量。週而復始直到系統關閉 才會結束。

3.3 ATC 控制狀態

經由逆向工程的方法測試後，如圖 4 所示，了解到 ATC 在控制的過程中，共可以分成

五個控制單元。一般而言，這五個控制單元彼此獨立，除了在特殊狀態下，才會彼此間互

相影響。在之後的討論中，五個控制單元將會分成一般狀態模式以及特殊狀態模式進行說

明。

外氣溫度

內氣溫度

水箱溫度

蒸發器 溫度

日射強度

混風控制 鼓風機

控制

風向模式 控制 進氣口

控制

壓縮機 控制

混風馬達

GUI

鼓風機

風向模式 馬達 進氣口 混風馬達

壓縮機 切換

內外氣混風 擋板位置

冷熱混風 擋板位置

風向模式 擋板位置

圖 4 ATC 架構圖

除了一般狀態模式外，為了針對不同情況下的控制目的，ATC 其實還包含著五種特殊 模式。其彼此的關係如表 1 所示，當使用者將溫度設定在 17℃，也就是設定溫度最低時，

ATC 會以最快的速度讓車內溫度下降。隨之系統將會吹出最大冷凍效果。反之，當使用者 將溫度設定在 32℃，也就是設定溫度最高時，ATC 將以最快的速度讓車內溫度上升，但高 溫的空氣會對人造成比較大的影響，所以每個致動器會設定一個上限，使其可以在接受的 範圍內讓溫度快速上升。當使用者設定在除霧模式下，ATC 針對加強除霧的效果控制每個 致動器，使之能吹出比較低的溫度到玻璃上。當引擎停止時，等同於壓縮機停止動作，相 對應 ATC 不能再引冷風到車房，為了避免單純引進熱風到車房，隨之混風需要選擇最冷模 式。當風扇停止運轉時，沒有風經過壓縮機進行熱交換，隨之關閉壓縮機對引擎的負擔。

表 1 ATC 特殊狀態表

Air Fan AC Mix Mode SP_17 Air_Inside Fan_8 AC_On Cool Face

SP_32 Air_Outside Fan_5 AC_Off Hot Foot DEF Fan AC_On DEF ECU

idle

AC_Off Cool

Fan_0 AC_Off

4.1 Model-in-the-loop Simulation

如圖 4 所示 ATC 控制器在設計完成後，基本的構造會分成三個部分，分別為輸入、處

理及輸出(input, process and output, IPO)。首先輸入主要功能可以分成外部接收到的按鍵觸

發的輸入信號(Input by user)以及感測器接收的輸入信號(Input by sensor)。當系統接收到這

二種輸入信號後，系統內部會套用設計者的策略處理輸入信號(control process)，並且運算

出每個致動器的控制量。最後將處理後的控制量輸出到外部的致動器，使之達成控制器所

指定的動作(Output of control signal)或者將控制器的狀態展現到顯示器(Output of LCD

display)。如圖 5 所示在此利用這三個部分彼此間的關係首先建立一個抽象的圖型。

ATC 控制器 (Control)

控制訊號 輸出 按鍵及感測器

輸入

LCD 顯示 LCD 顯示輸出

圖 5 ATC 概念圖

了解 ATC 系統輸入信號(input)及所對應的輸出信號(output)。接下來針對 3.3 節介紹 ATC 運作特性，將 ATC 的處理(process)過程，使用 Statechart 塑模語言，表示其每個輸出及輸入 之間的關係。其中針對信號輸出的部分而言，輸出到致動器的信號主要是將控制輸出信號 輸入到 HVAC 系統，使之狀態產生變化。另外輸出到顯示部分的信號，主要將系統設定的 參數表現在 LCD 中。其中一個將信號送給 HVAC 系統來做控制，另外一個送給使用者了 解，二者的信號控制目的不同，在之後的討論中會將二者分開各自說明。因此 ATC 模型最 後被定義成四大部分來討論，分別為輸入信號、控制處理、顯示輸出及致動器輸出。

SYSTEM ON Input

Sensor Keypad Algorithm

control

Display

SP OutTemp

Auto System

Actuator

Air

Blower Compressor Mix

Mode

圖 6 ATC 系統最上層

經由以上的說明後，利用 statechart 理論，首先建立 ATC 控制器最上層圖型。如圖 6 所 示，在 ATC 控制器的最上層(ATC controller)中，包含上述四個系統組成部分的系統動作狀 態。換而言之，當系統啟動時，這四個系統將會同時運作。其中由於論文篇幅的關係，在 此只針對 ATC 致動器互動關係及顯示結果進行介紹。

4.1.1

顯示輸出

在顯示輸出中，主要是透過顯示畫面了解系統的資訊，並且設定系統中的各個參數值。

如圖 7 所示，顯示可以分為四個部分來介紹，分別是自動部分、系統啟動/關閉部分、設定 溫顯示部分及外氣顯示部分。

4.1.2

致動器輸出

為了達到汽車空調控制的目的，接著針對 ATC 控制器的致動器，進一步了解其動作模

式。在自動的模式下 ATC 輸入到致動器總共可以分成五個部分來討論，分別為控制內外氣

循環的馬達、控制風量大小的鼓風機、控制壓縮機運轉的開關、控制混風比例的馬達及控

制吹出口方向的馬達。

Display

Auto_On

Auto_Off

OutTemp_Off

OutTemp_On

WarmCar_Off

System_Off WarmCar_On System_On SP_Idle

SP_17 SP_32

圖 7 ATC 顯示狀態圖

由於在逆向工程的測試過程中，發現到當系統接受到按鍵的觸發時，致動器會按照預設 的基本狀態表，依序切換每個致動器的狀態，於是乎利用這種切換的特性，首先可以定義 出致動器一般狀態模式。其中互動的關係可以依照每個按鍵的特性，建立起模式切換的條 件。

一般狀態模式建立好之後，如圖 8 所示，加入表 1 特殊條件下所對應的狀態關係。在 大部分時間點，狀態會處在一般狀態模式(General state)下，一旦特殊條件成立後，即可轉 移到特殊模式下，使其快速反應特殊狀況。

4.2 Software-in-the-loop Simulation

模擬迴圈內的軟體實現中，藉由 4.1 節所介紹的 ATC 控制模型與合適控制演算法的結 合，接著可以利用 stateflow 建立 ATC 模擬環境，並且測式 ATC 控制模型可以與演算法互 相結合。本節的重點在探討 ATC 控制模型的是否能結合控制演算法，並不會針對演算法的 內容進一步說明。

如圖 9 所示，將 ATC 塑模的結果以 19 個並行處理的狀態，表示其互動關係。按照之 前討論，將分成輸入、顯示、致動器及演算法四種類型討論。這四種類型跟 4.1 節所討論 的模型有一個不一樣的地方，在於加入一個實際演算法公式。針對演算法公式而言，被影 響的層面主要偏向演算法及致動器這二個類型。對於在演算法部分，因為公式的需求使用 三個並行處理計算出演算值。對致動器部分而言，自動模式下，修改所需要轉移的事件項 目。

在建立 ATC 內部模型後，按照實際 ATC 在操作的介面，整理做為 ATC 與外界之間所

需要溝通的輸入輸出信號。如圖 10 所示，輸入輸出信號總共可以分為按鍵輸入、感測器

輸入及致動器輸出。在圖的左邊為按鍵的輸入，使用 simulink 內建的手動開關(manual switch)

代替按鍵按下的動作。在圖中間為感測器輸入，暫時使用 Constant 當作感測器輸入到 ATC

的信號。在圖的右邊為致動器輸出，致動器輸出使用 Display 顯示出實際上輸出到五個致動

器信號內容。

Actuator

SPE_Hot SPE_Cool Mix_Update Compressor Mix

Mode Blower

Air

GEN_Mode Face

BI Foot Foot/DEF

DEF

SPE_Face SPE_DEF

SPE_Foot GEN_Air

Air_Inside Air_Outside

SPE_Outside SPE_Inside

GEN_Fan Fan_0

Fan_1 Fan_2

Fan_3 Fan_4

Fan_5 Fan_6

Fan_7 Fan_8

SPE_Fan_5 SPE_Fan_8 GEN_AC

AC_Off AC_On

SPE_AC_On SPE_AC_Off

圖 8 ATC 致動器狀態圖

圖 9 ATC 狀態模擬圖

目前已經使用 stateflow 軟體，實現出 ATC 行為模式的塑模，接下來再配合在[11]所介 紹車房熱模型，即可建立出一個完整的模擬互動環境。並且可以藉由模擬的結果，快速地 求出演算法效能。

圖 10 ATC 模擬介面

的恆溫控制器為設計改良的目標，經由回逆原系統的設計規格，以及對原始電子電路的分 析之後，取代原先的微處理器以及 LCD 顯示，最後完成的電路承如圖 11 所示。

5 結論

本研究針對了 ATC 控制器逆向工程的設計與實現方法進行探討，並以 ATC 為例，說明 逆向工程扮演著系統規格建立的角色。當中透過圖形化語言的塑模方法，具體的塑模出原 始系統運作的行為模型，以確實的掌握 ATC 系統與每個致動器間互動的情況，並且實現控 制車內環境溫度的控制器。

圖 11 ATC 實現成果

對於本篇報告的未來工作與發展，可分為幾個方向：首先在模擬的過程中本文採用軟體 matlab 線上直接模擬，若是針對一般演算法及行為模式的需求就已足夠。然而若是要驗證 整體系統實際的效能等，需要較高精準度受控體的環境時，則可使用 matlab 所配合的硬體 週邊，實際控制 HVAC 系統，達成實際測試的需求。而在控制 HVAC 的情況下，可以針對 搭配的硬體週邊的需求，例如：Engine Control Unit(ECU)所傳送引擎轉速的數據、舒適度 指標、連續性的風量及風壓控制等等，也可加入到控制法則之中，並且透過測試與比較，

以獲得更佳、更適當的溫度控制演算法。

另外在單晶片的設計上，本文設計過程中沒有發揮到 Statechart 並行處理的特色，只能 單單使用流程圖把每一項功能串接起來單獨各自處理。所以之後想藉助 OS 系統強大的功 能，將每個並行處理寫成各自的執行緒，使得致動器間可以彼此獨立運作。我們將未來的 工作與發展整理如下：

(1)

針對需要較高精準度的溫度控制環境時，建立一個 matlab 跟外部硬體實際的測試環境，

可以針對每個環境參數更精準地控制。

(2)

加入其他不同的控制法則，如 Fuzzy control、Neural 等，以提高控制效能、進而達到適 合目標環境的溫度控制要求。

(3)

在單晶片上建構出一個 OS 的系統，以便達到 Statechart 並行處理的功能。

6 參考文獻

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[13] カーエアコン研究会, 《カーエアコン》, 株式会社山海堂, 2004.

計劃成果自評

本計劃執行進度與原申請書的研究目標相符，計劃執行人自評其中最重要的兩項成果，包 括這份正準備而還尚未發表的報告內容：「汽車恆溫空調系統之逆向工程」之外，另外還 有一份已於 2007 中華民國系統科學與工程會議發表之「Enthalpy-based Temperature Control for Automobiles」。第一項成果的重要性在於，對於一般控制系統產品，我們有塑模其代表 較高層人機界面操作的塑模；第二項貢獻是對於汽車用的恆溫控制，由焓的觀點提供控制 法則。

對於學術研究、及其他應用方面預期之貢獻：目前市面上看得到的車用恆溫控制器 (ATC) 產品，因為是商業機密之故，文獻上對於控制車載中 HVAC設備而達溫度恆定的設計原 理，以及商品化過程中人機界面操作的考量等，並沒有看得到太多的論文報導。本計劃執 行成效是，對於如下的問題，我們已有較深的認識：

(1) 通風空調系統的熱力現象塑模 (2) 內嵌式控制系統的實現；

(3) 針對人機操作界面的回逆工程 (reverse engineering) 流程與技術；與

(4) 泛混成系統模擬環境之製作與設計。

Enthalpy-based Temperature Control for Automobiles

李靖男

1

國立勤益科技大學

1 E-mail: [email protected]

2,3

國立台灣科技大學

2 E-mail: [email protected]

3 E-mail: [email protected]

摘要

車用空調系統冷房能力可以用送回風之空氣焓值 差與送風量的乘積表示之。因此，只要藉由計算適當送 回風的焓值差及適量的風量，即可獲得預期的冷房溫 度。本論文基於此原理輔以濕空氣線圖焓值計算的基礎 下，討論出車用溫度控制器之混風及鼓風機控制，此 2 項控制的參數搭配主要是要能夠與車房負載能動態匹 配以達到空調目的。不管是空調機構或是熱負荷的組成 為何，所表現出來的是溫度的變化，換個角度來看，其 核心也就是在討論空氣中 enthalpy 的變化情況。此設計 方法優勢在不需知道詳細的數學模型的情況下，只透過 焓值的討論來達到空調控制目的。本文可因應未來車用 空調系統改善時之修正與調整參數值之依據。

關鍵詞：焓, 車用溫度控制器, 濕空氣線圖

Abstract

The function of ATC is to turn both variables of air-supply temperature and air mass flow automatically such that the car compartment is maintained to be fixed.

To achieve the goal, we deal with thermodynamic properties of air condition through psychrometric chart and decide two control policies, air mixing control and blower control. The purpose is automatically to match the thermal load by arranging above control variables.

The effect of air-condition mechanism and thermal space load both are the change of temperature, regardless of the component of mechanism or elements of heat. In other words, the core skill for the problem is to tackle the change of enthalpy. The advantage of the method is that we can analyze the state point in the air-conditioning loop without the detailed mathematical models. According to the correction of control variables, the proposed method is still feasible for ATC.

Keywords: enthalpy, automobile temperature controller, psychrometric chart

1. 前言 1.1 背景知識

車 用 溫 度 控 制 器 (Automobile Temperature

空調架構示意圖，主要分為 3 個控制部份，如圖 2所 示。簡而言之，為了能夠適當地安排每一個通風系統的 元件，以足量的冷熱空氣快速達到舒適度，ATC 主要負 責的 3 項控制功能如下:

1. 混風控制: 藉由控制混風擋板的位置，混合冷熱 氣流以達到預期出風口溫度

2. 風量控制: 依據目前車房溫度判斷送風量 3. 進氣口控制: 使用外氣循環或是內氣循環。

外在環境 內部裝潢 乘客人數

車房 HVAC 車房溫度 製冷效率

車用空調機構

ATC

ma T^s

TR

TOA

外界 溫度

Tss使用者設定溫度 3.進氣口控制

(引進外氣比例 )

2.鼓風機 (風量控制)

輸 送 管

製冷單元

加熱單元

1.混風控制 (冷熱混風比例 )

Qroom

TE

TH

β

α

TE 擋板位置

α β

蒸發器溫度

:電氣訊號 :空調程序 :空調效果 :外界刺激

圖 1 ATC 系統示意圖

同時，此 3 項控制策略的效果為: 對於受控環境(車 房)而言，出風口的溫度T_s、風量m_a為輸入值，其輸出 是車房內部溫度T_R。在這一系列的控制程序中，ATC 最重要的控制指標，莫過於T_s、m_a。至於濕度；因為 ATC 比較著重於恆溫的控制，較少同時兼顧恆溫且恆溼 的控制，因此，本論文暫且不考慮濕度控制。

外氣溫感測器

內氣溫感測器

蒸發器感測器

ATC

1.混風控制

2.風量控制

冷暖風混合驅動 馬達

鼓風機馬達

ma

Δ

TO

TR

TE

若以 ATC 的觀點來觀察圖 1的整個系統，如同於 圖 3所示，是由數個控制迴圈所組成的串接式控制架構 圖(cascaded control structure)[2]。最內層的控制迴圈與 冷凍循環有關，此迴圈的目標是控制蒸發器的製冷溫度 (圖 3的T_E)。接下來，中層控制迴圈控制著輸送管線裡 的混風擋板馬達，藉由擋板將此股冷空氣與熱空氣混 合，將得到預期的吹出風口溫度(圖 3的T_s)，最後將此 股氣流直接經由作用於車內環境。

黑盒子(Black Box) 外界干擾

製冷 單元

內氣控 制迴路 外氣控 制迴路 供風

溫度控制 外氣

溫度控制 內氣

溫度控制

蒸發器溫度 外氣溫度 內氣溫度

:控制器單元 :控制路徑 :干擾

Tss^O

T

TR

TE

TO

TR

Ts

圖 3 串接式控制架構圖[2]

在無法得知圖 3中每一個方塊的轉移函數之前提 下，我們可以將複雜的內部控制架構視為黑盒子(Black Box)，只留下最外圍之三個重要溫度指標參數(即T_ss、

TO及T_R)，再搭配接下來在第2.4節討論的焓值推導計 算，最後達到控制的目的。

最後，圖 1右下方為車房，此環境是一個非常複雜 的系統，除了牽涉到熱力學、流體力學、能量守衡，還 會受到外界環境、車房內部裝潢、車體隔熱、車殼塗料 [7]等參數影響。感應器負責收集重要參數的訊號。最 後，ATC 透過感側器回傳的資料，以驅動空調系統元件 的指令。

1.2 研究動機

車用或是一般的空調系統之架構或驅動元件雖有 些許的差異，但其共通的冷房能力之物理特性可以透過 (5)式來描述，亦即冷房效果會等於輸出入的焓差值 hΔ 與送風風量

m 的乘積。

汽車空調系統所描述的車內冷房負荷，係由車外熱 得(heat gain)經由車內對流及輻射的方式所產生[8]，如 圖 4所示，其中輻射部分則經由車內裝潢、構組件等造 成熱質量效應(thermal mass effect)同時產生時滯現象 (time-lag effect)，因此，冷房負荷與設備排除熱量的匹 配係屬於動態之模式。

熱得 冷房負荷 設備排除

的熱量 對流部份

裝潢、構組 件各種蓄熱 輻射

部份

對流 (有時間延遲)

圖 4 熱得與冷房負荷間之關係[8]

負荷會隨著外界環境而動態變化，此時，設備冷房能力 勢必也動態隨之調整 hΔ 及

m 來匹配之。而有關於這部

1.3 文獻審閱

針對探討空調系統控制的問題，從 60 年代之後就 開始快速發展，因此，對於各種空調系統後續延伸的研 究，開始有各式各樣的看法與觀點。Gagge 把空氣溫度 與相對濕度對空調系統的影響[3]，訂出標準有效溫度 (standard effective temperature, SET)，而此觀念也被[9]

採納並訂出有效溫度(effective temperature, ET*)。有關 討論外在環境對於人體舒適度的影響，[3]則透過濕空氣 線圖上的 ET*線，設計出最小焓值估測器(least enthalpy estimator, LEE)以當作 FCU fuzzy controller 的邏輯判斷 依據，進而控制鼓風機，並無討論供風溫度的問題。

除此之外，不同於本文採用比焓計算的方式以求得 供風溫度

T ，[5]則提出針對不同的室外溫度利用節能

T 。而

第一個是冷熱空氣迴圈(hot and cold loops)來當作冷熱 來源，而另一個是控制器根據設定溫度及流量來控制的 混風箱(mixing box)。根據熱平衡及質量守恆，定義串 聯控制演算法(cascade control algorithm)及增益排程 (gain scheduling) 來 描 述 整 個 動 態 系 統 ， 最 後 ， 其 SIMULINK®模擬的結果顯示在 2~3 秒內即可達到即時 控制。[15]除了採用與前者類似的方法外，還透過灰盒 (grey-box)來辨識動態 air-handling units (AHUs)模型及 參數，在此文章裡，只考慮 constant air volume (CAV) 系統以減少可變動之參數。

有關汽車空調之研究，[4]提出人體與車房環境之 溫感互動模型(thermal interaction model)，此模型架構在 於研究人體、環境及空調系統之間的熱交換，最後以溫 度感受值(thermal sensation, TS)做為評斷舒適度的依 據。不同於前者，[1]利用現代控制理論(modern control theory)來討論之，其設計的系統中包括觀測器(observer) 及整合器(integrator)，考慮的參數在輸入參數方面為壓 縮 機 能 力 與 混 風 擋 板 位 置 及 車 房 溫 度 (compartment temperature)當作控制的參數(即估測器回授值)，其次輸 出參數為感測器訊號；其中受控體的模擬( 即車房的數 學模型)係藉由統計學的方式求得 9 階矩陣來描述之。

1.4 本文架構

在第2.1節，首先以能量守衡的觀點探討車房空調 負荷(

Q

Q 與四個最

須動態調整 hΔ 及

m ，此控制策略將於第3節討論，最

2. 控制法則 2.1 能量守衡

熱容量(Φ )是使空間內的物質（不論其質量如何）

溫度(T)升高 1℃所需之熱量(H)

H

= Φ ×

( + Δ − )

Δ = Φ

H t t H t dT

t dt ( 2 )

根據(2)式的熱平衡方程式，當安定穩態時，ATC 的目的在於控制設備冷房能力Q_e，與單位時間內入侵 車房的熱負荷Q_room相抵消，使得車房溫度T_R與設定溫 度T_ss維持在容許誤差範圍內，所以，(2)式可以再表示 為(3)式。即不管Q_room怎麼動態變化，ATC 都必須維持

TR為穩定狀態。

0 or

R

e room

R

e room

dT Q Q dt

dT Q Q

dt

= +

Φ

⇒ Φ = = −

( 3 )

其中，Q_room的計算公式如表 1所示。

表 1 Q_room的組成[7]

qa

=

1

qa

=

×

A1：窗戶有效面積(

m ) (

≈ 1.5

sun ：日射量(

=

產生的熱

q

m

C

T

T

=

外溫度差的 熱（包含對 流、輻射）

2

( )

c O R

q

=

× ×

−

m

≈ 10.4

σ ：總合熱傳遞率 (

≈ 8.6

q

=

的熱

, ,

( )

d d s d l

q

q

q

n C

,

q

,

q

n ：車內人數[人]

當系統在非穩態時，即

T 不在

T 的容許範圍時，

T 回到

T 的容許範圍，必須調整空調設備

( ) ( )

e room

Q = −Δ Q + − Q

Q ，但對設備而言，乃為送風質量流

m 與比

Q = m

× Δ h

圖 5為車用空調系統架構示意圖，其整體架構可分 為兩個主要部份，第一個部份為冷媒側循環，主要由四 個主要機構所構成，1.壓縮機、2.冷凝器、3.膨脹閥、

4.蒸發器。

第二個部份為空氣側循環，此部份也是我們討論的 重點，本論文研究目標係就能量轉移的觀點上，探討 ATC 控制策略，即欲藉由控制(5)式等號右邊的兩項物 理量，以達到空調目的。有關

m 物理量的部份，則是

U

h

Q

Δ

U

U

Input Energy Condenser

Qe

^U

U

Q

Evaporator

Zone 1 Zone 2

Return Air

Recirculating Air

Fan Outdoor

Air

Exhaust Air

U4 U³

U

U

U1 U₂ TO

TR 空氣側循環

冷媒側循環

Qroom

TM U9

Heater

T

W

TH

O M

R E S

T

β α

ΔQ

圖 5 空調系統架構示意圖 表 2 對照於圖 5中元件名稱

項目 名稱

U1 U2 zone damper U3 fan-speed control U4 outdoor air damper U5 exhaust air damper

U6 return air damper

U7 compressor

U8 expansion valve U9 air mix damper

2.3 空氣調節過程概述

O:

R:

M:

S:

O Outdoor Air

Recycling Air R

TO

TR

TM β

1−β

C C

TE H

C Evaporator Heater

THα 1−α

Ts

ma

S

M Suppying Air

Mixing Air

Fan

圖 6 空氣側空調循環示意圖

ωO

ω

ω

ωS

ω

Ts

h

hs

hR

hM

hO

TM TOA

TR

(℃) ASHF

RSHF

TE T_H

α 1−α

β 1−β M

R

O

Tss

25

hss

S

DB

圖 7 空氣調節過程特性圖

整個空調過程描述如下:首先，ATC 會透過外氣混 風馬達，控制混風擋板(

U

T ，但此空氣非常地冰冷，約略

U

α

Q

理想空氣中的總焓( H )等於乾空氣的焓值(

H

H

da v

da da v v

H H H m h m h

= +

= +

(1)式同除以

m ，可以整理成如下比焓 h

v

da v

da da

H m

h h

m

= +

⎜ ⎟

⎝ ⎠

( )

da v

da g pv

h h h

h h C T

ω ω

⇒ = + ×

= + × + × ( 7 ) 根據熱力學理論得知，理想氣體的焓只受到溫度之 影響，如(8)式所示。再根據圖 8得知，h_v的等焓線幾 乎水平，其值與

h 很接近，即

h

h

( )

da pa

h

f t

C

T

pa g

h

C

T

h

S hg

hv

superheated vapor Saturation line

h

圖 8 Mollier diagram [14]

ASHRSE Standard 55 [10]定義空調區間舒適區 域，如圖 9所示，其中，X 軸表示為乾球溫度(DB)，左 右兩邊之 Y 軸分別為濕度比(ω )與露點溫度。因此，在 冬季與夏季人體會覺得舒適的氣候條件，亦即 ATC 必 須維持車房舒適條件為約略為 DB 20℃~27℃，ω 約為 0.001~0.0012(g/kg)，相對溼度為 30%~60%，且透過查 表，可以得知此範圍之下的

h 為約為

因此，得知

C

T

h

C

( )

1.006

h

T f T

T 的函數，此乃本論文

因此，可以將(4)式修正為乾球溫度的關係式:

( ) ( )

( )

( ) ( )

a p M s f a p R ss room

O R

M s R

m C T T G m C T T Q

f T T

f T T f T Tss

× × − = × × × − +

− − −

( 11 )

其中

G 為比例參數，可以看似

Q 為了抵銷