基于MATLAB平台的1D仿真在家电产品开发中的应用

本文将通过以下三个部分与大家分享基于 MATLAB 平台的 1D 仿真在家电产品开发中的应用：

1. 1D 仿真特点与 Simscape 平台介绍

2. 基于 Simulink 平台的联合仿真方法

3. 家电系统详细建模与应用案例

· 冰箱制冷系统仿真

· 洗衣机转速控制系统仿真

1D 仿真特点与 Simscape 平台介绍

目前，世界著名家用电器生产商已将 CAE 技术广泛应用于家用电器的开发和设计中，并解决了很多实际问题。

但是多数家电行业的 CAE 多是针对子系统设计与部件设计的 CAE 仿真。这类模型可以为确定部件的形状配置等提供指导， 例如各类3D仿真，包括计算流体力学、结构力学、声学、磁场的有限元仿真等。

近年来，随着系统的复杂化，开发初期的系统设计越来越重要。需要充分利用 1D 仿真评估整体的功能。

基于 1D 的仿真可以利用基于模型的设计，在开发的早期阶段实现系统级的算法验证。设计时即可发现问题，大幅降低后期整改系统设计的可能。

这里所说的 1D 模型并不是单纯的空间一维的意思，意思是准确抓住事物的本质，用清晰的形式简单地表现功能。

例如，下图是直流电机驱动系统的例子，各子部件可以用“物理方程式”来建模，或者用“基于测量数据的数值建模”来建模。

这样的 1D 建模方法有以下特点：

1．容易表现机械、电、热、流体等复合区域的现象。

2. 与一般 3D-CAE 工具等有限元法的仿真相比，运算负荷小。

3. 实际工作中，在决定详细设计和配置之前，容易进行系统功能和性能的探讨。

基于 MATLAB 平台专用的物理建模工具 Simscape 平台可以对各机械、电气、热、流体、磁场等建模。

Simscape 系列产品使用集中参数的的方法对物理对象建模。

以散热器建模为例，所谓集中参数法建模就是忽略散热器管内的温度分布，而关注于整个系统热传递。

这类模型运行速度快，可以与热回路系统中其他部件以及散热器的控制系统进行联合快速的仿真，以验证热回路的性能。

而如果需要考虑散热器管道中的温度分布与梯度，来确认散热器的设计是否满足需求，则需要分布式参数建模的方法，可能需要专业的有限元软件来进行分析。

基于 Simulink 平台的联合仿真方法

在家电系统仿真中，我们常常需要结合两者进行建模。因此常常会遇到 Simulink 与第三方软件联合仿真的问题。

联合仿真可以分为模型交换（Model Exchange）和协同仿真（Co-Simulation）两种。

其中模型交换的目的是建模平台可以动态生成模型的 C 代码，并且该代码可供其他模型使用，模型由微分、代数和离散方程所描述；

协同仿真的是在联合仿真环境中耦合两个或多个仿真工具提供的接口，各子系统之间的仿真数据交换仅被局限于那些离散的通信点上，在两个通信点间的都由各自所带的求解器求解。

简单地说，第一种模式下被调用的第三方软件程序不包含模型求解器，而后者包含。

Simulink 通过 S-function 和 FMU 都可以很好地支持这两种联合仿真形式。

例如在下面这个例子中 Simscape 与 JMAG-RT 仿真软件生成的永磁同步电机模型进行联合仿真，从而对电机控制系统、控制回路、电气回路和机械负载进行分析。

JMAG-RT 可以根据 JMAG 有限元模型提取电机特征，作为精确降阶模型的数据表。

通过数据导入 Simulink（通过 S-function），它使仿真能够反映每个电机的形状和磁饱和特性的差异。能够将控制算法与精确的电机模型进行联合仿真，有助于用户在硬件原型可用之前验证其控制系统。

我们再看一个协同仿真的例子：

电路仿真模型是使用 Pspice 建立，而控制系统则是由 Simulink 搭建的。并在 Simulink 环境中集成系统设计和调试环境，并使用所有 MATLAB 后处理分析、可视化和测量功能。其中调用的 Pspice 模型是调用了 Pspice 的本地求解器。

家电系统详细建模与应用案例

冰箱制冷系统仿真

在冰箱的开发过程中，由于环保问题而导致的制冷剂替代以及冰箱能耗要求的提高， 这都需要设计者保证系统具有良好的匹配，而这是传统的试制方法难以满足的。

使用 Simscape 工具对电冰箱的工作过程进行数字仿真，为冰箱设计和系统优化提供了一种有效的手段。

为了建立冰箱工作的系统模型，首先要分析其系统的构成，包括冰箱热负荷，即内部的食物与内部环境、冰箱内外壁与外界的空气、以及制冷系统的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等。

系统设计的重要目标是验证冰箱的制冷性能。

通过 1D 仿真，我们可以设计温度控制算法控制压缩机转速、对散热器以及其他各部件进行选型，或者优化整个系统等，达到使冰箱内的温度保持恒定的目标。

冰箱系统的模型如图所示。

选用二相流物理域表达冷媒在压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀（毛细管）的气液状态变化，冷媒流经蒸发器时发从气态变成液态，发生吸热，从而从连接的冰箱内部带走热量进行制冷。

冷凝器端则发生放热反应，向冰箱外部放热。而蒸发器端则与冰箱内部的热负荷发生热传递，从而产生制冷效果。这部分的热负荷区域又分为冷藏室与冷冻室，对热负荷的建模也是冰箱系统仿真中的一个难点话题。

最后是设计温度的控制策略，控制打开和关闭压缩机，使冷藏室温度保持在 4℃。

在 R143a Properties 模块中设置冷媒 R134a 的流体特性，如下图所示。

温度控制器与压缩机模型如下如所示，在温度控制模块中，使用 Simulink 库中的开关控制模块进行设定。而压缩机的建模则是使用Map图的建模方法，根据制造厂家提供的性能曲线进行回归并由实际工况修正的性能参数来建模。

冰箱内部（包括冷藏室与冷冻室）的空气流动以及热流传递使用湿空气物理域的器件建模。该子系统的两个端口为 A2， B2， 它们连接到外部的蒸发器的湿空气模块的两个端口上，从而蒸发器吸热完成了对整个冰箱内部的制冷。

在冷藏室内部，制冷后的空气从 A 端口流入，B 端口流出，从而与内部的食物、冰箱内壁以及因为开门带来的热空气流发生热交换。

冷冻室的模型也类似，如下图

而冰箱外部的模型如下图，冷凝器散热的端口通过 A2，B2 口流入到冰箱外部进行散热，其中的流速受冷凝器端的风扇作用的影响。

仿真的结果如下图所示，当食物量较少是，可以看出冰箱在打开与关闭冰箱门的状态下，冷藏室的温度变化，制冷系统各部件的温度变化以及整个系统消耗的功率（包括压缩机的功率消耗，以及蒸发器、冷凝器端的风扇耗能）。可以看到冷藏室与冷冻室的食物温度在目标温度上下波动，达到制冷效果。

当食物较多时，通过仿真结果可以看到冷藏室与冷冻室的食物温度在目标温度在接近4小时候的持续制冷后，才能勉强到达目标温度。对于系统设计来说，选用更高功率的压缩机会更合适。

洗衣机转速控制系统仿真

在洗衣机的开发中，洗衣机电机转速控制一直是一个重要话题。使用1D的仿真方在滚筒洗衣机在洗衣状态下，验证洗衣机电机的转速控制算法。

系统模型中包含输入指令，（电源信号、洗衣机门开关信号、谁微信号、温度控制、负载平衡等），速度控制器，电机及其驱动控制系统，以及洗衣机的机械系统部分。

具体的电机及其驱动系统模型如下图：

而机械模型则使用 Simscape Multibody 搭建三维的动力学模型。该机械模型的动力输入来自于电气系统中电机的扭矩输出。

通过 Simscape Multibody 的仿真，我们可以直接查看结果动画。

并验证电机算法是否能够满足追踪目标转速的需求。

还可以在控制策略上加入减振控制，或者通过弹簧减震器参数的配置优化减振效果。

下面是滚筒的振动响应的动画仿真结果。

1D 仿真在家电行业的应用越来越多。想了解更多案例，可以点击“阅读原文”，在 MATLAB 的帮助文档中查询，我们提供了多种常用家电的模型案例。

责任编辑：lq