SISTEMA DE CONTROLE DE TEMPERATURA VEICULAR

Um sistema de controle de temperatura veicular, HVAC (Heating, Ventilating, and Air Conditioning), foi utilizado para avaliar o funcionamento da ferramenta MS2_PSoC

na s´ıntese de sistema de sinal misto. Este sistema foi adaptado de um exemplo presente no ambiente Simulink, dispon´ıvel no MathWorks (2013). Na Figura 24 apresenta-se o sistema de controle de temperatura veicular.

Figura 24 – Sistema de controle de temperatura veicular no Simulink.

Fonte: MathWorks (2013).

O sistema de controle de temperatura veicular ´e composto por um controle geral que supervisiona a temperatura interna do ve´ıculo e controla o acionamento do ar condicionado ou do aquecedor conforme a varia¸c˜ao da temperatura interna do ve´ıculo.

A cada pulso do “Clock”, o subsistema “F Controle” calcula a diferen¸ca entre a temperatura interna desejada e a atual. Com essa diferen¸ca de temperatura controla- se a velocidade de rota¸c˜ao do ventilador e o acionamento dos subsistemas “Controle AC” ou “Controle Aquecedor”.

Conforme o valor da temperatura interna vai se alterando, aciona-se o ar condicionado ou o aquecedor para que a temperatura se mantenha no valor desejado. Repete-se este ciclo enquanto o sistema estiver acionado, mantendo a temperatura veicular est´avel.

no sistema de controle de temperatura veicular.

No subsistema “F Controle” encontra-se o circuito de controle do sistema. Na Figura 25 apresenta-se o sistema presente neste subsistema.

Figura 25 – Subsistema F Controle para o controle do sistema de temperatura veicular.

Fonte: MathWorks (2013).

De acordo com a Figura 25 o subsistema “F Controle” ´e composto por duas m´aquinas de estados finitos (FSM) denominadas Blower e Heater AC. Na FSM Blower define-se a velocidade com que o ventilador girar´a. Quanto maior a diferen¸ca entre a temperatura interna desejada e a atual, mais r´apido o ventilador girar´a.

A FSM denominada Heater AC controla o acionamento do ar condicionado ou do aquecedor. Para ocorrer o acionamento do aquecedor ´e necess´ario que a diferen¸ca entre a temperatura interna desejada e a atual seja maior que 0,5◦_{C (Celsius). De maneira}

an´aloga, para o acionamento do ar condicionado ´e necess´ario que a diferen¸ca entre as temperaturas seja menor que 0,5◦_{C. O valor 0,5 na diferen¸ca das temperaturas desejada}

e interna foi estabelecido para evitar o cont´ınuo acionamento do ar condicionado ou do aquecedor.

Os valores de temperatura inseridos pelo usu´arios est˜ao na escala de grau Celsius, por´em no equacionamento do sistema utiliza-se o valor da temperatura em escala Kelvin. Portanto, realiza-se a convers˜ao da temperatura de grau Celsius para grau Kelvin. Na

Figura 26 apresenta-se o circuito inserido nos subsistemas de convers˜ao denominados “Celsius Kelvin” e “Celsius Kelvin1”. Estes subsistemas podem ser visualizados na Figura

24.

Figura 26 – Subsistema Celsius Kelvin para convers˜ao de temperatura de Celsius para Kelvin.

Fonte: MathWorks (2013).

A convers˜ao de grau Celsius para grau Kelvin ´e realizada somando-se o valor 273 ao valor de temperatura em grau Celsius. Nota-se, na Figura 26 que a vari´avel saida kelvin ´e a soma da vari´avel entrada celsius e o valor constante 273.

Para fins de simula¸c˜ao, ´e necess´ario que o usu´ario especifique a temperatura externa ao ve´ıculo na constante “Temp ext” e a temperatura interna desejada na constante “Setpoint”. Como a temperatura interna desejada ´e inserida em grau Celsius, deseja-se que a informa¸c˜ao da temperatura interna atual apresentada ao usu´ario tamb´em esteja em grau Celsius. Logo, converte-se a temperatura interna atual de Kelvin para grau Celsius. Esta convers˜ao ´e realizada no subsistema “Kelvin Celsius” e ´e apresentada na Figura 27. O subsistema pode ser visualizado na Figura 24.

Figura 27 – Subsistema Kelvin Celsius para convers˜ao de temperatura de Kelvin para Celsius.

Fonte: MathWorks (2013).

Para realizar a convers˜ao de grau Kelvin para grau Celsius subtrai-se o valor 273 do valor de grau Kelvin. Nota-se que a vari´avel saida celsius ´e o resultado da subtra¸c˜ao entre a vari´avel entrada kelvin e a constante no valor 273.

Caso a diferen¸ca entre a temperatura desejada e a atual for menor que 0,5, o controle principal do sistema de temperatura acionar´a o ar condicionado para resfriar o interior do ve´ıculo.

O subsistema “Controle AC” ´e o respons´avel por este resfriamento e o modelo deste subsistema ´e apresentado na Figura 28.

Figura 28 – Subsistema Controle AC para o controle do ar condicionado.

Fonte: MathWorks (2013).

Os parˆametros deste subsistema s˜ao a velocidade de rota¸c˜ao e o torque do motor do ar condicionado. As outras vari´aveis s˜ao a velocidade do ventilador e a temperatura interna atual do interior do ve´ıculo. Para desenvolver o subsistema “Controle AC” utilizou-se a Equa¸c˜ao 1 (MATHWORKS, 2013).

y∗ (w ∗ T comp) = m dot ∗ (h4 − h1) (1) onde:

• y: eficiˆencia;

• m dot: taxa de fluxo de massa; • w: velocidade do motor;

• Tcomp: torque do compressor; • h4, h1: entalpia.

A vari´avel de sa´ıda do subsistema “Controle AC” ´e denominada “tem saida ac” e corresponde a uma atualiza¸c˜ao da temperatura interna do ve´ıculo, sendo seu valor sempre menor que o valor de entrada “temp int ac”. Esta varia¸c˜ao negativa do valor da temperatura ocorre devido ao funcionamento do ar condicionado e `a velocidade de giro do ventilador.

O n´umero de ocupantes no ve´ıculo influencia na atua¸c˜ao do sistema de controle de temperatura veicular. Quanto maior o n´umero de ocupantes, maior o calor interno do ve´ıculo. Portanto, no subsistema “Calor”, apresentado na Figura 24, informa-se o n´umero de ocupantes do ve´ıculo para se calcular o calor gerado por pessoa. Na Figura 29 apresenta- se o circuito presente no subsistema “Calor”.

Figura 29 – Subsistema Calor para o c´alculo do calor gerado por pessoa.

Fonte: MathWorks (2013).

Nota-se que o n´umero de ocupantes ´e multiplicado por uma constante de valor 100 para calcular o calor gerado por pessoa no interior do ve´ıculo. Esta constante ´e utilizada como uma taxa de calor gerado por cada ocupante presente no interior do ve´ıculo (MATHWORKS, 2013).

Para alterar o n´umero de ocupantes do ve´ıculo, altera-se o componente N ocupantes. Por padr˜ao, o n´umero de ocupantes ´e um.

No momento em que a diferen¸ca de temperatura desejada e a atual no interior do ve´ıculo estiver maior que 0,5◦_{C, o sistema de aquecimento ´e acionado. Na Figura}

30 apresenta-se o circuito contido no subsistema “Controle Aquecedor” referente ao aquecedor.

Figura 30 – Subsistema Controle Aquecedor para o controle do aquecedor.

Fonte: MathWorks (2013).

Para desenvolver este subsistema utilizou-se a Equa¸c˜ao 2 (MATHWORKS, 2013).

onde:

• Ts: constante de temperatura do radiador; • D: 0,004 m; • L: 0,05 m; • N: 100; • k: 0,026 W/mK; • Cp: 1007 J/kgK; • hc: 3,66 k/D = 23,8 W/m2K.

A vari´avel de sa´ıda do subsistema “Controle Aquecedor” denominada tout representa o valor da temperatura de sa´ıda do aquecedor e tende a ser maior que a temperatura de entrada. Isto ocorre devido a multiplica¸c˜ao da fun¸c˜ao de troca de calor com a mudan¸ca de temperatura desejada.

No subsistema “Interior”, apresentado na Figura 24, calcula-se a dinˆamica da temperatura no interior do ve´ıculo devido ao calor dos ocupantes e a outros fatores como, por exemplo, a velocidade dos ventiladores. Na Figura 31 apresenta-se o sistema que comp˜oe o subsistema “Interior”.

Figura 31 – Subsistema Interior para o c´alculo da temperatura veicular.

Fonte: MathWorks (2013).

Nesta representa¸c˜ao o componente cabine ´e um integrador presente na biblioteca do Simulink. Nota-se que a vari´avel de entrada ent int ´e multiplicada pelo valor da vari´avel ganho e posteriormente integrada, sendo o resultado obtido na vari´avel sai int.

Analisando o subsistema “Interior”, verifica-se que a vari´avel de sa´ıda sai int ´e uma rampa crescente, caso esteja integrando uma constante positiva ou uma rampa negativa, caso esteja integrando uma constante negativa.

Pelo esquema geral do sistema de controle de temperatura veicular verifica-se que a vari´avel de sa´ıda sai int assume o valor atual da temperatura interna do ve´ıculo, sendo este valor utilizado para realimentar o sistema de controle.

Para simular o controle de temperatura veicular utilizou-se como temperatura desejada o valor de 20◦_{C, temperatura externa o valor de 30}◦_{C e o Clock com per´ıodo de 1 segundo.}

Com o componente Scope (possui a mesma funcionalidade que um oscilosc´opio) obteve-se a forma de onda da temperatura interna do ve´ıculo. Na Figura 32 apresenta-se a forma de onda obtida.

Figura 32 – Simula¸c˜ao do sistema de controle da temperatura veicular.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 19.4 19.6 19.8 20 20.2 20.4 20.6 Tempo (seg) Temperatura (ºC) Simulação HVAC.

Fonte: Elaborada pelo autor.

Nota-se que a temperatura interna do ve´ıculo permanece pr´oxima dos 20◦_{C com}

largura de banda de 0, 5◦_{C para evitar o constante acionamento dos sistemas de ar}

condicionado ou aquecedor.

Os sistemas apresentados neste cap´ıtulo foram implementados no dispositivo PSoC e os resultados obtidos pelos sistemas reais foram comparados com os da simula¸c˜oes. Apresenta-se no pr´oximo cap´ıtulo os resultados obtidos e as compara¸c˜oes realizadas.