柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制半物理仿真

1 引言

　　電子調(diào)速器是柴油機(jī)的關(guān)鍵部件之一，當(dāng)實際柴油機(jī)及其負(fù)載性能發(fā)生變化且與調(diào)速器設(shè)計參數(shù)不匹配時，柴油發(fā)電機(jī)組就無法正常工作，這時需要修改調(diào)速器的控制參數(shù)。另外，電子調(diào)速器在出廠前和維修后都需要進(jìn)行性能試驗，以設(shè)定合適的控制參數(shù)滿足其調(diào)節(jié)性能。在柴油機(jī)上直接進(jìn)行電子調(diào)速器的參數(shù)整定、性能測試、維修后性能恢復(fù)既不安全、又不經(jīng)濟(jì)。進(jìn)行半物理仿真是調(diào)速器進(jìn)行實際配機(jī)試驗之前不可缺少的環(huán)節(jié)，其工程思路是建立柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組全工作范圍動態(tài)仿真模型，通過輸入輸出接口電路與電子調(diào)速器相連構(gòu)成一閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而完成電子調(diào)速器的性能測試的相關(guān)試驗。

　　建立柴油發(fā)電機(jī)組的仿真模型是Simulink的強(qiáng)項。由于半物理仿真系統(tǒng)需要連接特定的硬件設(shè)備，仿真程序需要定制人機(jī)界面實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置等功能，這部分功能的實現(xiàn)對于Simulink來講則難以完成，而這恰恰是Visual C++(VC)的強(qiáng)項。VC可視化C++編程環(huán)境具有強(qiáng)大的硬件控制功能和靈活豐富的人機(jī)界面設(shè)計功能。但直接采用VC建立柴油發(fā)電機(jī)組的仿真模型則難度很大。

　　針對這一問題本文提供一種從Simulink仿真模型平滑過渡到Visual C++集成開發(fā)環(huán)境的方法。具體實現(xiàn)是在Simulink中建立柴油發(fā)電機(jī)組的仿真模型，然后通過Matlab實時工作間(RTW)將Simulink仿真模型轉(zhuǎn)化成可移植的嵌入式C++代碼，最后和Visual C++的項目文件進(jìn)行整合構(gòu)成完全獨立運行的實時半物理仿真系統(tǒng)。

2 柴油發(fā)電機(jī)組模型的構(gòu)建及半物理仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　柴油機(jī)的建模一般有2種途徑，一種是數(shù)學(xué)機(jī)理建模，一種是試驗辨識建模。數(shù)學(xué)機(jī)理建模主要從柴油機(jī)各部件的原始特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，根據(jù)動力學(xué)和熱力學(xué)關(guān)系方程建立機(jī)理模型其建模的工作量大，計算復(fù)雜而且為模型的求解帶來一定的難度。試驗辨識建模是根據(jù)柴油機(jī)試驗臺試驗數(shù)據(jù)，采用不同的數(shù)學(xué)擬合方法建立柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型。對于研究電子調(diào)速器參數(shù)整定以及配機(jī)試驗，這里關(guān)心柴油機(jī)外部性能參數(shù)的關(guān)系，可以不考慮柴油機(jī)內(nèi)部的熱力過程。只要柴油發(fā)電機(jī)組仿真模型能較真實地模擬柴油機(jī)及其負(fù)載特性，則測試結(jié)果就能較為真實地反映出電子調(diào)速器的實際配機(jī)性能。

　　因此選用試驗辨識建模法，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組模型。如圖1所示。MTU396柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制半物理仿真系統(tǒng)的輸人輸出信號，主要有3種類型：

　　(1)脈寬調(diào)制(PWM)信號，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)齒條驅(qū)動信號；

　　(2)頻率信號，即模擬柴油轉(zhuǎn)速脈沖信號；

　　(3)開關(guān)量信號，即對電子調(diào)速器的各種控制信號，如啟動、停止、增速減速控制等。

　　本系統(tǒng)選用研華的PCI-1780計數(shù)器卡，他提供8個16位計數(shù)器通道8路數(shù)字量輸出和8路數(shù)字量輸入，可以滿足上述需要。如圖2所示。

3 半物理仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 利用RTW生成可移植的C++模型代碼

　　RTW是Matlab圖形建模和仿真環(huán)境Simulink的一個重要的補充功能模塊，簡而言之，他是一個基于Simulink的代碼自動生成環(huán)境。他能直接從Simulink的模型中產(chǎn)生優(yōu)化的，可移植的代碼以加速仿真系統(tǒng)開發(fā)的過程和降低研發(fā)成本。

　　RTW能把Simulink模型中的某些參數(shù)或信號設(shè)置為全局變量，模型自動生成的可執(zhí)行代碼在目標(biāo)系統(tǒng)中運行時，可以方便地與Simulink模型交互，實現(xiàn)在線參數(shù)調(diào)整和信號通訊。利用RTW這種功能，可把模型中需要調(diào)整、監(jiān)測的參數(shù)或者信號設(shè)置為全局變量。這些變量構(gòu)成后面所述VC仿真程序中模塊間交互的橋梁。

　　RTW支持多種目標(biāo)，所以RTW自動生成C++模型代碼有多種選擇，對于VC而言有3種目標(biāo)可以選擇：通用實時(GRT)目標(biāo)、通用實時Malloc(GRTM)目標(biāo)、嵌入式目標(biāo)。通用實時(GRT)目標(biāo)采用實時代碼格式，其內(nèi)存的分配在編譯時被靜態(tài)聲明。通用實時Malloc(GRTM)目標(biāo)采用實時Malloc代碼格式，他與實時代碼格式非常相似，主要的區(qū)別在于實時malloc代碼格式對內(nèi)存進(jìn)行動態(tài)聲明。嵌入式目標(biāo)可按嵌入式代碼格式生C++代碼，在運行速度、內(nèi)存使用量和簡化等方面都進(jìn)行了優(yōu)化。嵌入式代碼采用靜態(tài)內(nèi)存分配方式。本文選擇嵌入式目標(biāo)來自動生成嵌入式代碼。

　　RTW自動生成的代碼分為2部分：一部分是模型代碼；另一部分是代碼運行界面(run-time interface)。這些代碼被切分成很多源代碼文件，為了管理這個龐大的項目，RTW還為其自動生成一個make文件。用VC打開make文件并編譯，然后將此項目中引用的所有源文件從Matlab安裝目錄中復(fù)制出來，并和模型代碼共同組成仿真模型代碼。

3.2 模型代碼和VC程序的集成

　　模型代碼同VC程序整合過程比較簡單，把3.1節(jié)仿真運算模塊所有涉及的源文件添加到VC程序項目中，需要注意2點：仿真模塊的源文件添加到VC程序項目后默認(rèn)應(yīng)用預(yù)編譯頭文件選項，必須手工取消此項設(shè)置否則編譯出錯；為了需要在VC程序中調(diào)用仿真代碼的接口函數(shù)需要進(jìn)行全局聲明。

3.3 VC中仿真系統(tǒng)進(jìn)一步開發(fā)與整合

　　半物理仿真軟件一般由人機(jī)界面模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、仿真運算模塊、數(shù)據(jù)處理模塊組成。MTU396柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制半物理仿真系統(tǒng)原理如圖3所示。下面簡單介紹各模塊的實現(xiàn)過程。

(1)人機(jī)界面模塊的實現(xiàn)

　　人機(jī)界面模塊構(gòu)成了VC程序的主線程，主要完成變量的實時顯示、參數(shù)在線調(diào)整、控制參數(shù)設(shè)置和程序的運行控制等功能，其他模塊都由他來調(diào)度。本系統(tǒng)中涉及的實時變量有柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、齒桿位移、柴油機(jī)負(fù)載等，筆者分別設(shè)計了轉(zhuǎn)速表、棒圖、趨勢曲線、調(diào)整滑桿、功能按鈕等圖元，充分利用面向?qū)ο蠓椒ǖ姆庋b、繼承等特點實現(xiàn)整個圖元庫，從而提高了軟件系統(tǒng)的可修改性、可重用性和可擴(kuò)展性。

(2)數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)采集模塊通過PCI-1780設(shè)備卡同電子調(diào)速器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，電子調(diào)速器的供油量信號以脈寬調(diào)制(PWM)的形式由PCI-1780設(shè)備卡傳給仿真程序，仿真程序通過仿真計算把柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速以頻率信號的形式經(jīng)PCI-1780設(shè)備卡反饋給電子調(diào)速器。數(shù)據(jù)采集模塊由廠家提供的設(shè)備驅(qū)動API函數(shù)實現(xiàn)。

(3)仿真運算模塊的實現(xiàn)

　　仿真運算模塊在RTW轉(zhuǎn)化韻仿真模型代碼基礎(chǔ)上還要加入仿真同步控制，以滿足仿真的實時性要求。實時性的關(guān)鍵就是I／O數(shù)據(jù)定時的準(zhǔn)確性。眾所周知Windows不是實時操作系統(tǒng)而是多任務(wù)的操作系統(tǒng)，采用VC編制的仿真程序很難實現(xiàn)硬件中斷，采用軟件定時是比較可行的方法，因為現(xiàn)在的計算機(jī)速度都很快，能夠保證一般硬件在回路仿真的實時性的需要。

　　VC中實現(xiàn)精確定時基本上有2種方法：①使用多媒體定時器。他使用單獨線程調(diào)用一個特殊的回調(diào)函數(shù)優(yōu)先級很高，最小定時間隔為1ms能夠滿足一般實時任務(wù)的定時要求。②使用高性能計數(shù)器。在Windows2000中由硬件實現(xiàn)高精度的計數(shù)器(high-resolution performancecounter)，利用他可以獲得高精度的定時間隔。由于本應(yīng)用中電子調(diào)速器輸出頻率為80 Hz，本文選擇多媒體計時器實現(xiàn)仿真控制，定時間隔選為2 ms。即多媒體定時器每隔2 ms就在其回調(diào)函數(shù)中調(diào)用模型代碼接口函數(shù)rt_On-eStep(模型單步運算)，保證整個仿真的向前推進(jìn)，滿足系統(tǒng)實時性要求。仿真運算模塊完成模型實時計算是整個系統(tǒng)的核心。

(4)數(shù)據(jù)處理模塊的實現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)處理模塊完成仿真數(shù)據(jù)的實時記錄和定時保存功能。為了滿足數(shù)據(jù)記錄的實時性，仿真程序采用了多線程的技術(shù)，將數(shù)據(jù)定時保存功能放在獨立的數(shù)據(jù)保存線程中執(zhí)行。數(shù)據(jù)處理線程和主線程的之間的同步由事件信號驅(qū)動。在C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(STL)，deque容器基礎(chǔ)上創(chuàng)建了CPointsCollection類來完成數(shù)據(jù)的實時記錄和定時保存。采用的策略是：CPointsCollection首先在內(nèi)存中開辟2塊緩沖區(qū)。第一緩沖區(qū)數(shù)據(jù)放滿后，數(shù)據(jù)開始存放到第二緩沖區(qū)，然后主線程同時通知數(shù)據(jù)保存線程將第一緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)采用VC序列化功能保存到硬盤的文本文件中；等第二緩沖區(qū)數(shù)據(jù)放滿后，數(shù)據(jù)開始存放到第一緩沖區(qū)，主線程同時通知數(shù)據(jù)保存線程將第二緩沖的數(shù)據(jù)保存到硬盤的文本文件中，這樣依次循環(huán)保證數(shù)據(jù)記錄的實時性。為了驗證利用該方法開發(fā)的半物理仿真系統(tǒng)的有效性，運行該系統(tǒng)與R082電子調(diào)速器物理連接進(jìn)行配機(jī)試驗，仿真結(jié)果表明仿真系統(tǒng)相應(yīng)符合理論分析結(jié)果。限于篇幅給出空載起動運行時的運行界面。如圖4所示。

4 結(jié) 語

　　結(jié)合科研實例詳細(xì)介紹一種基于RTW和VisualC++的半物理仿真系統(tǒng)快速開發(fā)方法，該方法充分利用Simulink和Visual C++各自的優(yōu)勢。首先利用Simulink可視化的建模方法建立系統(tǒng)的仿真模型，然后通過RTW將Simulink仿真模型轉(zhuǎn)化成可移植的嵌入式C++代碼，最后利用Visual C++靈活的可定制性和強(qiáng)大的界面功能實現(xiàn)完全獨立運行的實時半物理仿真系統(tǒng)。該仿真程序在Visual C++環(huán)境下可以對仿真程序方便的進(jìn)行調(diào)試a與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比這種方法具有費用低、效率高的特點。