柴油發(fā)電機組轉速控制半物理仿真

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

建立柴油發(fā)電機組的仿真模型是Simulink的強項。由于半物理仿真系統(tǒng)需要連接特定的硬件設備，仿真程序需要定制人機界面實現(xiàn)參數(shù)設置等功能，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)的強項。VC可視化C++編程環(huán)境具有強大的硬件控制功能和靈活豐富的人機界面設計功能。但直接采用VC建立柴油發(fā)電機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)電機組的仿真模型，然后通過Matlab實時工作間(RTW)將Simulink仿真模型轉化成可移植的嵌入式C++代碼，最后和Visual C++的項目文件進行整合構成完全獨立運行的實時半物理仿真系統(tǒng)。

2 柴油發(fā)電機組模型的構建及半物理仿真系統(tǒng)結構

柴油機的建模一般有2種途徑，一種是數(shù)學機理建模，一種是試驗辨識建模。數(shù)學機理建模主要從柴油機各部件的原始特性和結構參數(shù)入手，根據(jù)動力學和熱力學關系方程建立機理模型其建模的工作量大，計算復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)柴油機試驗臺試驗數(shù)據(jù)，采用不同的數(shù)學擬合方法建立柴油機的數(shù)學模型。對于研究電子調速器參數(shù)整定以及配機試驗，這里關心柴油機外部性能參數(shù)的關系，可以不考慮柴油機內部的熱力過程。只要柴油發(fā)電機組仿真模型能較真實地模擬柴油機及其負載特性，則測試結果就能較為真實地反映出電子調速器的實際配機性能。

因此選用試驗辨識建模法，應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立柴油機發(fā)電機組模型。如圖1所示。MTU396柴油發(fā)電機組轉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)脈寬調制(PWM)信號，即執(zhí)行機構齒條驅動信號；

(2)頻率信號，即模擬柴油轉速脈沖信號；

(3)開關量信號，即對電子調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)或信號設置為全局變量，模型自動生成的可執(zhí)行代碼在目標系統(tǒng)中運行時，可以方便地與Simulink模型交互，實現(xiàn)在線參數(shù)調整和信號通訊。利用RTW這種功能，可把模型中需要調整、監(jiān)測的參數(shù)或者信號設置為全局變量。這些變量構成后面所述VC仿真程序中模塊間交互的橋梁。

RTW支持多種目標，所以RTW自動生成C++模型代碼有多種選擇，對于VC而言有3種目標可以選擇：通用實時(GRT)目標、通用實時Malloc(GRTM)目標、嵌入式目標。通用實時(GRT)目標采用實時代碼格式，其內存的分配在編譯時被靜態(tài)聲明。通用實時Malloc(GRTM)目標采用實時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代碼格式對內存進行動態(tài)聲明。嵌入式目標可按嵌入式代碼格式生C++代碼，在運行速度、內存使用量和簡化等方面都進行了優(yōu)化。嵌入式代碼采用靜態(tài)內存分配方式。本文選擇嵌入式目標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安裝目錄中復制出來，并和模型代碼共同組成仿真模型代碼。