基于Simulink的模型調度系統設計及應用

劉少飛，王魏（北京汽車動力總成有限公司，北京，101108）

?

基于Simulink的模型調度系統設計及應用

劉少飛，王魏
（北京汽車動力總成有限公司，北京，101108）

摘 要：本系統采用Excel表格管理任務函數，通過M腳本文件讀取調度信息生成Simulink調度模型，控制集成模型中各個模型的執行周期、執行順序及代碼生成結構。在實際ECU開發中的應用表明，此系統既能節省模型搭建時間，也可以有效提高代碼生成和集成效率，確保功能運行的正確性。

關鍵詞：任務函數；調度模型；執行周期；執行順序；代碼生成

劉少飛畢業于太原理工大學信號與信息處理專業，碩士學位，研究方向為GDI發動機ECU控制策略開發；主要技術成果：完成GDI發動機爆震控制系統開發與測試、自建模塊庫設計、模型調度系統設計等項目。

1 前言

汽車作為機電類產品，電子系統是其重要的組成部分。日益嚴格的法規及對安全與舒適性的更高要求使得ECU軟件越來越復雜[1]，采用傳統的ECU開發流程已經難以完成現代控制系統的設計[2]，基于模型的設計方法克服了傳統開發平臺的缺陷[3,4]，保證了設計和開發的正確性，縮短了開發周期。

模型調度系統在基于模型的軟件開發過程中占據著重要地位，精確控制著整個功能軟件的運行。本文采用Simulink建模工具，通過M腳本文件將調度信息表與模型關聯，自動生成調度模型，調度整個集成模型，即可用于早期模型級別的仿真測試，保證控制算法完整可靠，也可控制后期的代碼生成結構，大大提高了ECU的開發效率。

2　模型調度系統方案設計

本系統除初始化任務外，模型任務調度分為同步任務和時間任務。對同步任務，本調度系統方案是將發動機轉速轉化為角度步長（精度由系統仿真步長決定，可任意調節），通過角度累加來模擬曲軸轉角（0到720度），與目標角度比較判斷是否達到相應角度，從而觸發相應同步任務（S0或S1）；而對時間任務，則是通過計數器來實現。此系統用來實現集成模型的調度，主要由基本輸入參數、任務觸發器（角度步長計算、角度累加、任務觸發）、任務列表、任務分配和模型集成組成，虛線框表示ECU軟件開發的其他環節，通過充分測試的模型會與基礎軟件集成，最終生成的可執行文件會下載到ECU中。

圖1　模型調度系統總體方案

該調度系統是通過Simulink建模實現，將發動機相關參數（發動機轉速，即每分鐘曲軸轉過的角度，可以反映不同時刻，發動機處于哪個工作行程，進氣行程、壓縮行程、做功行程，還是排氣行程，從而應該控制哪些任務執行，如噴油或點火）和系統參數（角度位置定義和仿真步長）作為系統輸入，從發動機轉速中提取發動機位置信息，從而觸發相應任務，本系統針對的是四缸發動機，對于其他缸數發動機只需做少量修改即可。

2.1 任務觸發器

設計出的任務觸發器如下圖所示。

圖2　任務觸發器

1、基本輸入參數

（1）發動機轉速

發動機轉速可以是定值，也可以是實時變化的量。

（2）同步標志位S0

曲軸缺齒后第二個齒的下降沿為第一個S0（此位置也定義為系統0點），之后每間隔180度會出現一個S0。

（3）同步標志位S1

曲軸缺齒后第二十二個齒的下降沿為第一個S1，之后每間隔180度會出現一個S1。

（4）系統仿真步長dT

系統運行周期，該參數決定著整個系統的精度，可以任意調節。

2、任務觸發器

（1）角度步長計算

將發動機轉速（1/min）轉化為每秒轉過的角度，再乘以系統仿真步長,便得到角度步長。

（2）角度累加器

針對于四缸GDI發動機，一個工作循環（進氣、壓縮、做功、排氣），曲軸轉兩圈，即720度[5]。此部分通過角度累加器實現，初始值默認為0度，將角度步長（隨發動機轉速的變化而變化）累加，累加值達到720度后，將累加器重置為0度，重新累加，周而復始，這樣就可以模擬實際曲軸轉角。

（3）任務觸發

觸發的任務類型包含三類：

初始化任務：模擬ECU上電初始化，模型運行第一步觸發該任務，之后不再執行；

同步任務：包括S0和S1任務，S0對應的觸發角度為0度、180度、360度和540度，S1任務對應的觸發角度為120度、300度、480度和660度，同步任務是通過判斷上一個執行周期曲軸轉角到當前曲軸轉角是否覆蓋目標角度來決定是否觸發的。同步任務主要針對于對發動機同步角度要求較高的任務，如噴油、點火，通過同步任務調度可以實現發動機的精確噴油和點火。

時間任務：主要包含1 ms、10 ms、20 ms、50 ms、100 ms和200 ms任務，如果需要，還可以添加其他時間任務，時間任務是通過計數器來實現，每個時間任務對應一個計數器，計數器以系統仿真步長累加，當達到相應時間時，觸發該時間任務，并將計數器重置為0，用于該任務的下一次觸發。時間任務主要針對于那些對同步角度無要求而對時間周期要求較高的任務，如傳感器信號采集，節氣門控制等。

2.2 任務分配

根據發動機控制需求，將不同任務函數按照先后順序分別列于相應任務的Excel.Sheet中，如圖3所示,這些文件包含了整個控制系統模型的任務調度信息。

圖3　調度信息表

任務函數列表與集成模型中的任務函數（模塊）是一一對應的，按照任務類型和優先級進行了分類，放在不同的Excel.Sheet中，通過M腳本文件可以將任務函數與模型中對應的任務函數（模塊）觸發信號相關聯，當集成模型中的任務函數（模塊）發生變化時，通過修改Excel中的任務函數列表，運行M腳本文件，模型中的任務觸發信號會自動更新，與需要集成的模型自動對應。

圖4　任務分配

2.3 Simulink調度系統模型

設計出的調度系統模型分為兩部分：任務觸發器和任務分配器，如下圖所示：

圖5　調度系統模型

（1）任務觸發器

任務觸發器內部結構分為兩種，一種用于模型級別的仿真測試，另一種用于代碼生成，兩種結構之間通過腳本文件可以自動替換。

圖6　任務觸發器

（左：用于模型測試；右：用于代碼生成）

（2）任務分配器

任務分配器是根據調度信息表中的任務函數類型及執行順序生成的模型調度觸發信號。

圖7　任務分配器

3　模型調度系統在ECU軟件開發中的應用

3.1 模型集成與測試

集成模型中的子模塊是按照任務類型區分的，每個任務子模塊與調度信息表中的任務函數列表一一對應，也就是和任務觸發信號是一一對應的，每個任務子模塊的觸發信號從任務觸發信號中選取（通過調度信息表和M腳本文件已經在調度系統模型中自動生成）。模型的調度機制模擬的是底層操作系統任務調度機制，集成模型加上調度后，運行機制與底層實際代碼運行機制更接近，這樣模型的測試會更準確，更充分。

以GDI發動機控制系統為例，集成模型包含調度模型（任務觸發和任務分配）和被調度模型（包括：發動機系統模型、扭矩模型、空氣模型、噴油模型、點火模型及與底層驅動之間的接口模型）。在模型級別測試模型時，將發動機轉速作為調度模型的輸入，再將調度信息列表中與被調度模型一一對應的函數通過M腳本文件自動生成調模型的調度信息，用于測試時的模型調度。

圖8　模型集成

被調度模型如下圖所示（以其中的一個點火模型為例）。

圖9　集成模型中的一個點火模型

生成調度后，給定集成模型輸入目標數據，可以測試整個集成模型，以點火角計算模型為例，仿真測試結果如圖10所示：

圖10　點火角仿真測試結果

3.2 模型代碼生成

對集成的每個任務子模塊代碼生成項進行了設置，生成的代碼，會按照任務類型區分開，同一種任務類型的函數會按照執行順序生成到同一個文件中，便于后期的代碼集成與測試。如圖11所示，所有200 ms任務函數按照執行順序生成到Task_200 ms函數（或文件）中。

圖11　代碼生成結構

3.3 系統集成與測試

目前此模型調度系統已經應用到了ECU軟件開發中，與應用軟件、基礎軟件等相關文件一同集成到了一鍵生成工具中，如圖12所示：

圖12　一鍵生成工具界面

利用一鍵生成工具，可以將所有文件整合直接生成可執行文件，下載到ECU開發板中進行HIL或臺架測試。

圖13~圖15是自主開發的ECU臺架測試中爆震控制的測試結果，通過爆震傳感器檢測缸體振動情況，當振動能量達到一定閾值后，ECU會檢測到爆震，并進行點火角推遲，當爆震消失后，點火角推遲量會逐漸恢復到0。

圖13　缸體振動能量臺架測試數據

圖14　檢測到爆震標志位臺架測試數據

圖15　爆震控制點火角推遲量臺架測試數據

4　結束語

本文設計的模型調度系統通過Excel表格管理任務調度信息，方便直觀，通過M腳本文件實現了調度信息與調度模型的關聯，模型調度信息自動生成，節省了模型搭建與修改時間，并能夠控制代碼生成結構，使代碼更優化，集成效率更高。在實際ECU開發中的應用表明，利用該系統開發的功能運行正確可靠，能夠滿足發動機精確控制的要求。

參考文獻：

[1] 孫穎，王建俊，張承瑞. 基于AUTOSAR的汽車電控系統代碼自動生成技術[J]. 重慶理工大學學報(自然科學)，2014，(03)：33~38.

[2] 趙彥斌，鐘再敏. 基于代碼自動生成技術的汽車電子實時控制軟件開發[J]. 計算輔助工程，2008，(03)：36~40.

[3] 邱寶梅. 基于Simulink/RTW的汽車電子控制系統的研究[J]. 計算機測量與控制，2011，(05)：1086 ~1088.

[4] 張德豐. MATLAB/Simulink建模與仿真實例精講[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

[5] 魏春源 譯. 汽車工程手冊[M]. 北京： 北京理工大學出版社，2008.

中圖分類號：U464.12

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2550（2016）02-0065-05

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.010

收稿日期：2015-12-18

Design and Application of Model Scheduling System Based on Simulink

LIU Shao-fei , WANG Wei
( BAIC Motor Powertrain Co.,Ltd, Beijing 101108,China )

Abstract:The system adopts Excel table to manage task function, reads scheduling information to generate simulink scheduling model by M script file and controls the execute periods, execute order and code generation structure of every model in integrated model. The application of the system in ECU development indicates that it can save the time of model building, improve the efficiency of code generation and integration, and ensure the correctness of functions run.

Key Words:Task function; Scheduling model; Execute period; Execute order; Code generation