基于Simulink的模型調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉少飛，王魏（北京汽車動力總成有限公司，北京，101108）

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基于Simulink的模型調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)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(tǒng)采用Excel表格管理任務(wù)函數(shù)，通過M腳本文件讀取調(diào)度信息生成Simulink調(diào)度模型，控制集成模型中各個模型的執(zhí)行周期、執(zhí)行順序及代碼生成結(jié)構(gòu)。在實(shí)際ECU開發(fā)中的應(yīng)用表明，此系統(tǒng)既能節(jié)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(yùn)行的正確性。

關(guān)鍵詞：任務(wù)函數(shù)；調(diào)度模型；執(zhí)行周期；執(zhí)行順序；代碼生成

劉少飛畢業(yè)于太原理工大學(xué)信號與信息處理專業(yè)，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)镚DI發(fā)動機(jī)ECU控制策略開發(fā)；主要技術(shù)成果：完成GDI發(fā)動機(jī)爆震控制系統(tǒng)開發(fā)與測試、自建模塊庫設(shè)計(jì)、模型調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)等項(xiàng)目。

1 前言

汽車作為機(jī)電類產(chǎn)品，電子系統(tǒng)是其重要的組成部分。日益嚴(yán)格的法規(guī)及對安全與舒適性的更高要求使得ECU軟件越來越復(fù)雜[1]，采用傳統(tǒng)的ECU開發(fā)流程已經(jīng)難以完成現(xiàn)代控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[2]，基于模型的設(shè)計(jì)方法克服了傳統(tǒng)開發(fā)平臺的缺陷[3,4]，保證了設(shè)計(jì)和開發(fā)的正確性，縮短了開發(fā)周期。

模型調(diào)度系統(tǒng)在基于模型的軟件開發(fā)過程中占據(jù)著重要地位，精確控制著整個功能軟件的運(yùn)行。本文采用Simulink建模工具，通過M腳本文件將調(diào)度信息表與模型關(guān)聯(lián)，自動生成調(diào)度模型，調(diào)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(jié)構(gòu)，大大提高了ECU的開發(fā)效率。

2　模型調(diào)度系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)除初始化任務(wù)外，模型任務(wù)調(diào)度分為同步任務(wù)和時間任務(wù)。對同步任務(wù)，本調(diào)度系統(tǒng)方案是將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為角度步長（精度由系統(tǒng)仿真步長決定，可任意調(diào)節(jié)），通過角度累加來模擬曲軸轉(zhuǎn)角（0到720度），與目標(biāo)角度比較判斷是否達(dá)到相應(yīng)角度，從而觸發(fā)相應(yīng)同步任務(wù)（S0或S1）；而對時間任務(wù)，則是通過計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。此系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)集成模型的調(diào)度，主要由基本輸入?yún)?shù)、任務(wù)觸發(fā)器（角度步長計(jì)算、角度累加、任務(wù)觸發(fā)）、任務(wù)列表、任務(wù)分配和模型集成組成，虛線框表示ECU軟件開發(fā)的其他環(huán)節(jié)，通過充分測試的模型會與基礎(chǔ)軟件集成，最終生成的可執(zhí)行文件會下載到ECU中。

圖1　模型調(diào)度系統(tǒng)總體方案

該調(diào)度系統(tǒng)是通過Simulink建模實(shí)現(xiàn)，將發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，即每分鐘曲軸轉(zhuǎn)過的角度，可以反映不同時刻，發(fā)動機(jī)處于哪個工作行程，進(jìn)氣行程、壓縮行程、做功行程，還是排氣行程，從而應(yīng)該控制哪些任務(wù)執(zhí)行，如噴油或點(diǎn)火）和系統(tǒng)參數(shù)（角度位置定義和仿真步長）作為系統(tǒng)輸入，從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速中提取發(fā)動機(jī)位置信息，從而觸發(fā)相應(yīng)任務(wù)，本系統(tǒng)針對的是四缸發(fā)動機(jī)，對于其他缸數(shù)發(fā)動機(jī)只需做少量修改即可。

2.1 任務(wù)觸發(fā)器

設(shè)計(jì)出的任務(wù)觸發(fā)器如下圖所示。

圖2　任務(wù)觸發(fā)器

1、基本輸入?yún)?shù)

（1）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速可以是定值，也可以是實(shí)時變化的量。

（2）同步標(biāo)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(tǒng)0點(diǎn)），之后每間隔180度會出現(xiàn)一個S0。

（3）同步標(biāo)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(xiàn)一個S1。

（4）系統(tǒng)仿真步長dT

系統(tǒng)運(yùn)行周期，該參數(shù)決定著整個系統(tǒng)的精度，可以任意調(diào)節(jié)。

2、任務(wù)觸發(fā)器

（1）角度步長計(jì)算

將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（1/min）轉(zhuǎn)化為每秒轉(zhuǎn)過的角度，再乘以系統(tǒng)仿真步長,便得到角度步長。

（2）角度累加器

針對于四缸GDI發(fā)動機(jī)，一個工作循環(huán)（進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣），曲軸轉(zhuǎn)兩圈，即720度[5]。此部分通過角度累加器實(shí)現(xiàn)，初始值默認(rèn)為0度，將角度步長（隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化）累加，累加值達(dá)到720度后，將累加器重置為0度，重新累加，周而復(fù)始，這樣就可以模擬實(shí)際曲軸轉(zhuǎn)角。

（3）任務(wù)觸發(fā)

觸發(fā)的任務(wù)類型包含三類：

初始化任務(wù)：模擬ECU上電初始化，模型運(yùn)行第一步觸發(fā)該任務(wù)，之后不再執(zhí)行；

同步任務(wù)：包括S0和S1任務(wù)，S0對應(yīng)的觸發(fā)角度為0度、180度、360度和540度，S1任務(wù)對應(yīng)的觸發(fā)角度為120度、300度、480度和660度，同步任務(wù)是通過判斷上一個執(zhí)行周期曲軸轉(zhuǎn)角到當(dāng)前曲軸轉(zhuǎn)角是否覆蓋目標(biāo)角度來決定是否觸發(fā)的。同步任務(wù)主要針對于對發(fā)動機(jī)同步角度要求較高的任務(wù)，如噴油、點(diǎn)火，通過同步任務(wù)調(diào)度可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的精確噴油和點(diǎn)火。

時間任務(wù)：主要包含1 ms、10 ms、20 ms、50 ms、100 ms和200 ms任務(wù)，如果需要，還可以添加其他時間任務(wù)，時間任務(wù)是通過計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，每個時間任務(wù)對應(yīng)一個計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器以系統(tǒng)仿真步長累加，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)時間時，觸發(fā)該時間任務(wù)，并將計(jì)數(shù)器重置為0，用于該任務(wù)的下一次觸發(fā)。時間任務(wù)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(wù)，如傳感器信號采集，節(jié)氣門控制等。

2.2 任務(wù)分配

根據(jù)發(fā)動機(jī)控制需求，將不同任務(wù)函數(shù)按照先后順序分別列于相應(yīng)任務(wù)的Excel.Sheet中，如圖3所示,這些文件包含了整個控制系統(tǒng)模型的任務(wù)調(diào)度信息。

圖3　調(diào)度信息表

任務(wù)函數(shù)列表與集成模型中的任務(wù)函數(shù)（模塊）是一一對應(yīng)的，按照任務(wù)類型和優(yōu)先級進(jìn)行了分類，放在不同的Excel.Sheet中，通過M腳本文件可以將任務(wù)函數(shù)與模型中對應(yīng)的任務(wù)函數(shù)（模塊）觸發(fā)信號相關(guān)聯(lián)，當(dāng)集成模型中的任務(wù)函數(shù)（模塊）發(fā)生變化時，通過修改Excel中的任務(wù)函數(shù)列表，運(yùn)行M腳本文件，模型中的任務(wù)觸發(fā)信號會自動更新，與需要集成的模型自動對應(yīng)。

圖4　任務(wù)分配

2.3 Simulink調(diào)度系統(tǒng)模型

設(shè)計(jì)出的調(diào)度系統(tǒng)模型分為兩部分：任務(wù)觸發(fā)器和任務(wù)分配器，如下圖所示：

圖5　調(diào)度系統(tǒng)模型

（1）任務(wù)觸發(fā)器

任務(wù)觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)之間通過腳本文件可以自動替換。

圖6　任務(wù)觸發(fā)器

（左：用于模型測試；右：用于代碼生成）

（2）任務(wù)分配器

任務(wù)分配器是根據(jù)調(diào)度信息表中的任務(wù)函數(shù)類型及執(zhí)行順序生成的模型調(diào)度觸發(fā)信號。

圖7　任務(wù)分配器

3　模型調(diào)度系統(tǒng)在ECU軟件開發(fā)中的應(yīng)用

3.1 模型集成與測試

集成模型中的子模塊是按照任務(wù)類型區(qū)分的，每個任務(wù)子模塊與調(diào)度信息表中的任務(wù)函數(shù)列表一一對應(yīng)，也就是和任務(wù)觸發(fā)信號是一一對應(yīng)的，每個任務(wù)子模塊的觸發(fā)信號從任務(wù)觸發(fā)信號中選取（通過調(diào)度信息表和M腳本文件已經(jīng)在調(diào)度系統(tǒng)模型中自動生成）。模型的調(diào)度機(jī)制模擬的是底層操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度機(jī)制，集成模型加上調(diào)度后，運(yùn)行機(jī)制與底層實(shí)際代碼運(yùn)行機(jī)制更接近，這樣模型的測試會更準(zhǔn)確，更充分。

以GDI發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)為例，集成模型包含調(diào)度模型（任務(wù)觸發(fā)和任務(wù)分配）和被調(diào)度模型（包括：發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型、扭矩模型、空氣模型、噴油模型、點(diǎn)火模型及與底層驅(qū)動之間的接口模型）。在模型級別測試模型時，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速作為調(diào)度模型的輸入，再將調(diào)度信息列表中與被調(diào)度模型一一對應(yīng)的函數(shù)通過M腳本文件自動生成調(diào)模型的調(diào)度信息，用于測試時的模型調(diào)度。

圖8　模型集成

被調(diào)度模型如下圖所示（以其中的一個點(diǎn)火模型為例）。

圖9　集成模型中的一個點(diǎn)火模型

生成調(diào)度后，給定集成模型輸入目標(biāo)數(shù)據(jù)，可以測試整個集成模型，以點(diǎn)火角計(jì)算模型為例，仿真測試結(jié)果如圖10所示：

圖10　點(diǎn)火角仿真測試結(jié)果

3.2 模型代碼生成

對集成的每個任務(wù)子模塊代碼生成項(xiàng)進(jìn)行了設(shè)置，生成的代碼，會按照任務(wù)類型區(qū)分開，同一種任務(wù)類型的函數(shù)會按照執(zhí)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(wù)函數(shù)按照執(zhí)行順序生成到Task_200 ms函數(shù)（或文件）中。

圖11　代碼生成結(jié)構(gòu)

3.3 系統(tǒng)集成與測試

目前此模型調(diào)度系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到了ECU軟件開發(fā)中，與應(yīng)用軟件、基礎(chǔ)軟件等相關(guān)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(zhí)行文件，下載到ECU開發(fā)板中進(jìn)行HIL或臺架測試。

圖13~圖15是自主開發(fā)的ECU臺架測試中爆震控制的測試結(jié)果，通過爆震傳感器檢測缸體振動情況，當(dāng)振動能量達(dá)到一定閾值后，ECU會檢測到爆震，并進(jìn)行點(diǎn)火角推遲，當(dāng)爆震消失后，點(diǎn)火角推遲量會逐漸恢復(fù)到0。

圖13　缸體振動能量臺架測試數(shù)據(jù)

圖14　檢測到爆震標(biāo)志位臺架測試數(shù)據(jù)

圖15　爆震控制點(diǎn)火角推遲量臺架測試數(shù)據(jù)

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的模型調(diào)度系統(tǒng)通過Excel表格管理任務(wù)調(diào)度信息，方便直觀，通過M腳本文件實(shí)現(xiàn)了調(diào)度信息與調(diào)度模型的關(guān)聯(lián)，模型調(diào)度信息自動生成，節(jié)省了模型搭建與修改時間，并能夠控制代碼生成結(jié)構(gòu)，使代碼更優(yōu)化，集成效率更高。在實(shí)際ECU開發(fā)中的應(yīng)用表明，利用該系統(tǒng)開發(fā)的功能運(yùn)行正確可靠，能夠滿足發(fā)動機(jī)精確控制的要求。

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中圖分類號：U464.12

文獻(xiàn)標(biāo)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