發(fā)動機控制系統(tǒng)Simulink模型中MAP模塊的開發(fā)

賈利，張維彪，楊薇，智海峰，劉濤，況涪洪，肖維

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

發(fā)動機控制系統(tǒng)Simulink模型中MAP模塊的開發(fā)

賈利，張維彪，楊薇，智海峰，劉濤，況涪洪，肖維

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

針對發(fā)動機控制系統(tǒng)Simulink模型自動生成的代碼不支持MAP標定和燒寫的問題，開發(fā)了基于S函數(shù)的MAP模塊。建立使用該MAP模塊的發(fā)動機模型并生成基于飛思卡爾MPC5634M單片機的控制代碼。發(fā)動機臺架試驗結果證明，該MAP模塊生成的代碼可以實現(xiàn)MAP在線標定和離線燒寫功能。

控制單元；代碼生成；在線標定

隨著代碼生成工具的不斷發(fā)展，基于模型的設計方法被廣泛應用于汽車控制系統(tǒng)的開發(fā)[1-5]。Matlab/Simulink是在汽車電子控制軟件開發(fā)領域應用較廣泛的基于模型的設計軟件，提供了圖形化的編程環(huán)境，并支持根據(jù)模型來生成、測試和配置產(chǎn)品級的C代碼[6-13]。通過Simulink模型生成的發(fā)動機電子控制軟件必須支持發(fā)動機匹配標定所需的在線標定和離線燒寫功能，才能滿足發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)的應用需要[14-15]。目前國內尚缺乏支持上述功能的Matlab/Simulink工具箱以及配套軟硬件產(chǎn)品，不能滿足產(chǎn)品級的控制器模型開發(fā)。因此，開發(fā)Simulink模型中支持標定和燒寫功能的MAP模塊具有切實的應用價值。

1 S函數(shù)的工作原理

S函數(shù)是Simulink中系統(tǒng)函數(shù)(System Function)的簡稱，是Simulink提供的用于功能擴展的一種機制。S函數(shù)的運作機制與Simulink的仿真流程一致(見圖1)。在每個仿真階段，Simulink內核都會調用S函數(shù)中相應的回調方法，執(zhí)行特定的任務。不同階段的任務包括：

1) 初始化 在仿真循環(huán)運行之前，內核引擎將初始化S函數(shù)，包括初始化包含S函數(shù)信息的仿真結構體SimStruct、設置輸入輸出口的信息、設置功能塊采樣時間、分配存儲空間；

2) 計算下一個采樣時間 如果模型是可變采樣時間步長，那么這一階段將計算下一個計算時間步長；

圖1 S函數(shù)的運作流程

3) 計算輸出 在這個調用完成后，所有功能塊輸出端口在當前時間步長下更新完畢；

4) 更新離散狀態(tài)變量 在這個調用中，功能塊進行每個時間步長一次的動作，例如，更新離散狀態(tài)變量。

上述各階段中，Simulink內核會調用S函數(shù)中相應的回調方法，Simulink規(guī)定了這些回調方法的名稱和功能，而具體實現(xiàn)則是根據(jù)實際需求來編寫。

1) 初始化階段，調用回調方法static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S)設置模塊的各項參數(shù)，如輸入、輸出、參數(shù)、仿真選項等的信息，以及回調方法static void mdlInitializeSampleTimes(SimStruct *S)規(guī)定模塊的采樣時間，如采樣時間值等；

2) 計算輸出階段，調用回調方法static void mdlOutputs(SimStruct *S,int_T tid)在每個仿真步長，計算功能塊的輸出，并將結果保存在S函數(shù)輸出信號數(shù)組；

3) 仿真結束階段，調用回調方法static void mdlTerminate(SimStruct *S)執(zhí)行仿真結束的相關操作，如釋放分配的內存等，如果不要求進行操作，這個函數(shù)可以為空；

4) 代碼生成階段，調用回調方法static void mdlRTW(SimStruct *S)將模型中的參數(shù)傳遞至目標語言編輯器(Target Language Compiler,TLC)，用于代碼生成。

在代碼生成階段，為了生成所需的代碼，還需要編寫與S函數(shù)配套的 TLC文件。在TLC文件中讀取S函數(shù)傳遞至目標語言編輯器的參數(shù)，并規(guī)定目標語言編輯器生成指定的代碼。這些操作被定義在TLC文件中名為%function Outputs(block,system) Output函數(shù)中。

2 MAP模塊的軟件設計

MAP可以分為單值MAP、曲線MAP、曲面MAP、一維數(shù)組MAP、二維數(shù)組MAP等多個類型。不同類型MAP模塊的軟件不盡相同，但方法和思路是一致的，這里以曲線MAP為例進行MAP模塊的軟件設計。

曲線MAP模塊的功能是根據(jù)輸入的數(shù)值，查詢其在曲線MAP的x軸中的位置，進行線性插值得到相應的y軸數(shù)值，作為輸出。其中，輸入為模塊的輸入信號，輸出為模塊的輸出信號，x軸和y軸為模塊的參數(shù)，即在Matlab中定義的數(shù)值向量。

MAP模塊的軟件設計，是對S函數(shù)中各階段的回調函數(shù)以及TLC文件進行軟件設計，使其完成上述功能。首先，在初始化階段的mdlInitializeSizes回調方法中，設置模塊有2個輸入?yún)?shù)，不含有連續(xù)和離散狀態(tài)參數(shù)，有1個維數(shù)為1數(shù)據(jù)類型與x軸一致的輸入信號，有1個維數(shù)為1數(shù)據(jù)類型與y軸一致的輸出信號，采樣時間個數(shù)為1，不含有工作向量，使用默認仿真選項。在mdlInitializeSampleTimes回調方法中，設置模塊的仿真步長繼承模型的仿真步長。初始化流程(見圖2)。

圖2 mdlInitializeSizes初始化流程

在計算輸出階段的mdlOutputs回調方法中，讀取輸入信號的數(shù)據(jù)類型以及儲存值，根據(jù)該類型對x軸進行查表和對y軸進行插值，得到輸出信號的儲存值，再讀取輸出信號的數(shù)據(jù)類型，根據(jù)該類型計算模塊的實際輸出。計算輸出的流程見圖3。

圖3 mdlOutputs計算流程

在仿真結束階段的mdlTerminate回調方法中，不進行操作。在代碼生成階段的mdlRTW回調方法中，將模塊參數(shù)的數(shù)據(jù)類型等信息傳遞至目標語言編輯器用于生成代碼。在TLC文件的Outputs函數(shù)中，讀取模塊參數(shù)信息，并規(guī)定生成函數(shù)調用代碼，例如當輸入、輸出信號類型均為無符號32位時，Outputs函數(shù)中規(guī)定生成代碼的語句為：

%=(uint32)MatlabLib_IntpolU32U32((uint32 *)%,(uint32*)%,%);其中，"%"獲取模塊輸出信號名稱；"%"獲取x軸數(shù)據(jù)地址；"%"獲取y軸數(shù)據(jù)地址；"%"獲取模塊輸入信號名稱；"MatlabLib_IntpolU32U32"用于調用集成有CCP(CAN Calibration Protocol)功能的庫函數(shù)。

設計完成的曲線MAP模塊以及單值MAP模塊、曲面MAP模塊、一維數(shù)組MAP模塊、二維數(shù)組MAP模塊見圖4。

圖4 MAP模塊

3 試驗驗證

使用上述MAP模塊和Simulink自帶模塊，開發(fā)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機控制模型(見圖5)。

圖5 發(fā)動機控制模型

通過Simulink自動代碼生成，生成基于飛思卡爾MPC5634M單片機的發(fā)動機控制代碼，并在一臺WP10發(fā)動機上進行臺架試驗。

選取發(fā)動機工況點1 347 r/min，359 N·m，通過在線標定來調節(jié)柴油噴油定時MAP參數(shù)，測量發(fā)動機排氣中污染物NOx排放，結果見圖6?？梢钥闯?，隨著噴油定時MAP參數(shù)的改變，發(fā)動機缸內燃燒狀態(tài)隨之變化，導致NOx排放變化。證明上述MAP模塊生成的代碼可以實現(xiàn)MAP在線標定功能。

然后使用數(shù)據(jù)燒寫工具將發(fā)動機性能優(yōu)化后的MAP燒寫至單片機中，再次進行試驗，發(fā)動機性能參數(shù)與在線標定時一致，說明燒寫的MAP數(shù)據(jù)與在線標定的MAP數(shù)據(jù)相同。證明上述MAP模塊生成的代碼可以實現(xiàn)MAP離線燒寫功能。

圖6 NOx排放隨噴油定時的變化

4 結束語

在分析Simulink中S函數(shù)工作原理的基礎上，開發(fā)了基于S函數(shù)的發(fā)動機控制用MAP模塊。使

用該MAP模塊建立了柴油-天然氣發(fā)動機控制模型，并通過Simulink自動生成基于飛思卡爾MPC5634M單片機的控制算法代碼。使用該控制算法進行了發(fā)動機臺架試驗驗證，試驗結果證明，該MAP模塊生成的代碼可以完全實現(xiàn)MAP在線標定和離線燒寫功能，滿足產(chǎn)品級模型開發(fā)的匹配標定，可以用于發(fā)動機性能開發(fā)，具有切實的應用價值。

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DevelopmentofMAPModuleinSimulinkModelofEngineControlSystem

JIA Li,ZHANG Weibiao,YANG Wei,ZHI Haifeng,LIU Tao,KUANG Fuhong,XIAO Wei

(China North Engine Research Institute(Tianjin),Tianjin 300400,China)

The codes of Simulink model for engine control system could not support the calibration and programming of MAP and MAP module based on S-function was hence developed. Then the corresponding engine model was built and the control codes applied to Freescale MPC5634M was generated. The test results show that the MAP module supports the online calibration and offline programming．

control unit;code generation;online calibration

袁曉燕]

2017-05-18；

2017-12-12

賈利(1979—)，男，副研究員，本科，主要研究方向發(fā)動機控制策略和算法及HIL測試等；jiali7901@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.012

TP211

B

1001-2222(2017)06-0062-03