柴油发电机组转速控制半物理仿真

　　1 引言

　　电子调速器是柴油机的关键部件之一，当实际柴油机及其负载性能发生变化且与调速器设计参数不匹配时，柴油发电机组就无法正常工作，这时需要修改调速器的控制参数。另外，电子调速器在出厂前和维修后都需要进行性能试验，以设定合适的控制参数满足其调节性能。在柴油机上直接进行电子调速器的参数整定、性能测试、维修后性能恢复既不安全、又不经济。进行半物理仿真是调速器进行实际配机试验之前不可缺少的环节，其工程思路是建立柴油机发电机组全工作范围动态仿真模型，通过输入输出接口电路与电子调速器相连构成一闭环控制系统，从而完成电子调速器的性能测试的相关试验。

　　建立柴油发电机组的仿真模型是 Simulink的强项。由于半物理仿真系统需要连接特定的硬件设备，仿真程序需要定制人机界面实现参数设置等功能，这部分功能的实现对于 Simulink来讲则难以完成，而这恰恰是Visual C++(VC)的强项。VC可视化C++编程环境具有强大的硬件控制功能和灵活丰富的人机界面设计功能。但直接采用VC建立柴油发电机组的仿真模型则难度很大。

　　针对这一问题本文提供一种从Simulink仿真模型平滑过渡到Visual C++集成开发环境的方法。具体实现是在Simulink中建立柴油发电机组的仿真模型，然后通过Matlab实时工作间(RTW)将Simulink仿真模型转化成可移植的嵌入式C++代码，最后和Visual C++的项目文件进行整合构成完全独立运行的实时半物理仿真系统。

　　2 柴油发电机组模型的构建及半物理仿真系统结构

　　柴油机的建模一般有2种途径，一种是数学机理建模，一种是试验辨识建模。数学机理建模主要从柴油机各部件的原始特性和结构参数入手，根据动力学和热力学关系方程建立机理模型其建模的工作量大，计算复杂而且为模型的求解带来一定的难度。试验辨识建模是根据柴油机试验台试验数据，采用不同的数学拟合方法建立柴油机的数学模型。对于研究电子调速器参数整定以及配机试验，这里关心柴油机外部性能参数的关系，可以不考虑柴油机内部的热力过程。只要柴油发电机组仿真模型能较真实地模拟柴油机及其负载特性，则测试结果就能较为真实地反映出电子调速器的实际配机性能。

　　因此选用试验辨识建模法，应用BP神经网络建立柴油机发电机组模型。如图1所示。MTU396柴油发电机组转速控制半物理仿真系统的输人输出信号，主要有3种类型：

　　(1)脉宽调制(PWM)信号，即执行机构齿条驱动信号；

　　(2)频率信号，即模拟柴油转速脉冲信号；

　　(3)开关量信号，即对电子调速器的各种控制信号，如启动、停止、增速减速控制等。

　　本系统选用研华的PCI-1780计数器卡，他提供8个16位计数器通道8路数字量输出和8路数字量输入，可以满足上述需要。如图2所示。

　　3 半物理仿真系统的实现

　　3.1 利用RTW生成可移植的C++模型代码

　　RTW是Matlab图形建模和仿真环境Simulink的一个重要的补充功能模块，简而言之，他是一个基于Simulink的代码自动生成环境。他能直接从Simulink的模型中产生优化的，可移植的代码以加速仿真系统开发的过程和降低研发成本。

　　RTW 能把Simulink模型中的某些参数或信号设置为全局变量，模型自动生成的可执行代码在目标系统中运行时，可以方便地与Simulink模型交互，实现在线参数调整和信号通讯。利用RTW这种功能，可把模型中需要调整、监测的参数或者信号设置为全局变量。这些变量构成后面所述VC仿真程序中模块间交互的桥梁。

　　RTW支持多种目标，所以RTW自动生成C++模型代码有多种选择，对于VC而言有3种目标可以选择：通用实时(GRT)目标、通用实时Malloc(GRTM)目标、嵌入式目标。通用实时(GRT)目标采用实时代码格式，其内存的分配在编译时被静态声明。通用实时 Malloc(GRTM)目标采用实时Malloc代码格式，他与实时代码格式非常相似，主要的区别在于实时malloc代码格式对内存进行动态声明。嵌入式目标可按嵌入式代码格式生C++代码，在运行速度、内存使用量和简化等方面都进行了优化。嵌入式代码采用静态内存分配方式。本文选择嵌入式目标来自动生成嵌入式代码。

　　RTW自动生成的代码分为2部分：一部分是模型代码；另一部分是代码运行界面(run-time inteRFace)。这些代码被切分成很多源代码文件，为了管理这个庞大的项目，RTW还为其自动生成一个make文件。用VC打开make文件并编译，然后将此项目中引用的所有源文件从Matlab安装目录中复制出来，并和模型代码共同组成仿真模型代码。

　　3.2 模型代码和VC程序的集成

　　模型代码同VC程序整合过程比较简单，把3.1节仿真运算模块所有涉及的源文件添加到VC程序项目中，需要注意2 点：仿真模块的源文件添加到VC程序项目后默认应用预编译头文件选项，必须手工取消此项设置否则编译出错；为了需要在VC程序中调用仿真代码的接口函数需要进行全局声明。