航空活塞發(fā)動機接口模擬器快速開發(fā)新技術(shù)研究

周彰毅，于 兵，張?zhí)旌?/p>

(南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，江蘇南京210016)

航空活塞發(fā)動機接口模擬器快速開發(fā)新技術(shù)研究

周彰毅，于 兵*，張?zhí)旌?/p>

(南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，江蘇南京210016)

針對目前航空發(fā)動機接口模擬器設(shè)計中的不足，提出了一種基于DSP+MATLAB/SIMULINK的航空活塞發(fā)動機接口模擬器聯(lián)合開發(fā)新方法，基于DSP設(shè)計接口模擬器硬件平臺，利用SUMULINK建立發(fā)動機模型，使用RTW從發(fā)動機模型中生成可移植的嵌入式模型C代碼，通過代碼集成在DSP中加入發(fā)動機模型，高效快速地解決了如何在接口模擬器中融入發(fā)動機模型的難題。所設(shè)計接口模擬器能更真實準確地模擬航空活塞發(fā)動機工作狀態(tài)，試驗驗證了接口模擬器的可靠性和該方法的可行性。

接口模擬器;發(fā)動機建模;快速開發(fā);自動代碼生成

在航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計過程中，半物理仿真是一種重要的試驗手段和技術(shù)工具。通過半物理仿真試驗可以及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計中的缺陷，確定最佳的設(shè)計方案，大大降低試驗風(fēng)險、減少開車次數(shù)、減小試驗成本［1］。在半物理仿真試驗中，控制器是真實的物理裝置，控制系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)通常都是由模擬元件來代替。接口模擬器可以用來產(chǎn)生代表發(fā)動機狀態(tài)的轉(zhuǎn)速、溫度等信號，是半物理仿真中的重要組成部分。傳統(tǒng)的發(fā)動機接口模擬器［2］沒有在模擬器中加入發(fā)動機模型，只是簡單的產(chǎn)生一些信號代替發(fā)動機狀態(tài)或傳感器信號，傳統(tǒng)的接口模擬器工作框圖見圖1，如何在接口模擬器中快速加入發(fā)動機模型，從而使接口模擬器更真實、準確地模擬發(fā)動機的工作狀態(tài)，是接口模擬器設(shè)計中亟待解決的問題。

圖1 傳統(tǒng)的接口模擬器工作框圖

RTW是MathWorks公司提供給SIMULINK用戶的一個強大工具，利用它可以直接將SIMULINK模塊圖模型自動生成支持不同平臺(VC、DSP、Vx-Works等)的可移植的C代碼。充分利用RTW的自動代碼生成機制，跨平臺實現(xiàn)航空活塞發(fā)動機接口模擬器的快速開發(fā)，無疑是解決上述問題的一種創(chuàng)新方法。

本文設(shè)計的是某型號航空活塞發(fā)動機接口模擬器，首先開發(fā)基于DSP的模擬器硬件平臺，然后在SIMULINK中完成發(fā)動機建模仿真并使用RTW自動生成可移植的嵌入式模型C代碼，最后實現(xiàn)在DSP中的模型C代碼集成并完成接口模擬器的設(shè)計，新設(shè)計的接口模擬器工作框圖見圖2。

圖2 新開發(fā)的接口模擬器工作框圖

1 接口模擬器硬件平臺設(shè)計

1.1 硬件平臺設(shè)計需求

本文所設(shè)計的接口模擬器硬件平臺以TMS320F28335為核心處理器，將發(fā)動機模型運行時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號、上止點信號、判缸信號、節(jié)氣門位置信號、進氣溫度信號等信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮涌刂破魉璧恼鎸嵃l(fā)動機信號。同時接口模擬器測量電子控制器輸出的噴油、噴氣和點火的各項參數(shù)，將其作為控制信號發(fā)送給發(fā)動機模型，從而控制發(fā)動機模型的運行。

在總體方案方面，所設(shè)計的接口模擬器硬件平臺可分為5個模塊:DSP處理器模塊、電源模塊、ECU信號采集模塊、發(fā)動機信號模擬模塊和通信模塊。

1.2 DSP處理器模塊

本文設(shè)計采用TI公司推出的32 bit浮點DSP芯片［3］TMS320F28335作為數(shù)字信號處理器，負責(zé)對采集的信號進行轉(zhuǎn)換和控制發(fā)動機模型的運行;它采用8級指令流水線，主頻高達150 MHz，最高速度每秒鐘可執(zhí)行1.5億條指令，保證了信號采集和模擬的快速性和實時性。有4路CAP捕捉通道，由于發(fā)動機是四缸雙點火發(fā)動機，接口模擬器只檢測一個氣缸的控制信號，所以滿足了1路噴油信號、1路噴氣信號和2路點火信號的PWM信號的占空比測量。多達18路的PWM輸出，其中6路為TI特有的高精度PWM輸出(HRPWM)，滿足了對轉(zhuǎn)速、上止點、判缸信號的模擬。SPI總線與數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片共同完成對節(jié)氣門位置信號、溫度信號等的模擬。SCI總線與電平轉(zhuǎn)換芯片共同完成與監(jiān)控軟件的通信。

1.3 電源模塊

高質(zhì)量的電源是接口模擬器穩(wěn)定工作的前提和保證。DSP處理器模塊、ECU信號采集模塊、發(fā)動機信號模擬模塊和通信模塊需要不同電平的低壓電源，而接口模擬器的輸入電源為車用鉛酸電瓶(12 V)，所以電源模塊需要將12 V轉(zhuǎn)化為不同幅值的電源。電源模塊結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

圖3 供電模塊結(jié)構(gòu)框圖

供電模塊以車用鉛酸電瓶為能源輸入。在回路中串聯(lián)整流二極管1N5404，1N5404反向峰值電壓為400 V，可有效預(yù)防電路正負極接反。采用LM2576HV-ADJ開關(guān)電源芯片作為降壓芯片，LM2576HV-ADJ是可調(diào)電壓輸出型號，輸入電壓為7 V～60 V，輸出電壓范圍在線性和負載條件為1.23 V～57 V，本設(shè)計通過調(diào)節(jié)取樣電阻的阻值使輸出電壓為5 V，為74HC245供電。采用AS1117-3.3芯片將輸入5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V為TLP521和MAX3232供電，AS1117-3.3芯片使用比較簡單，只需要接入電源、濾波電容就能輸出穩(wěn)定的3.3 V，但此芯片轉(zhuǎn)換效率不高，電流過大時芯片發(fā)熱。采用TPS767D301芯片為DSP核心處理器供電［4］，該芯片是一款輸入輸出的低壓降穩(wěn)壓器，提供兩路電壓輸出，將5 V輸入電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V和1.9 V分別為處理器TMS320F28335的外部管腳和內(nèi)核供電。

1.4 ECU信號采集模塊

電子控制器輸出的對噴油閥和點火線圈的驅(qū)動信號，必須經(jīng)過接口模擬器采集測量轉(zhuǎn)換成發(fā)動機模型所能處理的數(shù)字信號。驅(qū)動信號的電平為12 V，先經(jīng)過光電耦合器降低到3.3 V，然后將信號輸入給TMS320F28335的CAP捕捉管腳。光電耦合器采用TLP521，驅(qū)動信號先經(jīng)過限流電阻(R1)把電流降至10 mA后輸入TLP521，在輸出端，在集電極C管腳和3.3 V電源之間接上拉電阻，信號從集電極引出。

圖4 信號采集模塊電路圖

1.5 發(fā)動機信號模擬模塊

發(fā)動機信號模擬模塊功能是根據(jù)發(fā)動機模型發(fā)出的狀態(tài)信息模擬真實發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、進氣溫度等信號。TMS320F28335根據(jù)發(fā)動機模型輸出信號的數(shù)值大小，對PWM配置進行初始化。使輸出的信號頻率等于發(fā)動機模型的輸出數(shù)值。輸出信號幅值經(jīng)過74HC245芯片轉(zhuǎn)換到5 V。74HC245具有寬電壓工作范圍(3 V～5 V)，雙向三態(tài)輸出，因此我們可以將PWM模塊發(fā)出的3.3 V信號模擬成實際發(fā)動機輸出的5 V信號。

節(jié)氣門位置、進氣溫度等信號的模擬是通過具有外置SPI接口的D/A芯片MAX532，TMS320F28335將發(fā)動機模型輸出的節(jié)氣門位置、進氣溫度等數(shù)據(jù)通過SPI總線傳給MAX532.使用REF102為MAX532芯片提供10 V穩(wěn)壓電源。MAX532芯片的輸出電壓由輸出寄存器的數(shù)值決定，輸出電壓范圍為-10 V～0。經(jīng)過調(diào)理電路，將信號調(diào)整為0～5 V。調(diào)理電路采用LM358集成運算放大器，將信號反向和降低幅值。

圖5 電壓調(diào)理電路圖

1.6 通信模塊

通信模塊為接口模擬器和監(jiān)控軟件交換參數(shù)及健康狀態(tài)檢測的接口。測試人員通過監(jiān)控軟件將節(jié)氣門位置數(shù)值和負載扭矩通過通信模塊發(fā)送給接口模擬器的DSP處理器;DSP處理器將發(fā)動機模型計算出的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣溫度、排氣溫度等狀態(tài)信息發(fā)送的監(jiān)控軟件，供測試人員參考。

2 航空活塞發(fā)動機模型的建立

發(fā)動機建模是發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在眾多活塞發(fā)動機模型中，平均值模型(MAEM)是應(yīng)用最廣泛的模型之一。平均值模型忽略了一個工作循環(huán)內(nèi)不同曲軸轉(zhuǎn)角時各缸的差別，對各缸的工作狀態(tài)差異進行平均處理，重點著眼于整機的動態(tài)特性。本節(jié)研究基于MATLAB/SIMULINK的活塞發(fā)動機平均值模型，在MATLAB/SIMULINK中建模并進行全數(shù)字仿真。選用Elbert Hendricks［5］提出的平均值模型，并進行一些修改，該模型從能量轉(zhuǎn)換和工質(zhì)流動的角度對發(fā)動機的工作過程進行分析和模擬，主要包括進氣管子模型、燃油系統(tǒng)子模型和轉(zhuǎn)子動力子模型三個部分。

2.1 進氣管子模型

進氣管子模型主要功能是根據(jù)發(fā)動機的狀態(tài)參數(shù)(即發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度)來計算進入發(fā)動機的進氣量。進氣管中的氣體視為理想氣體，將進氣管作為一個容器來處理，進氣過程是視作對容器的填充和排空過程。并假設(shè)進氣管絕熱，沒有與管壁進行熱量交換，管內(nèi)的氣體溫度變換緩慢且進、出氣管的氣體的溫度相同。管內(nèi)狀態(tài)方程可由式(1)表示。

其中ηvol是容積效率，Vd為發(fā)動機排量。ai可由三個變量的乘積表示，

MAX是一個取決于節(jié)氣門體的常量，其最大數(shù)值為進氣量最大流率。TC(α)是節(jié)氣門的特征常數(shù)，TC(α)=1-cos(α+α')，PRT可表示為PRT=1-exp(9(Pm/Patm-1))。

2.2 燃油子模型

當(dāng)閥門打開時，不是所有的噴射出燃油都以氣態(tài)形式進入氣缸。其中一部分形成燃油蒸汽隨空氣一起進入氣缸燃燒，其余的附著在進氣管壁面上形成油膜，油膜再逐漸蒸發(fā)形成燃油蒸汽進入氣缸［6］。

2.3 曲軸轉(zhuǎn)子模型

曲軸轉(zhuǎn)子模型主要作用是根據(jù)前面的各子模型所輸出的進入氣缸的燃油量和空氣量，以及發(fā)動機的其他參數(shù)(發(fā)動機轉(zhuǎn)速和點火提前角等)來計算發(fā)動機的輸出功率和轉(zhuǎn)速。發(fā)動機轉(zhuǎn)速由式(5)確定［7］。

其中J是發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，N是發(fā)動機轉(zhuǎn)速，Torqueeng和Torqueload分別為發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩和發(fā)動機的負載扭矩。發(fā)動機扭矩由氣缸進氣量、油氣比、點火提前和發(fā)動機轉(zhuǎn)速共同決定，公式如下:

根據(jù)三部分的數(shù)學(xué)公式，在SIMULINK中建立發(fā)動機模型，頂層模型如圖6所示。運行此模型，全數(shù)字仿真結(jié)果如圖9(a)所示。

圖6 航空活塞發(fā)動機模型SIMULINK頂層模塊圖

3 航空活塞發(fā)動機模型的C代碼生成、移植及集成

MATLAB/SIMULINK的子系統(tǒng)RTW提供的自動代碼生成機制可以將SIMULINK模型自動生成優(yōu)化的可移植的目標(biāo)代碼，生成的代碼能脫離MATLAB環(huán)境獨立運行且支持VC和DSP等軟硬件開發(fā)平臺［8］，代碼生成流程見圖7。

圖7 RTW自動代碼生成流程圖

首先將MTALAB的編譯器設(shè)置為C語言編譯器，針對第2部分建立的發(fā)動機模型，使用SIMULINK的模型檢查與驗證功能Model Advisor對建立的模型進行驗證，本文選用航空航天與防務(wù)領(lǐng)域的DO-178B標(biāo)準對模型進行檢驗，并根據(jù)檢驗報告進行相應(yīng)修正直到模型完全滿足該標(biāo)準。單擊Tool-＞Real-TimeWorkshop-＞Options進入RTW界面，如圖8所示。求解器Solver配置為Fixed-step，并選擇Runge-Kutta解法。System Target Files選項設(shè)置為Visual C/C++Project Makefile only for the Real-TimeWorkshop Embedded Code。Language項選擇C語言，配置完畢后，單擊Build選項，即可自動生成發(fā)動機的C語言模型。

圖8 RTW環(huán)境配置模塊

RTW最終生成一個Make文件，該文件定義了許多預(yù)編譯選項，分別編譯涉及到的所有源文件，最后生成一個不與用戶交互、完成非實時全仿真任務(wù)的DOS可執(zhí)行文件［9］。

在 DSP集成開發(fā)環(huán)境 Code Composer Studio (CCS)中創(chuàng)建一個新的工程，將SIMULINK中自動生成的代碼所在目錄下的所有源文件和頭文件復(fù)制到CCS工程所在的目錄下。為支持自動生成的模型C代碼獨立于MATLAB/SIMULINK環(huán)境運行，須將MATLAB安裝目錄下的環(huán)境頭文件simulink.h和求解器頭文件rtw_solver.h添加到CCS工程中。根據(jù)錯誤提示進行相應(yīng)修改，直到把自動生成的模型代碼完全集成到新開發(fā)的工程。為保證硬件在環(huán)仿真中發(fā)動機模型的實時性，使用DSP內(nèi)核提供的高精度CPU定時器驅(qū)動發(fā)動機模型的運行，本文選用CpuTimer0，定時周期配置為15 ms，精度高于通常情況下航空發(fā)動機的控制步長20 ms。

完成接口模擬器的軟硬設(shè)計后，使用接口模擬器與現(xiàn)有的電子控制器構(gòu)建硬件在環(huán)仿真試驗平臺，并進行硬件在環(huán)仿真試驗以驗證接口模擬器的性能。硬件仿真試驗中，接口模擬器中的模型運行結(jié)果如圖9(b)所示.電子控制器采集接口模擬器的發(fā)動機參數(shù)并根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)能夠輸出相位精確，脈寬準確的噴油、噴氣和點火信號。

圖9

從圖9的(a)和(b)的比較可以看出，發(fā)動機模型在接口模擬器中的運行結(jié)果與在MATLAB中的全數(shù)字仿真結(jié)果是一致的，移植后的模型在定時器的驅(qū)動下能可靠地運行。電子控制器采集接口模擬器提供的發(fā)動機模型狀態(tài)參數(shù)并依此輸出的噴油/氣、點火相位及脈寬十分合理。綜上可知，以RTW的自動代碼生成機制為橋梁，綜合使用 DSP和MATLAB共同快速開發(fā)航空發(fā)動機接口模擬器是確實可行的，且生成的模型代碼是經(jīng)系統(tǒng)自動優(yōu)化過的代碼，所以具有更高的運行效率和可靠性。

4 結(jié)論

本文提出的基于DSP和MATLAB共同開發(fā)航空活塞發(fā)動機接口模擬器的新方法，基于高性能DSP處理器設(shè)計接口模擬器的硬件平臺，通過自動代碼生成機制和代碼集成技術(shù)在DSP中集成了從MATLAB發(fā)動機模型中經(jīng)RTW自動生成的發(fā)動機模型C代碼，解決了如何在接口模擬器中快速融入發(fā)動機模型的難題。RTW的自動代碼生成功能在跨平臺開發(fā)中起到了橋梁作用，該方法充分發(fā)揮了DSP作為硬件平臺的可靠性和高效處理能力以及MATLAB卓越的建模和仿真功能。目前，基于模型設(shè)計(MBD)在國外已得到大量應(yīng)用，RTW的自動代碼生成技術(shù)是基于模型設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，深入研究自動代碼生成技術(shù)在發(fā)動機控制領(lǐng)域具有十分重大的意義。其研究成果對于加速缸內(nèi)直噴航空活塞發(fā)動機控制系統(tǒng)的研究起著推動意義，同時為其他硬件在環(huán)仿真試驗的接口模擬器設(shè)計提供了很好的借鑒。

［1］左蕓.飛/推綜合控制半物理仿真平臺及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［D］.南京，南京航空航天大學(xué)，2004.

［2］魏芳，張?zhí)旌辏钋锶A.渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)信號接口模擬器開發(fā)［J］.南京航空航天大學(xué)第八屆研究生學(xué)術(shù)會議，2006.10.

［3］王巖.基于DSP的運動控制器的硬件設(shè)計［J］.電子器件，2004，2(27):298-302.

［4］何秀然，謝壽生，錢坤.航空發(fā)動機智能轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2005，3(18):496-499.

［5］Moskwa J J，Hedrick J K.Automotive Engine Modelling for Real Time Control Application［J］.Proc，ACC，1987:341-346.

［6］陳超，王紹光，康曉敦.基于MATLAB/SIMULINK的汽油機電控系統(tǒng)仿真［J］，內(nèi)燃機工程，2003.5(24):24-28.

［7］The Math Works Inc.Using Simulink and Stateflow in Automative Application［M］.2010.

［8］The Math Works Inc.Real-TimeWorkshop 7 Use’s guide［M］.2010.

［9］樊曉丹，孫應(yīng)飛，李衍達.一種基于RTW的實時控制系統(tǒng)快速開發(fā)方法［J］.清華大學(xué)學(xué)報，2003.43(7):895-898.

The Research on the Rapid Development Techniques for Aero Piston Engine Interface Simulator

ZHOU Zhangyi，YU Bing*，ZHANG Tianhong
(College of Energy and Power Engineering of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu，Nanjing，China，210016)

To overcome the deficiencies of the currentaero engine interface simulator，a new joint developmentmethod is presented based on DSP and MATLAB/SIMULINK.The hardware platform is designed based on DSP.Modeling with MATLAB/SIMULINK，portable embedded enginemodel C code is generated through RTW，and themodel C code is integrated into DSP.The engine model to the interface simulator is introduced quickly and effectively，therefore，the interface simulator can simulate the states of aero enginemore accurately.Test showed that this new method is feasible and effective.

interface simulator;enginemodel;rapid development;automatic code generation mechanism

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.018

TM 344.1 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0072-05

2012-12-03修改日期:2013-02-28

EEACC:6120B

周彰毅(1985-)，男，碩士研究生，主要研究方向為航空發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計，wjandzzy@126.com;

于 兵(1979-)，男，講師，碩士生導(dǎo)師，yb203@nuaa.edu.cn。