dSPACE在发动机硬件在环仿真中的应用
摘要：利用四缸火花点火发动机模型，实践基于dSPACE实时仿真系统的具体实验方法，判断控制器模型的优劣。进行基于MATLAB/Simulink和ControlDesk试验界面的实时仿真实验，结果表明，选择PI控制器，发动机转速受负载转矩扰动较小,且能在较短时间内消除影响。
关键词：dSPACE 实时仿真 MATLAB/Simulink 闭环控制 硬件在环
中图分类号：U664.122 文献标识码：B 文章编号： The Application of dSPACE in Engine Hardware-in-the-loop Simulation LI Xiu-qiang, WANG Zong-tao
（Maritime College, Tianjin University of Technology, Tianjin, 300384,China）
Abstract: Using four-cylinder spark ignition engine model, practice the specific method of doing experiment based on dSPACE real-time simulation system, one can know whether the controller model is good or not. It is based on MATLAB/Simulink, and ControlDesk test interface, the result shows, adjusting the PI parameters
the engine speed just has little change and it can be returned to normal only in a short time under the load torque disturbance.
Key words: dSPACE；real-time simulation；MATLAB/Simulink；closed-loop control；hardware-in-the-loop 1、引言
目前，dSPACE 已经广泛应用于航空航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、驱动及工业控制等领域[1]。本文通过分析四缸发动机的模型，建立基于MATLAB/Simulink的仿真模型，学习基于dSPACE的实时仿真实验的方法。 2、数学模型
四缸内燃机建模与控制的数学形式及其MATLAB实现首先由Crosskey和Cook提出[2]。The MathWorks公司的技术人员用Simulink2.0版建立了其Simulink模型[3]。模型可以从活门、进气导管、质量流速、转矩产生、加速、压缩冲程几个部分进行分析。 2.1活门模型
活门部分的输入信号为活门的角度θ。进气导管中空气速度的模型由两个函数的积来表示（为流入进气导管的质量流速，为导管压力，为大气压）。
2.2 进气导管
进气的仿真模型可以表示成导管压力的微分方程 在该系统中,=0.41328，为导管进气口空气的质量流速,为导管压力的变化率，为发动机的速度。 2.3 转矩产生与加速模型
式中为气缸内气体的质量,为空气和燃料的比率,取1/14.6,为点火提前量，取15º,为发动机产生的转矩。从而，发动机的加速度为 式中为发动机的转动惯量,取
0.14kg•m², 为负载转矩,为发动机的加速度。
2.4 控制器模型
选择PI控制器,积分控制是为了在工作点发生变化时消除静态误差引入的,其模型为
式中为速度设定点的值,为PI控制器中的比例增益,为积分器的增益。
3基于MATLAB/Simulink的仿真模型 3.1输入角度和负载转矩的设定
活门角度由单个阶跃输入环节构造出来,由下式设定
假设负载信号由下式描述 3.2 闭环系统的仿真模型
由前面的分析，可以在MATLAB/Simulink中建立闭环控制系统模型，前端为一个改进的PI控制器，如图1。
图1 速度调节的闭环控制系统模型 4、基于dSPACE的发动机实时控制仿真
4.1面板创建、模型修改、应用程序的编译和连接 根据实验需要创建基于ControlDesk的闭环系统实验面板。
将节气门转角throttle改为10，把负载load改为常数30。将Stop time设置为inf类型，因为系统只有不停运行，才能实现实时观测。在Solver options中选择Type项，选择Fixed-step类型，Solver选择ode3（Bogacki-Shampine），选择一个合适的步长。在Real-Time Workshop中，System target file栏填写rti1005.tlc，点击build，单击ok。选择Tools|Real-time Workshop|Build Model命令，系统将进行自动的编译和连接。
4.2应用程序下载和启动仿真
在ControlDesk中，打开平台导航器窗口，打开文件选择器。根据模型sl-engine1.mdl的路径，选择Simulink文件夹，在文件列表中选择sl-engine11.sdf，并将其拖放至平台导航器的DS1005实时平台图标上。
若下载过程成功，则在工具窗中自动显示一个变量浏览器[4]。
在变量浏览器中打开Model Root节点，单击需要的模块进行组态和变量链接。选择
Instrumentation|Animation Mode命令，激活仪表面板。即可调整设定转速、负载转矩以及控制器的、值进行实验。仿真实验中闭环系统面板如图2所示。 调整参数，发动机转速受负载转矩影响实时变化，扰动较小，且在短时间内可消除影响。 4.3 终止仿真与关闭实验
从菜单栏中选择Platform|Application|Stop Real-Time Processor命令，或者在工具栏中单击停止RTP仿真图标。 5、结论
本文实现了基于dSPACE平台的发动机硬件在环仿真实验的主要部分。下一步的工作是改进控制算法，实现对实际发动机的控制，最后生产出实际的控制器，控制实际的发动机。掌握这一实验方法，代码的生成过程可以自动实现，可加快控制器研发速度。 参考文献：
[1] 恒润科技.dSPACE-基丁MATLAB/Simulink平台实时快速原型及硬件在回路仿真的一体化解决途径[Zl
恒润科技公司,2005.
[2] Crossley P R and Cook J A.A nonlinear engine model for drivetrain system development. IEE International Conference Control ’91, 2:921-925, Edinburgh, U.K., 25-28 March, 1991.
[3] 薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink 系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002. [4] 杨涤,等.系统实时仿真开发环境与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.
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