李 歡，黃 英，張付軍，趙 宇，葛彥悟

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

基于軟件組件庫的柴油機(jī)ECU軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李 歡，黃 英，張付軍，趙 宇，葛彥悟

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

為提高基于模型的嵌入式軟件的開發(fā)效率，利用軟件組件技術(shù)，在MATLAB/Simulink平臺(tái)上提出了基于軟件組件庫的嵌入式控制軟件開發(fā)流程。以車用柴油機(jī)控制系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象建立了柴油機(jī)ECU軟件組件庫，并按提出的軟件開發(fā)流程進(jìn)行了完整的柴油機(jī)ECU軟件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。驗(yàn)證階段的仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：基于軟件組件庫開發(fā)的ECU軟件，具有較高的可重用性、可維護(hù)性和控制精度；組件的清晰劃分使控制原型易于迅速構(gòu)建；組件設(shè)計(jì)充分考慮了代碼實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，使軟件易于實(shí)現(xiàn)；基于軟件組件庫的開發(fā)流程有利于提高嵌入式控制軟件開發(fā)效率。

柴油機(jī)；嵌入式軟件開發(fā)；軟件組件庫；快速控制原型；自動(dòng)代碼生成

前言

隨著仿真技術(shù)在深度和廣度上的發(fā)展，應(yīng)用仿真技術(shù)研究控制問題已經(jīng)成為主要的研究手段。汽車電控系統(tǒng)控制精度要求越來越高，其內(nèi)嵌控制算法也越來越復(fù)雜，相應(yīng)控制單元軟件日趨復(fù)雜龐大?；谀Ｐ偷能浖_發(fā)作為嵌入式控制軟件開發(fā)中的一項(xiàng)重要手段應(yīng)運(yùn)而生。圖1所示是典型的基于模型的嵌入式軟件開發(fā)V流程[1]。

圖1 嵌入式軟件開發(fā)V流程

基于模型的V流程開發(fā)從功能需求定義，控制策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，到產(chǎn)品代碼的生成，模型貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)階段，其中較為關(guān)鍵的是快速控制原型(rapid control prototype, RCP)階段。傳統(tǒng)的開發(fā)方法中RCP僅被下載到快速原型平臺(tái)用于初期策略驗(yàn)證，后期代碼由人工編寫，通常不考慮快速原型的代碼實(shí)現(xiàn)問題。但隨著自動(dòng)代碼生成技術(shù)的廣泛應(yīng)用[2-4]，RCP階段的控制模型直接影響著代碼轉(zhuǎn)化效率和代碼質(zhì)量。然而從控制模型到嵌入式代碼通常還需做大量的工作，如模型定標(biāo)、浮點(diǎn)與定點(diǎn)運(yùn)算的轉(zhuǎn)換、結(jié)合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、模型與任務(wù)之間的映射和結(jié)合硬件的I/O接口配置等[5-6]。在此過程中需將驗(yàn)證的Simulink模型進(jìn)一步轉(zhuǎn)化、修改以適應(yīng)產(chǎn)品硬件。因傳統(tǒng)的開發(fā)只單獨(dú)考慮算法的實(shí)現(xiàn)，而非代碼的實(shí)現(xiàn)，故通常這一過程容易存在功能劃分和執(zhí)行速率劃分不清晰、內(nèi)聚性低，模型算法間耦合多和層次化與模塊化程度弱等不足，而帶來以下問題：

(1) 自動(dòng)代碼生成時(shí)模塊向任務(wù)的映射不明確，接口不清晰，增加了模型到代碼轉(zhuǎn)換的難度；

(2) 模型不便于后期修改和單獨(dú)調(diào)試；

(3) 層次化與模塊化程度低，影響了模型的可重用性和可移植性。

近年來，汽車領(lǐng)域提出了開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的軟件構(gòu)架AUTOSAR，目的是將汽車應(yīng)用軟件從底層硬件中抽象出來，脫離于操作系統(tǒng)，使控制人員更專注于功能和應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn)，并在應(yīng)用層軟件中引入了組件開發(fā)的概念[7-8]。圖2為基于AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式控制軟件體系與傳統(tǒng)體系的對(duì)比，可見新的軟件構(gòu)架體系減少了功能應(yīng)用軟件與硬件的直接耦合，并突出了層次化的思想。此外，專業(yè)的代碼生成工具經(jīng)過模型配置，自動(dòng)生成符合特定硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的代碼時(shí)，需要詳細(xì)考慮模型的標(biāo)準(zhǔn)化，如New Eagle Software公司利用其專業(yè)工具RapidHawk將層次化的Simulink控制原型配置到產(chǎn)品硬件平臺(tái)上[1]。其核心思想都是致力于控制系統(tǒng)模型的層次化、模塊化、高內(nèi)聚和低耦合[9]，從而提高軟件開發(fā)效率。

圖2 嵌入式控制軟件體系結(jié)構(gòu)

可以看出，基于模型的開發(fā)、快速原型和自動(dòng)代碼生成等技術(shù)大大提高了控制系統(tǒng)開發(fā)效率，然而控制模型的層次化、標(biāo)準(zhǔn)化、可重用性和模型與代碼實(shí)現(xiàn)的相互關(guān)系等問題尚未有系統(tǒng)研究。

綜上所述，若在快速原型階段能充分考慮軟件實(shí)現(xiàn)(代碼生成)階段的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)層次化、模塊化、可重用度高和方便配置的軟件組件模型庫和基于該組件庫的開發(fā)流程，為嵌入式控制軟件開發(fā)提供一個(gè)通用的研究平臺(tái)，即可彌補(bǔ)上述傳統(tǒng)開發(fā)流程中的不足，縮短快速原型開發(fā)周期，提高整個(gè)軟件開發(fā)效率。因此，本文中結(jié)合軟件組件技術(shù)[10-11]，在MATLAB/Simulink平臺(tái)下，在傳統(tǒng)V流程基礎(chǔ)上提出了基于軟件組件庫的嵌入式控制軟件開發(fā)流程，如圖3所示，并以車用柴油機(jī)控制系統(tǒng)為對(duì)象設(shè)計(jì)了其控制軟件組件庫，并按照提出的開發(fā)流程進(jìn)行了完整的柴油機(jī)ECU軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，從而驗(yàn)證了開發(fā)流程的有效性。

圖3 基于軟件組件庫的嵌入式控制軟件開發(fā)流程

1 組件庫架構(gòu)設(shè)計(jì)

嵌入式控制軟件一般包含針對(duì)特定對(duì)象的諸多控制功能，所建立的軟件組件模型庫是所有功能組件的集合和封裝。要使組件庫成為通用的軟件開發(fā)平臺(tái)，要求組件庫具備可擴(kuò)展性。對(duì)于汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制軟件組件庫而言，要求具備針對(duì)不同動(dòng)力部件類型和不同控制策略的可擴(kuò)展性，包括橫向擴(kuò)展和縱向擴(kuò)展。橫向擴(kuò)展是通過豐富模型庫內(nèi)容而將模型庫應(yīng)用在各種不同的控制對(duì)象上，如汽油機(jī)、柴油機(jī)、變速器和動(dòng)力傳動(dòng)一體化系統(tǒng)等；而縱向擴(kuò)展意味則是不斷豐富控制策略、計(jì)算算法等內(nèi)容，使得該軟件組件庫所能提供的功能更加完善。因此，組件庫的結(jié)構(gòu)層次和軟件組件的劃分尤為重要。

1.1 組件庫的結(jié)構(gòu)層次

基于組件庫構(gòu)建的快速原型最大的特點(diǎn)之一是層次化程度高。層次化建模的基礎(chǔ)是系統(tǒng)的可分解性，即系統(tǒng)可分解為若干個(gè)存在相互作用的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)本身又可進(jìn)一步分解。對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)都建立模型，就形成了層次化，模塊化的系統(tǒng)模型。

軟件組件模型庫層次化，模塊化的目的是通過以下3點(diǎn)提高控制軟件的開發(fā)效率：

(1) 增強(qiáng)軟件的可重用性，既包括系統(tǒng)內(nèi)功能組件的重復(fù)調(diào)用，也包括不同控制系統(tǒng)間控制組件的可重用性，盡可能多地復(fù)用模型和元件也是對(duì)以往項(xiàng)目中獲得且經(jīng)改進(jìn)了的知識(shí)的繼承和儲(chǔ)備；

(2) 降低模型耦合程度，復(fù)雜系統(tǒng)被劃分為較小子系統(tǒng)，每個(gè)模塊后期可以單獨(dú)修改和調(diào)試；

(3) 增強(qiáng)功能內(nèi)聚性和軟件的可配置性與可移植性，使組件具有靈活的結(jié)構(gòu)和清晰的接口。

模型庫的開發(fā)在Simulink平臺(tái)下完成，按照功能分類分級(jí)構(gòu)造模型庫的軟件層次體系，將模型庫劃分成組件層和元素層兩個(gè)層次，如圖4所示。

圖4 控制軟件組件模型庫結(jié)構(gòu)層次

組件層：根據(jù)不同的劃分原則，控制軟件可劃分為各種不同的組件。對(duì)于柴油機(jī)控制系統(tǒng)，該層包含了柴油機(jī)控制所需的所有組件，不同組件具有不同的功能。

元素層：元素層是各種不同組件或子組件的下層，它是針對(duì)各種功能的詳細(xì)控制策略和算法實(shí)現(xiàn)的。元素層中的通用模塊是MATLAB本身提供的各種模塊；自定義代碼主要是指實(shí)現(xiàn)特殊計(jì)算的C程序代碼，通過Embedded MATLAB和S函數(shù)等方式封裝。軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，元素層是底層任務(wù)代碼的模塊化實(shí)現(xiàn)。

組件庫是一種有效的組件管理和檢索的工具。結(jié)合模型庫的方式管理組件，使組件及基于組件搭建的控制模型便于管理、擴(kuò)展、集成和二次開發(fā)。

組件庫結(jié)構(gòu)層次的具體實(shí)現(xiàn)在于軟件組件的劃分和各個(gè)組件下的詳細(xì)設(shè)計(jì)，即組件層和元素層的設(shè)計(jì)。

1.2 軟件組件的劃分

軟件組件劃分是將復(fù)雜系統(tǒng)根據(jù)功能劃分成幾個(gè)較小的、相對(duì)簡(jiǎn)單的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的可重用的組件模型，子系統(tǒng)最底層就是詳細(xì)的算法片段。不同的組件和子系統(tǒng)在代碼生成時(shí)將映射到不同的任務(wù),組件化后的代碼映射關(guān)系更加清晰，使軟件方便配置；組件化的系統(tǒng)模型便于單獨(dú)調(diào)試，在修改錯(cuò)誤、增加功能和方便移植等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

1.2.1 組件劃分原則

(1) 高內(nèi)聚，低耦合原則

軟件組件一般根據(jù)不同的功能進(jìn)行劃分，即考慮功能內(nèi)聚性，將具有相同或相似功能的部分劃分為同一組件，因而各個(gè)組件相對(duì)獨(dú)立。同時(shí)兼顧時(shí)間內(nèi)聚性，即根據(jù)不同的執(zhí)行速率來指導(dǎo)組件劃分，最終共同達(dá)到減少模型耦合的目的。

(2) 可重用性原則

組件或子組件是軟件復(fù)用的基本單位?？芍赜眯孕枰紤]兩個(gè)方面，一是不同的功能組件或子組件在控制系統(tǒng)內(nèi)可復(fù)用，比如不同的計(jì)算任務(wù)都需要進(jìn)行濾波算法，則該子組件可在控制軟件模型中重復(fù)調(diào)用，以減少軟件的冗余，精簡(jiǎn)代碼；二是較大的組件在不同的控制系統(tǒng)或硬件平臺(tái)上的重用，如發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速器組件，在不同發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)上復(fù)用時(shí)只需更新控制參數(shù)即可。

1.2.2 軟件需求分析

軟件組件劃分的原則確立之后，須對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件功能的需求分析，圖5為柴油機(jī)控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)圖。柴油機(jī)控制軟件主要完成數(shù)據(jù)采集、工況判斷、控制計(jì)算、輸出驅(qū)動(dòng)和通信等功能。

1.2.3 組件劃分

根據(jù)上述軟件組件劃分原則和車用柴油機(jī)控制軟件需求分析，柴油機(jī)控制系統(tǒng)軟件組件劃分如圖6所示。

圖5 柴油機(jī)電控系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 柴油機(jī)控制系統(tǒng)軟件組件劃分

柴油機(jī)控制系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集組件、數(shù)據(jù)庫組件、工況判斷組件、控制組件、計(jì)算組件、輸出驅(qū)動(dòng)組件、通信組件和故障診斷組件。功能復(fù)雜，控制任務(wù)較多的組件還可進(jìn)一步細(xì)分為不同的子組件，如控制組件還可根據(jù)不同工況分為起動(dòng)控制、怠速控制等。計(jì)算組件中包含了濾波、PID和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等常用集成算法子組件。

組件層設(shè)計(jì)完成了控制系統(tǒng)所需的各個(gè)功能模塊和接口定義，下一步是對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1.3 軟件組件詳細(xì)設(shè)計(jì)

組件庫的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程主要是根據(jù)劃分好的軟件組件，在各組件或子組件下進(jìn)行了元素層的不同功能算法和控制策略的詳細(xì)建模過程，也就是元素層的詳細(xì)設(shè)計(jì)。軟件實(shí)現(xiàn)，即模型向代碼轉(zhuǎn)換時(shí)，元素層的內(nèi)容將映射到操作系統(tǒng)中的不同任務(wù)代碼。限于篇幅本文中僅舉例介紹工況判斷組件和控制組件的設(shè)計(jì)過程。

1.3.1 工況判斷組件

工況判斷組件的功能是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的各種信息進(jìn)行綜合判斷，將發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分成幾個(gè)具有代表性的工況，根據(jù)不同的工況由控制組件實(shí)施不同的控制策略。同時(shí)，工況劃分可根據(jù)不同的控制功能或精度要求進(jìn)行擴(kuò)展。依照發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工作狀態(tài)和狀態(tài)切換條件，可得到柴油機(jī)工況切換的狀態(tài)圖，如圖7所示。圖中字母表示狀態(tài)切換條件，如A為系統(tǒng)加電，B為起動(dòng)開關(guān)打開等。

圖7 柴油機(jī)工況切換圖

根據(jù)狀態(tài)切換條件，在Simulink/Stateflow中完成了柴油機(jī)工況判斷組件的設(shè)計(jì)，如圖8所示。該組件中包含了兩個(gè)工況判斷子組件，Chart 1是柴油機(jī)工況判斷組件，Chart 2是針對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)一體化控制系統(tǒng)的工況判斷組件。軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，工況判斷組件將對(duì)應(yīng)生成操作系統(tǒng)中的工況判斷任務(wù)代碼。

圖8 工況判斷組件

圖9 控制組件

1.3.2 控制組件

針對(duì)柴油機(jī)的控制任務(wù)主要是控制噴油量和噴油提前角，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所處的工況不同，噴油量和噴油提前角的控制策略也不同。因此，可根據(jù)常見工況將控制組件進(jìn)一步拆分成6個(gè)子組件：起動(dòng)、怠速、調(diào)速、停機(jī)、換擋和保護(hù)控制子組件。圖9為發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的控制組件和正常工況組件的元素層算法模型。在針對(duì)硬件平臺(tái)的軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，調(diào)速控制子組件的元素層將映射到調(diào)速控制任務(wù)的底層代碼。

圖10 軟件組件庫列表

1.3.3 組件模型庫

組件層各種不同的組件將集中在一起，構(gòu)成了軟件組件模型庫。它既是嵌入在Simulink環(huán)境下的控制軟件組件統(tǒng)一管理和檢索的工具，也是一個(gè)快速構(gòu)建控制原型的軟件開發(fā)平臺(tái)。圖10為本文中所建的柴油機(jī)控制軟件組件庫。圖11為軟件組件庫內(nèi)部子系統(tǒng)展示。

圖11 軟件組件及其子組件

模型庫內(nèi)部進(jìn)行了算法集成和組件封裝，建模時(shí)可像使用普通Simulink模塊那樣將不同的組件直接添加到所需控制模型中，配置接口，快速構(gòu)建控制原型。這樣的集成設(shè)計(jì)有利于控制原型的層次化、可維護(hù)性和后期調(diào)試。

2 組件模型庫的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本文中建立的控制軟件組件模型庫屬于應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)，也即控制策略的軟件實(shí)現(xiàn)，軟件組件設(shè)計(jì)中功能內(nèi)聚性和執(zhí)行時(shí)間內(nèi)聚性考慮了與底層代碼的映射，因而與硬件能較好地結(jié)合，通用性較好。針對(duì)不同的硬件平臺(tái)只需要完成模型定標(biāo)和數(shù)據(jù)輸入輸出接口的設(shè)計(jì)，便可進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，即生成產(chǎn)品代碼。本文中首先在快速原型平臺(tái)MicroAutoBox上進(jìn)行了柴油機(jī)控制原型的軟件實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，通過硬件在環(huán)仿真完成了基于RCP的虛擬標(biāo)定；然后對(duì)RCP進(jìn)行自動(dòng)代碼生成，并將代碼下載到產(chǎn)品控制器中進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，即環(huán)境在環(huán)測(cè)試。

2.1 快速構(gòu)建控制原型

運(yùn)用建立的控制軟件組件庫，結(jié)合單體泵柴油機(jī)控制策略和圖5，通過配置組件迅速構(gòu)建了6缸單體泵柴油機(jī)的快速控制原型，它包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、工況判斷、通信、控制計(jì)算和輸出驅(qū)動(dòng)等組件。應(yīng)用MicroAutoBox快速原型平臺(tái)需進(jìn)行實(shí)時(shí)接口(real time interface, RTI)配置。分別在數(shù)據(jù)采集組件中配置曲軸凸輪軸信號(hào)處理硬件接口和數(shù)模轉(zhuǎn)換接口，在輸出驅(qū)動(dòng)組件中配置噴油脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)接口，即完成RTI輸入輸出實(shí)時(shí)接口配置。6缸單體泵柴油機(jī)快速控制原型如圖12所示。

圖12 6缸單體泵柴油機(jī)快速控制原型

2.2 基于快速控制原型的硬件在環(huán)仿真

因MicroAutoBox支持浮點(diǎn)運(yùn)算，故在RCP階段，控制模型無需定標(biāo)，直接將模型編譯下載到MicroAutoBox快速原型平臺(tái)，即可通過硬件在環(huán)仿真完成上層控制軟件的初步驗(yàn)證，主要包括控制策略驗(yàn)證和控制參數(shù)虛擬標(biāo)定?？刂茖?duì)象采用了運(yùn)行在硬件在環(huán)仿真對(duì)象平臺(tái)AutoBox上已經(jīng)過穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核[12]的虛擬柴油機(jī)平均值模型，該模型滿足精度要求。圖13和圖14分別為硬件在環(huán)仿真(HIL)平臺(tái)原理和實(shí)物圖。

圖13 硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)原理圖

圖14 硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖

通過HIL仿真首先完成了基于模型的柴油機(jī)全程調(diào)速PID參數(shù)整定，然后對(duì)柴油機(jī)的定矩加速和定速增矩動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文中采用工程中最常用的經(jīng)驗(yàn)法來整定PID參數(shù)[13-14]，將得到的參數(shù)MAP寫入數(shù)據(jù)庫組件，然后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。在第10和20s時(shí)分別進(jìn)行油門遞增(0～35%)和負(fù)載遞增(0～500N·m)的仿真，控制結(jié)果如圖15所示。

圖15 定矩加速、定速增矩過程的HIL仿真結(jié)果

由圖可見，轉(zhuǎn)速超調(diào)量約為100r/min(超調(diào)率約7.5%)，調(diào)節(jié)時(shí)間3s左右，至此，滿足控制要求，柴油機(jī)快速控制原型得到了初步驗(yàn)證。

2.3 自動(dòng)代碼生成與臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

快速控制原型驗(yàn)證完成后，需要完成模型到代碼的轉(zhuǎn)換。代碼轉(zhuǎn)化效率直接取決于控制模型的層次化和內(nèi)聚性。本文中采用基于Targetlink的自動(dòng)代碼生成技術(shù)，將RCP轉(zhuǎn)換成了產(chǎn)品代碼，其流程如圖16所示。

圖16 基于Targetlink的自動(dòng)代碼生成流程

基于Targetlink自動(dòng)代碼生成主要包含以下步驟：(1)模型轉(zhuǎn)化，將控制模型從Simulink無縫連接到Targetlink環(huán)境下，為后續(xù)工作做準(zhǔn)備；(2)模型定標(biāo)，它直接影響生成代碼的控制精度，Targetlink軟件提供了自動(dòng)定標(biāo)功能，對(duì)于系統(tǒng)龐大的控制軟件自動(dòng)定標(biāo)精度難以保障，因此還需由經(jīng)驗(yàn)豐富，對(duì)對(duì)象(如柴油機(jī))控制系統(tǒng)中傳遞的數(shù)據(jù)變量有全面把握的對(duì)象軟件工程師采用手動(dòng)定標(biāo)方式完成；(3)仿真測(cè)試，在將代碼下載到控制器之前，須進(jìn)行仿真和測(cè)試，包括模型在環(huán)仿真、軟件在環(huán)仿真和處理器在環(huán)仿真。模型在環(huán)仿真是對(duì)控制模型的邏輯驗(yàn)證，而軟件和處理器的在環(huán)仿真則是對(duì)C代碼的驗(yàn)證。通過仿真可指導(dǎo)控制模型的反復(fù)修改，以使生成的代碼達(dá)到最優(yōu)。

最終生成的控制代碼經(jīng)集成后被下載到搭載MC68376微處理器的產(chǎn)品ECU中，并針對(duì)仿真中的柴油機(jī)定速增矩動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試。測(cè)試時(shí)所采用的控制參數(shù)為第2.2節(jié)中基于模型標(biāo)定得到的參數(shù)。圖17為定速增矩過程的臺(tái)架測(cè)試結(jié)果與對(duì)應(yīng)的硬件在環(huán)仿真結(jié)果的對(duì)比。

圖17 定速增矩過程仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖可見，在基于平均值模型整定得到的全程調(diào)速PID參數(shù)控制下，試驗(yàn)結(jié)果超調(diào)量約為76r/min(超調(diào)率約5.6%)，調(diào)節(jié)時(shí)間約為4s，與基于快速原型的硬件在環(huán)仿真結(jié)果相近，從而驗(yàn)證了自動(dòng)生成代碼的精度和基于軟件組件庫搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)快速控制原型的控制精度。

3 結(jié)論

(1) 基于ECU軟件組件模型庫建立的快速控制原型具有層次化、模塊化和可重用度高的特點(diǎn)，方便模型的修改、擴(kuò)展、集成和二次開發(fā)，利于模型向代碼轉(zhuǎn)化和與底層操作系統(tǒng)的結(jié)合，加快了軟件的實(shí)現(xiàn)。

(2) 利用軟件組件庫可根據(jù)需求快速構(gòu)建對(duì)象控制系統(tǒng)的控制原型，便于充分利用以往的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備。組件庫可隨著開發(fā)次數(shù)的增多而不斷擴(kuò)展和更新，形成逐漸完善的控制軟件開發(fā)平臺(tái)，不斷提升開發(fā)效率。

(3) 軟件實(shí)現(xiàn)中，柴油機(jī)快速原型階段的硬件在環(huán)測(cè)試、基于模型的虛擬標(biāo)定、自動(dòng)代碼生成和臺(tái)架測(cè)試，驗(yàn)證了基于組件庫開發(fā)的控制軟件的控制精度，表明基于軟件組件庫的開發(fā)流程有利于提高嵌入式控制軟件的開發(fā)效率。

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Design and Implementation of Diesel Engine ECU SoftwareBased on Software Components Library

Li Huan, Huang Ying, Zhang Fujun, Zhao Yu & Ge Yanwu

SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081

To enhance the efficiency of model-based embedded software development, a procedure for embedded control software development based on software components library is proposed with MATLAB/Simulink platform. With the control system of vehicular diesel engine as application object, an ECU software components library for diesel engine is built and the development and implementation of complete diesel engine ECU software are conducted according to the software development procedure proposed. The results of simulation and test in ve-rification phase show that the diesel engine ECU software developed based on software components library has higher reusability, maintainability and control accuracy. The clear classification of software components makes control prototype easy to build rapidly, the design of software components take the features of code implementation into full consideration, making software easy to implement, and the development procedure based on software components library is conducive to enhancing the development efficiency of embedded control software.

diesel engine; embedded software development; software components library; rapid control prototype; automatic code generation

*部委基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(D2220112901)資助。

2016224

原稿收到日期為2015年12月23日，修改稿收到日期為2016年2月27日。