RTW 技術(shù)在輪機(jī)模擬器中的應(yīng)用

高德基 , 歐 鎮(zhèn)，盧森微

（1. 江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003 ； 2. 江蘇科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

RTW(Real Time Workshop)技術(shù)是一種將Simulink模型自動(dòng)轉(zhuǎn)化為代碼的技術(shù)。目前，在開發(fā)輪機(jī)模擬器的過程中，需要搭建船舶主機(jī)的數(shù)學(xué)模型。船舶主機(jī)的數(shù)學(xué)模型非常繁瑣，而市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)多樣性、快速性的趨勢(shì)， 這使產(chǎn)品開發(fā)面臨著多樣性需求與快速開發(fā)之間的矛盾。其中系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件( Simulink軟件)是用MATLAB語言建立的一種新型的圖形建模工具，它免去了程序代碼編程帶來的低效與繁瑣,可以方便地建立系統(tǒng)的模型（例如系統(tǒng)被控對(duì)象的模型、控制器的模型），通過仿真可以觀察到模型的各種性能，而且，如果模型搭建的不理想，還可以很快地進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，直到找到比較好的解決方法[1]。但是Simulink運(yùn)算較慢，不能滿足輪機(jī)模擬器實(shí)時(shí)仿真的要求。應(yīng)該將所建立的模型轉(zhuǎn)變?yōu)镃++程序。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，不需要將設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程，可直接將建立的simulink模型通過code generation 工具轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行代碼，下載到存儲(chǔ)器中，這樣大大減輕了軟件工程師的編碼工作量，并且將Simulink模型轉(zhuǎn)換成的C/C++代碼能脫離MATLAB環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。需要注意的是，要想成功地運(yùn)行code generation并生成C++代碼，需要在電腦上安裝Microsoft Visual C++ 5.0以上版本的編譯器。

1 Simulink轉(zhuǎn)化為代碼的過程

RTW轉(zhuǎn)換代碼的過程包括：

1）分析模型

RTW的程序創(chuàng)建過程首先從對(duì)Simulink模塊方框圖的分析開始,包括如下過程:

① 計(jì)算仿真和模塊參數(shù)

② 遞推信號(hào)寬度和采樣時(shí)間

③ 確定模型中各模塊的執(zhí)行次序

④ 計(jì)算工作向量的大小(例如S函數(shù)使用的工作向量)

在本階段,RTW首先讀取模型文件(mdoel.mdl)并對(duì)其進(jìn)行編譯,形成模型的中間描述文件"該中間描述文件以ASCll碼的形式進(jìn)行存儲(chǔ),其文件名為model.rtw,該文件是下一步驟的輸入信息。mdoel.rtw文件在格式上與simulink模型.mdl文件類似。

2）目標(biāo)語言編譯器(TLC)生成代碼

在程序創(chuàng)建的第二階段,目標(biāo)語言編譯器將中間描述文件(mdoel.nw)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)指定代碼。目標(biāo)語言編譯器(TagrctLnaguageComnlier)是一種可將上述模型描述文件轉(zhuǎn)換為指定目標(biāo)代碼的解釋性編程語言"目標(biāo)語言編譯器執(zhí)行一個(gè)由幾個(gè)TLC文件組成的TLC程序,該程序指明了如何根據(jù)mdoel.rtw文件,從模型中生成所需代碼[2]。

TLC程序包括如下文件:

a.系統(tǒng)目標(biāo)文件(SystemTagrctFile)系統(tǒng)目標(biāo)文件是主文件或入口點(diǎn)。

b.模塊目標(biāo)文件(BlockTagretflie)。

c.目標(biāo)語言編譯器函數(shù)庫(kù)。

3）生成自定義的聯(lián)編文件(makeflie)

4）生成可執(zhí)行程序[3]

本文以輪機(jī)模擬器的仿真對(duì)象——MAN B&W 6L80MC大型低速二沖程渦輪增壓柴油主機(jī)為對(duì)象來建立了其Simulink模型[4]。其模型如圖1所示。

假定已經(jīng)安裝好了Matlab支持的一個(gè)編譯器（如VC）,首先需要進(jìn)行編譯器的配制。在Windows控制臺(tái)的窗口下鍵入mex-setup。系統(tǒng)會(huì)顯示一個(gè)提示選擇編譯器的菜單，選擇當(dāng)前安裝的編譯器。

圖1 MANB&W6L80MC柴油機(jī)Simulink模型Fig.1 MANB&W6L80MC diesel engine’s Simulink model

對(duì)于建立好的Simulink模型，首先要在Simulink窗口中打開此模型，為了將該模型通過code generation生成C++代碼，實(shí)時(shí)仿真需要選擇定步長(zhǎng)的仿真算法，所以在轉(zhuǎn)換之前應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。仿真的控制參數(shù)由Toolscode generationoptions菜單項(xiàng)來選擇。定步長(zhǎng)的仿真算法在該對(duì)話框下的Solver options下選擇。

Simulink模型中輸出參數(shù)的設(shè)置是在該信號(hào)線的signal propety對(duì)話框中設(shè)置，要將所有在VC中用的信號(hào)屬性均設(shè)置為 ExportedGlobal。

此外，應(yīng)將code generationoption對(duì)話框下的Code Generation中的language選擇目標(biāo)代碼的生成類型。完成之后，在單擊System target file欄對(duì)應(yīng)的Browse按鈕，來選擇目標(biāo)代碼生成方式。這里選擇Generic Real-Time Target 下的grt.tlc。以上參數(shù)設(shè)置如表1所示。

配置好各項(xiàng)參數(shù)后，就可以轉(zhuǎn)換為C++代碼了。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)名為caiyouji_grt_rtw的文件夾，里面包含生成的所有文件。其中caiyouji.cpp為實(shí)現(xiàn)模型功能的c++代碼，caiyouji_data.cpp為模型所用到的初始參數(shù)值，caiyouji.h為包含參數(shù)和狀態(tài)變量定義的頭文件，caiyouji_types.h為代碼中所用數(shù)據(jù)類型的聲明，caiyouji_private.h為模型中定義的本地常量和本地變量頭文件。其他相關(guān)生成文件：rt_nonfinite.cpp,rt_nonfinite.h, rtwtypes.h, rtmodel.h,rtGetNaN.cpp, rtGetNaN.h,rtGetInf.h等為定義RTW所需的必要參數(shù)。

表1 代碼轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置Tab.1 Code transformation parameters settings

2 驗(yàn)證代碼的正確性

將轉(zhuǎn)換完的可執(zhí)行C++代碼加入到新建的MFC的對(duì)話框的程序中，運(yùn)行該程序，將模型仿真所產(chǎn)生的柴油機(jī)升速曲線數(shù)據(jù)存入.txt文本中，再將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，繪出的圖形與Simulink自身所產(chǎn)生的圖形對(duì)比如圖2所示。

圖2 Simulink和代碼繪制的升速曲線對(duì)比Fig.2 The contrast of the curve drawed by Simulink and the code

由圖2兩圖中曲線可以看出轉(zhuǎn)換的代碼是正確的，能夠得出正確的數(shù)據(jù)。

3 C++代碼在虛擬操作系統(tǒng)上的應(yīng)用

下面以基于virtools的船舶主機(jī)虛擬操作系統(tǒng)的駕駛臺(tái)操作為例來說明。對(duì)于生成的C++代碼， caiyouji_initialize()為系統(tǒng)的初始化函數(shù)，caiyouji_step()為系統(tǒng)仿真運(yùn)行的函數(shù)，caiyouji_derivatives()為計(jì)算連續(xù)模型的導(dǎo)數(shù)的函數(shù)，caiyouji_terminate（）為模型中止函數(shù)[5]。生成代碼的模型執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 代碼的執(zhí)行流程Fig.3 Code execution process

其中仿真運(yùn)算函數(shù)中的一部分如下：

caiyouji_step（）

{zhuanshu=caiyouji_X.Integrator_CSTATE; （轉(zhuǎn)速輸出）

youci=caiyouji_P.Gain4_Gain*caiyouji_B.Gain3;（油尺刻度）

gongyouliang=(0.043* rt_powd_snf(zhuanshu, 0.335) +0.06353 * youci) -0.095255;

（每循環(huán)供油量）

……}

設(shè)定各模塊的參數(shù)。本文采用edit box輸入，代碼如下[6]：

UpdateData(TRUE);

caiyouji_P.Gain_Gain=m_edit1;(更新P參數(shù))

caiyouji_P.Gain1_Gain=m_edit2;(更新I參數(shù))

caiyouji_P.Gain2_Gain=m_edit3;(更新D參數(shù))

caiyoujizhuanshu1_P.Integrator_IC=shedingzs; （在線調(diào)整積分初值）

將產(chǎn)生的代碼加入到創(chuàng)建好的MFC工程里，做進(jìn)一步的編程。這里采用ADO的方式訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。

將各模塊的參數(shù)設(shè)定好以后，就可以將代碼所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)根據(jù)駕駛臺(tái)發(fā)出的信號(hào)實(shí)時(shí)的存入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。例如當(dāng)程序檢測(cè)到數(shù)據(jù)庫(kù)表 x3d_output中第3行的數(shù)據(jù)為1時(shí)（代表駕駛臺(tái)臺(tái)的啟動(dòng)主機(jī)按鈕按下），將向數(shù)據(jù)庫(kù)表x3d_input第17、18、19行實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)（分別代表啟動(dòng)空氣壓力，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，油門刻度）。以供駕駛臺(tái)操作界面調(diào)用。存入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)表x3d_input中的數(shù)據(jù)如圖4所示。

駕駛臺(tái)的操作界面讀取數(shù)據(jù)并顯示如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)表x3d_inputFig.4 Database table x3d_input

圖5 啟動(dòng)空氣壓力表Fig.5 Starting air pressure gauge

另外，柴油機(jī)排氣溫度，轉(zhuǎn)速等均可駕駛臺(tái)操作界面讀取SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)來顯示。駕駛臺(tái)操作界面上的燈也可根據(jù)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)亮滅。

4 結(jié) 論

文中通過將simulink模型轉(zhuǎn)變?yōu)镃++程序，并驗(yàn)證了結(jié)果的正確性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模塊參數(shù)的實(shí)時(shí)修改，且將Simulink模型所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸入到了數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供輪機(jī)模擬器中的操作界面調(diào)用。這樣既減輕了編寫程序的繁瑣，又滿足了輪機(jī)模擬器仿真實(shí)時(shí)性的要求[7]。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，具有開發(fā)周期短、費(fèi)用低、效率高的特點(diǎn)。

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