Systemy Czasu Rzeczywistego (SCR)

Transkrypt

1 SKiTI2017 Systemy Czasu Rzeczywistego (SCR) Wykład 6: Szybkie prototypowanie układu sterowania RPC oraz symulacji w pętli sprzętowej HIL aspekty wybrane realizacji z wykorzystaniem środowiska Matlab/Simulink WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI KATEDRA INŻYNIERII SYSTEMÓW STEROWANIA Kierunek: Automatyka i Robotyka Studia stacjonarne I stopnia: rok II, semestr IV dr inż. Tomasz Rutkowski 2017

2 Plan wykładu Projektowanie systemu sterowania: RCP, HIL, Zagadnienia związane z automatycznym generowaniem kodu w środowisku Matlab/Simulink: Matlab Coder Simulink Coder Embeded Coder SimulinkPLC Coder (MATLAB) (SIMULINK) (SIMULINK) (SIMULINK) Szybkie prototypowanie i symulacja w pętli sprzętowej, czyli Matlab/Simulink jako środowiska czasu rzeczywistego: Simulink Desktop Real-Time Simulink Real Time (SOFT REAL-TIME) (HARD REAL-TIME) Sprzętowe środowiska czasu rzeczywistego: dspace

3 Model tworzenia systemu sterowania Modelowanie i symulacja Integracja i testowania Szybkie prototypowanie układu sterowania RCP (ang. Rapid Control Prototyping) Symulacja w pętli sprzętowej HIL (ang. Hardware In the Loop) Implementacja 3

4 MATLAB Coder 4

5 MATLAB Coder MATLAB Coder generuje niezależny kod C/C++ (zgodny z ANSI/ISO) bezpośrednio z kodu języka MATLAB Wygenerowany kod źródłowy jest przenośny i czytelny MATLAB Coder wspiera podzbiór cech i właściwości języka MATLAB (instrukcje sterujące, funkcje, operacje macierzowe, )

6 MATLAB Coder Z języka Mataba do MEX-funkcji: Matlab Coder na generowanie MEX-funckcji, co pozwala na przyspieszenie wykonywania w środowisku Matlaba algorytmów zapisanych w tych funkcjach MEX-funjcje to podprogramy (pliki binarne) dynamicznie linkowane i wykonywane przez interpreter Matlaba Z C, C++, Fortrana do MEX-funkcji: W przypadku gdy użytkownik dysponuje własnym kodem (programami w C, C++ lub Fortranie), można się do niego odwołać bez konieczności jego przepisania z wykorzystaniem języka Matlaba

7 MATLAB Coder Ogólny schemat działania MATLAB Coder Źródło: Matlab Coder

8 MATLAB Coder- przykład Przykład działania MATLAB Coder Źródło: Matlab Coder

9 MATLAB Coder- przykład Przykład działania MATLAB Coder: wygenerowanie przykładowych danych testowych

10 MATLAB Coder- przykład Przykład działania MATLAB Coder: wygenerowanie przykładowych danych testowych

11 MATLAB Coder- przykład Przykład działania MATLAB Coder: generowanie MEX-funkcji

12 MATLAB Coder- przykład Przykład działania MATLAB Coder: generowanie MEX-funkcji

13 MATLAB Coder- przykład Przykład działania MATLAB Coder: weryfikacja poprawności działania wygenerowanej MEX-funkcji

16 MATLAB Coder- przykład Przykład działania MATLAB Coder: wygenerowanie kodu w C samodzielna biblioteka

19 MATLAB Coder- przykład Przykład działania MATLAB Coder: wygenerowanie kodu w C samodzielna biblioteka cdn

20 MATLAB Coder- przykład Przykład działania MATLAB Coder: wygenerowanie kodu w C samodzielna biblioteka end

21 SIMULINK Coder 21

22 SIMULINK Coder SIMULINK Coder (dawniej we wcześniejszych wersjach Real-Time Workshop RTW) generuje i uruchamia samodzielny kod C/C++ do rozwijania i testowania algorytmów modelowanych w Simulinku (z wykorzystaniem przybornika Stateflow czy funkcji Matlaba) Kod wynikowy może być wykorzystany w aplikacjach czasu rzeczywistego jak i w aplikacjach nie będących aplikacjami czasu rzeczywistego Kod wynikowy wykorzystuje się w takich celach jak przyspieszanie symulacji, szybkie prototypowanie i testowanie z wykorzystaniem technik rapid-control-prototyping (RCP) oraz hardware-in-the-loop (HIL), Kod wynikowy może być generowany dla trzech różnych grup systemów docelowych (target environments): komputer host z Matlab/Simulink, wbudowane układy mikroprocesorowe czy symulatory czasu rzeczywistego

23 SIMULINK Coder Podstawowe grupy systemów docelowych (target environments): Źródło: Simulink Coder

24 SIMULINK Coder Podstawowe grupy systemów docelowych: komputer host z Matlab/Simulink (host executable): typowo to ten sam komputer (host) klasy PC, na którym uruchomione jest środowisko Matlab/Simulink w systemie operacyjnym nie będącym systemem czasu rzeczywistego (niedeterministyczny OS) wbudowane układy mikroprocesorowe (embedded microprocessor): komputer który może być odłączony od komputera hosta, w takim przypadku może funkcjonować jako autonomiczny, samodzielny komputer, stanowiący część większego systemu, pracujący pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego (RTOS) deterministycznego OS symulatory czasu rzeczywistego (real-time simulator): jest to inny komputer niż komputer host, może to być komputer klasy PC pracujący pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego (RTOS), wygenerowany kod uruchamia się na tej platformie w czasie rzeczywistym Źródło: Simulink Coder

25 SIMULINK Coder Przykłady specyficznych typy systemów docelowych: Źródło: Simulink Coder

26 SIMULINK Coder SIMULINK Coder pozwala interaktywnie dostrajać i monitorować generowany kod używając bloków Simulinka i wbudowanych możliwości analizy do uruchamiania i interakcji z kodem poza środowiskiem MATLABa i Simulinka Tworzy kod ANSI/ISO C i programy wykonywalne dla modeli dyskretnych, ciągłych i hybrydowych Obsługuje cechy słownika danych Simulinka dla całkowitych, zmienno- i stałoprzecinkowych typów danych Tworzy kod dla modeli o jednej i zmiennej częstotliwości próbkowania oraz asynchronicznych Obsługuje jedno- i wielozadaniowe systemy operacyjne oraz środowiska bezoperacyjne (bez systemu operacyjnego) Wykonuje optymalizację kodu polepszającą szybkość uruchamiania programu Pozwala interaktywnie dopasowywać i monitorować utworzony kod wewnątrz lub na zewnątrz Simulinka

27 SIMULINK Coder Diagram generowania kodu Źródło: Simulink Coder

28 SIMULINK Coder- budowa aplikacji 1. Określenie wymogów aplikacji 2. Konfiguracja ustawień generowania kodu 3. Uruchomienie narzędzia wspomagającego (ang. Model Advisor Tool) 4. Ewentualna korekta ustawień konfiguracyjnych z wykorzystaniem raportu z narzędzia wspomagającego 5. Generowanie kodu z modelu Simulinka 6. Ewentualne powtórzenie operacji Zbudowanie obrazu programu wykonywalnego 8. Weryfikacja wyników generowanych przez program wykonywalny w porównaniu do wyników oryginalnego modelu Simulinka 9. Zachowanie konfiguracji dla której dokonano generowania kodu 10. Wykorzystanie narzędzia generowania raportu (ang. Report Generator) do automatycznego udokumentowania projektu

29 SIMULINK Coder- budowa aplikacji Źródło: Simulink Coder

30 SIMULINK Coder- budowa aplikacji Źródło: Simulink Coder

31 SIMULINK Coder- elementy Proces tworzenia aplikacji (ang. Make Process) Proces tworzenia aplikacji, rozszerzalny przez użytkownika umożliwia skonfigurowanie procesów kompilacji i linkowania kodu generowanego dla potrzeb użytkownika lub dla celów szybkiego prototypowania. Tryb zewnętrzny Simulinka (ang. Simulink External Mode) Tryb zewnętrzny umożliwia komunikację pomiędzy Simulinkiem i modelem wykonywanym w środowisku czasu rzeczywistego lub w innym procesie na tym samym komputerze. Tryb zewnętrzny umożliwia strojenie parametrów, zapisywanie danych oraz wizualizację stanu procesu w trakcie wykonywania modelu.

32 SIMULINK Coder- elementy Szybkie symulowanie (ang. Rapid Simulations) Wykorzystując tryb szybkiego symulowania, w S-funkcji lub szybkim symulowaniu można przyspieszyć wykonywanie symulacji średnio od 5 do 20 razy. Pliki wykonywalne w tych systemach omijają normalny tryb interpretatora Simulinka. Kod generowany przez Szybkie symulowanie, docelową S-funkcję i docelowe szybkie symulowanie jest wysoko optymalizowany do wykonywania wyłącznie algorytmów zawartych w modelu użytkownika.

33 SIMULINK Coder- przykład Model obiektu prosty układ amortyzatora wyrażony równaniem różniczkowym drugiego rzędu

34 SIMULINK Coder- przykład Ustawienia parametrów symulacji, generowania kodu wynikowego w C, kompilacji: Krok 1: ustawienia parametrów solvera (procedury numerycznej) wykorzystywanego w trakcie symulacji Krok 2: wybór odpowiedniego kompilatora grt.tlc (Generic Real Time Target, Simulink Coder) Krok 3: weryfikacji czy dokonano wyboru odpowiedniego solvera do przeprowadzenia symulacji z zamodelowanym układem Krok 4: generowanie kodu, kompilacja Krok 5: uruchamianie skompilowanego kodu

35 SIMULINK Coder- przykład Krok 1: parametry symulacji - Solver

36 SIMULINK Coder- przykład Krok 1: parametry symulacji - Solver

37 SIMULINK Coder- przykład Krok 2: parametry symulacji - Code Generator

41 SIMULINK Coder- przykład Krok 2: parametry symulacji - Code Generator (zapis danych wyjściowych)

42 SIMULINK Coder- przykład Krok 3: symulacyjna weryfikacja ustawień parametrów symulacji - symulacja w trybie Normal

48 SIMULINK Coder- przykład Krok 3: symulacyjna weryfikacja ustawień parametrów symulacji - symulacja w trybie Normal Wracamy do poprzednich ustawień solvera procedura numeryczna ode3 procedura numeryczna ode1 w analizowanym przypadku okazała się niestabilna numerycznie

49 SIMULINK Coder- przykład Krok 4: generowanie kodu w C, kompilacja

52 SIMULINK Coder- przykład Model systemu generowanie kodu w C

53 SIMULINK Coder- przykład Model systemu generowanie kodu w C

55 SIMULINK Coder- przykład Krok 5: uruchamianie skompilowanego kodu

56 SIMULINK Coder- przykład Krok 5: uruchamianie skompilowanego kodu W wygenerowanych plikach znajduje się cały kod, reprezentujący modelowany system oraz ustawioną na etapie konfiguracji metodę obliczeń numerycznych Konieczne jest jeszcze ustawienie metody zapisu danych wyjściowych uruchomianego na bazie wygenerowanego kodu modelu systemu (do tej pory zostały ustawienia domyślne zapis danych wyjściowych do workspace głównego Matlaba), wymaga to powrotu do Kroku 2 i Kroku 4 opisywanej procedury Wygenerowany kod, po uruchomieniu będzie zapisywał dane wejściowe do pliku *.mat

57 SIMULINK Coder- przykład Krok 2: parametry symulacji - Code Generator (zapis danych wyjściowych)

59 SIMULINK Coder- przykład Krok 5: uruchamianie skompilowanego kodu Po uruchomieniu w konsoli Windows plik rtwdemo_secondordersystem.exe dane wyjściowe symulacji są zapisane w pliku zewnętrznym *.mat Alternatywnie można wpisać w Matlabie polecenie!rtwdemo_secondordersystem

60 SIMULINK Coder- przykład Krok 6: weryfikacja danych zapisanych po symulacji

61 SIMULINK Coder- przykład Krok 6: weryfikacja danych zapisanych po symulacji

62 Embeded Coder 62

63 Embeded Coder Rozszerza możliwości MATLAB Coder i Simulink Coder zwłaszcza jeżeli chodzi o systemy czasu rzeczywistego, Generowany kod może być uruchamiany bez lub w systemie operacyjnym czasu rzeczywistego w trybie jednozadaniowym, wielozadaniowym lub asynchronicznym Generuje kod dla wielu typów mikroprocesorów, procesorów sygnałowych o architekturze 8-bitowej, 16- bitowej i 32-bitowej, Wygenerowany kod można przetestować w trybie softwarein-the-loop (SIL) i processor-in-the-loop (PIL)

64 Embeded Coder Źródło: Embeded Coder

65 Simulink PLC Coder 65

66 Simulink PLC Coder Simulink PLC Coder generuje sprzętowo niezależny kod w języku ST (Structured Text) zgodny z normą IEC z modeli Simulinka, diagramów Stateflow i funkcji Embedded MATLAB, Kod jest generowany do plików w formatach obsługiwanych przez wiele popularnych środowisk (IDE): B&R Automation Studio, PLCopen XML, Rockwell Automation RSlogix 5000, Siemens SIMATIC STEP 7, 3S-Smart Software Solutions CoDeSys, W efekcie można go skompilować i wdrożyć do wielu sterowników programowalnych typu PLC i PAC,

67 Simulink PLC Coder Źródło: Simulink PLC Coder

68 Simulink PLC Coder Źródło: Simulink PLC Coder

69 Simulink Desktop Real-Time 69

70 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) Simulink Desktop Real-Time pozwala uruchamiać i kontrolować modele Simulinka i Stateflow w czasie rzeczywistym na komputerze PC typu desktop lub laptop Używając Simulink Coder można generować kod C, kompilować go i rozpocząć uruchamianie w czasie rzeczywistym w systemie Windows z równoczesnym wykorzystaniem kart akwizycji danych (kart we/wy dla komputera PC) Inne aplikacje systemu Windows nie przestają pracować w trakcie wykonywania zadania uruchomionego w Simulink Desktop Real-Time

71 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) Simulink Desktop Real-Time: może pracować w dwóch trybach: normal i external (wymagany SIMULINK Coder), w trybie normal umożliwia próbkowanie do 1 khz w trybie external umożliwia próbkowanie do 20 khz współpracuje z ponad 250 modułami wejść-wyjść (karty akwizycji danych) ora modułami komunikacyjnymi (protokoły UDP, CAN, szeregowy), umożliwia stosowanie graficznego interfejsu użytkownika w celu: wizualizowania sygnałów podczas symulacji używa się tych samych bloków co podczas zwykłej programowej symulacji zmiany parametrów w trakcie symulacji

72 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) Typowe zastosowania: Symulacje w czasie rzeczywistym opracowywanie prototypów algorytmów sterowania, urządzeń wbudowanych np. peryferiów komputerowych, elementów układów sterowania Symulacje typu RCP i HIL opracowywania sterowników, regulatorów podłączonych do fizycznych obiektów Edukacja zobrazowanie procesu projektowania, testowania, budowy prototypów

73 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) Działanie: Simulink Desktop Real-Time wykorzystuje małe jądro czasu rzeczywistego w celu zapewnienia wykonania modelu w czasie rzeczywistym. Jądro to wykorzystuje wbudowany w PC zegar jako podstawowe źródło czasu. Jądro przejmuje przerwania z zegara komputera przed otrzymaniem ich przez system operacyjny Windows. Następnie jądro używa przerwań do wyzwalania wykonania skompilowanego modelu. W wyniku takiego podejścia jądro jest w stanie nadać aplikacji czasu rzeczywistego najwyższy możliwy priorytet. W celu uzyskania dokładnego próbkowania jądro przełącza zegar PC na wyższą częstotliwość. Ponieważ jest to również źródło czasu dla systemu operacyjnego, jądro Simulink Desktop Real-Time wysyła do systemu operacyjnego przerwania z oryginalną częstotliwością.

74 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) Źródło: Simulink Desktop Real-Time

75 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) Źródło: Simulink Desktop Real-Time

76 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) Środowisko (sprzęt, system operacyjny): Dowolny PC z Windows od NT4.0 do Win10, wsparcie dla innych systemów operacyjnych (Linux, Mac OS) Karty akwizycji danych dla PC wskazane przez Mathworks, w wykazie znajduje się duża liczba producentów i (ponad 250) konkretnych kart wykorzystujących różne interfejsy: ISA, PCI, PCMCIA Karty posiadają AI, DI, AO, DO, wejścia enkoderów,

77 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT)

78 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) Karta akwizycji danych Adavantech PCI 1711 Rozdzielczość: 12 bitów Liczba wejść analogowych: 16 SE (ze wspólną masą) Zakresy wejściowe napięciowe: bipolarne Szybkość przetwornika A/C: 100kS/s Liczba wyjść analogowych: 2 Zakresy wyjściowe napięciowe: unipolarne 16 wejść cyfrowych TTL 16 wyjść cyfrowych TTL 1 szesnastobitowy licznik TTL

79 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) Schemat blokowy karty PCI

80 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) Normalizacja i skalowanie we/wy: Bloki we i wy analogowych można skonfigurować tak by w Matlabie/Simulinku można pracować z danymi: w postaci jednostek fizycznych (Volty) w postaci jednostek inżynierskich (znormalizowanych): normalizacja unipolarna normalizacja bipolarna

81 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) normalizacja bipolarna i unipolarna: 0-5V

82 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) normalizacja bipolarna i unipolarna: 0-10V

83 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Opis infrastruktury fizycznej analizowanego systemu poza komputerem PC. W analizowanym przykładzie: napięcie wyjściowe z prostego zadajnika w postaci dzielnika napięcia (potencjometr wieloobrotowy) doprowadzone jest na pierwsze wejście analogowe (AI1) karty akwizycji danych, sygnał napięciowy z pierwszego wyjścia analogowego (AQ1) karty akwizycji danych doprowadzony jest (za pomocą pary przewodów) do drugiego wejścia analogowego (AI2) karty akwizycji danych

84 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Opis infrastruktury programowej analizowanego systemu, zaimplementowanej w środowisku Matlab/Simulink SLDRT w komputerze PC.

85 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Opis infrastruktury programowej analizowanego systemu, zaimplementowanej w środowisku Matlab/Simulink SLDRT w komputerze PC. AI1 AO1 AI2

86 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Ustawienia parametrów symulacji i kompilacji zamodelowanego układu: Krok 1: ustawienia parametrów bloków przybornika (SLDRT) związanych np. z we/wy kart analogowych itp.. Krok 2: ustawienia parametrów solvera (procedury numerycznej) wykorzystywanego w trakcie symulacji Krok 3: wybór odpowiedniego kompilatora sldrt.tlc Krok 4: kompilacja zamodelowanego układu Krok 5: uruchamianie skompilowanego kodu

87 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Krok 1: ustawienia parametrów bloków przybornika (SLDRT) związanych np. z we/wy kart analogowych itp..

88 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Krok 1: ustawienia parametrów bloków przybornika (SLDRT) związanych np. z we/wy kart analogowych itp..

89 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Krok 1: ustawienia parametrów bloków

90 . Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Krok 1: ustawienia parametrów bloków

93 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Krok 2: ustawienia parametrów solvera (procedury numerycznej) wykorzystywanego w trakcie symulacji

94 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Krok 2: ustawienia parametrów solvera (procedury numerycznej) wykorzystywanego w trakcie symulacji

95 . Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Krok 2: ustawienia parametrów solvera (procedury numerycznej) wykorzystywanego w trakcie symulacji

96 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Krok 3: wybór odpowiedniego kompilatora sldrt.tlc

97 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Krok 3: wybór odpowiedniego kompilatora sldrt.tlc

98 . Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład

99 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Krok 4: kompilacja zamodelowanego układu

100 . Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład 1

101 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład Krok 5: uruchamianie skompilowanego kodu

102 Simulink Desktop Real-Time (SLDRT) -przykład 1 Krok 5: uruchamianie skompilowanego kodu

103 Simulink Real-Time 103

104 Simulink Real-Time Simulink Real-Time uruchamia aplikacje generowane przez modele Simulinka i Stateflow używając jądra czasu rzeczywistego na dowolnym komputerze PC Obsługuje dowolny komputer PC jako docelowy system czasu rzeczywistego Uzyskuje próbki z częstotliwością do 100 KHz, w zależności od poziomu wydajności procesora i rozmiaru modelu Wyświetla dane i ślady sygnałów na lokalnym, docelowym lub obu komputerach PC Zapewnia lokalny zintegrowany graficzny interfejs użytkownika

105 Simulink Real-Time Wykorzystuje się dwa oddzielne komputery PC, jeden PC do projektowania (tzw. host/development computer) i drugi PC do wykonywania modelu czasu rzeczywistego (target computer), Połączenie obu PC za pomocą: RS232 lub TCP/IP, Źródło: Similink Real-Time

106 Simulink Real-Time Komputer host: jest wyposażony w Matlab/Simulink, SIMULINK Coder, Simulink Real-Time Komputer target: nie potrzebuje systemu operacyjnego DOS, Linux czy Windows., można uruchomić: z dyskietki, która zawiera wysoko zoptymalizowane jądro czasu rzeczywistego Simulink Real-Time wysyłając cały projekt przez sieć TCP/IP Źródło: Similink Real-Time

107 Simulink Real-Time Źródło:

108 Simulink Real-Time Przykład Źródło: Similink Real-Time

110 Simulink Real-Time Przykład Po zweryfikowaniu poprawności doboru solvera, układ zostaje skompilowany i wysłany na komputer docelowy (target) gdzie wykonuje się w czasie rzeczywistym

111 Simulink Real-Time Przykład Źródło: xpc

113 dspace 113

114 dspace Jest to sprzętowo-programowy system czasu rzeczywistego oparty o środowisko Matlab/Simulink, Modelowanie (host computer) realizowane jest klasycznie w Matlabie/Simulinku natomiast wykonywanie modelu (target computer) wykonywane jest na platformie, sprzętowej z procesorem/procesorami sygnałowymi DSP. Dzięki temu uzyskuje się dużą rozdzielczość czasową, Rozwija firma dspace GMBH, Znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle samochodowym i lotniczym,

115 dspace Źródło:

116 Bibliografia Matlab Compiler, User s guide, MathWorks 2015 Matalb Coder, User s guide, MathWorks 2015 Simulink Coder, User s guide, MathWorks 2015 Embeded Coder User s guide, MathWorks 2015 SimulinkPLC Coder User s guide, MathWorks 2015 Simulink Real-Time, User s guide, MathWorks 2015 Simulink Desktop Real-Time, User s guide, MathWorks

117 Dziękuję za uwagę!!! 117