SKiTI2017 Systemy Czasu Rzeczywistego (SCR) Wykład 5: Modele projektowania systemu sterowania, idea szybkiego prototypowania układu sterowania RPC oraz symulacji w pętli sprzętowej HIL wprowadzenie 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
Plan wykładu Cykl powstawania produktu, prototyp, prototypowanie, szybkie prototypowanie Popularne systemy szybkiego prototypowania Modele projektowania systemu sterowania: klasyczny i współczesny Inżynieria systemów, inżynieria oprogramowania a komputerowe systemy sterowania
Cykl powstawania produktu Prototyp Prototypowanie, szybkie prototypowanie 3
Cykl powstawania produktu Etapy biznesowe np. badania rynku CAD - Computer-Aided Design Projektowanie Wspomagane Komputerowo CAE - Computer-Aided Engineering Inżynieria Wspomagana Komputerowo CAM - Computer-Aided Manufacturing Wytwarzanie Wspomagane Komputerowo Rozwój koncepcji CAD Projekt CAD Kalkulacja Prototyp CAE Testowanie CAE Produkcja Wyrób
Cykl powstawania produktu Etapy biznesowe np. badania rynku CAD i CAE powstały w celu skrócenia procesu produkcyjnego Zastosowanie komputerów i specjalizowanego oprogramowania uczyniło ten etap bardziej elastycznym Rozwój koncepcji CAD Projekt CAD Kalkulacja Prototyp CAE Testowanie CAE Produkcja Wyrób
Prototyp Prototyp: to pierwowzór pierwszy, próbny, doświadczalny egzemplarz maszyny nowego typu wzorzec Zatem prototypowanie to ogół czynności zmierzających do opracowania próbnego, doświadczalnego egzemplarza maszyny, obiektu, regulatora, algorytmu itd.
Szybkie prototypowanie (ang. Rapid prototyping) Pojęcie znane w różnych dziedzinach inżynierii Mechanice i architekturze- CAD/CAM/CNC/Drukarki3D Informatyce - środowiska RAD (ang. Rapid Application Development) zawierające wizualne komponenty wspomagające programowanie (np. środowiska Visual C++ czy C++ Builder CodeGear dawniej Borland) Układy/algorytmy sterowania, przetwarzanie danych/obrazów np.: MATLAB/Simulink Elektronice zintegrowane środowiska do projektowania układów elektronicznych np. OrCAD, Protel zintegrowane z edytorami schematów, płytek drukowanych, bibliotek czy symulatorem analogowo-cyfrowym
Szybkie prototypowanie w automatyce W automatyce szybkie prototypowanie oznacza ogół czynności zmierzających do zbudowania prototypu układu sterowania umożliwiającego wszechstronne przetestowanie jednego lub wielu z jego aspektów działania, np. jakości działania: regulatora, urządzenia pomiarowego, urządzenia wykonawczego, układu adaptacyjnego, optymalizatora, estymatora, systemu wspomagania decyzji,
Szybkie prototypowanie w automatyce Wykorzystuje się do przetestowania funkcjonowania urządzenia w warunkach zbliżonych do docelowych dla danego urządzenia Systemy przeznaczone do szybkiego prototypowania (platforma sprzętowa i/lub programowa) cechują się dużą elastycznością m.in.: możliwościami realizacji różnych zadań możliwościami włączania w różne miejsca pętli sterowania możliwościami analizy i oceny jakości pracy prototypu Systemy przeznaczone do szybkiego prototypowania typowo mają większe możliwości niż systemy docelowe, nie są też docelowymi urządzeniami przemysłowymi
Popularne systemy prototypowania szybkiego 10
Matlab/Simulink Jest to obecnie najpopularniejsze środowisko symulacyjne zarówno w przemyśle jak i środowisku naukowym Oferuje szerokie możliwości symulacji programowej i bogatą bibliotekę funkcji, procedur, przyborników Wykorzystanie możliwości środowiska Matlab/Simulink nie musi ograniczać się jedynie do symulacji programowej Umożliwia symulację w czasie rzeczywistym Współpracuje z szeroką gamą urządzeń IO Matlab/Simulink jest również środowiskiem szybkiego prototypowania i weryfikacji systemów wbudowanych
Szybkie prototypowanie (ang. Rapid prototyping) Źródło: Simulink PLC Coder
Szybkie prototypowanie (ang. Rapid prototyping) Źródło: Simulink PLC Coder
LabView Największym konkurentem Matlaba w zakresie symulacji HIL i prototypowania jest LabView firmy National Instruments (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), LabView współpracuje z Matlabem, LabView posiada koncepcję VI Virtual Instruments umożliwiających budowę modeli symulacyjnych czasu rzeczywistego oraz szeroką gamę kart I/O,
LabView
ScicosLab Darmowa alternatywa dla Matalba/Simulinka oraz LabView, Duża funkcjonalność, między innymi: graficzne modelowanie, kompilacja i symulacja systemów dynamicznych, programowanie nowych bloków e C czy fortran, generowanie kodu C (Code Generator), symulacje w czasie rzeczywistym (Scicos-HIL), generowanie kodu wykonywalnego uwzględniającego twarde ograniczenia czasowe (Scicos-RTAI, Scicos- FLEX), Współpraca z szeroką gamą kartwieloma układami
ScicosLab Źródło: www.scicos.org
Protel Źródło: www.altium.com
Model projektowania systemu sterowania: klasyczny i współczesny 19
Model projektowania systemu sterowania Jest wiele modeli (przepisów postępowania) związanych z projektowaniem systemów oprogramowania czy sterowania (łącznie oprogramowania i platformy sprzętowej) Przeanalizujemy dwa wybrane modele projektowania systemu sterowania model kaskadowy ( klasyczny model projektowania) model V ( współczesny model projektowania) 20
Model kaskadowy ( klasyczny projektowania systemu) 21
Definiowanie wymagań, specyfikacja Model kaskadowy - projektowania systemu sterowania Projektowanie Implementacja Testowanie integracja, walidacja Działanie i pielęgnacja 22
Model kaskadowy - projektowania systemu sterowania Analiza wymagań klienta Celem jest zrozumienie i opisanie wymagań klienta co do planowanego sytemu. Wynikiem jest opracowanie specyfikacji wymagań. Specyfikacja systemu Celem jest opracowanie ogólnej definicji systemu, który będzie spełniał zadane wymagania. Wynikiem jest opracowanie specyfikacji systemu. Projektowanie Celem jest dostarczenie abstrakcyjnego rozwiązania specyfikowanego systemu. Rozwiązanie to stanowi jedynie logiczny (abstrakcyjny) opis działania systemu. Wynikiem jest opracowanie dokumentacji projektowej. 23
Model kaskadowy - projektowania systemu sterowania Implementacja Celem jest odwzorowanie projektu (opracowanej platformy sprzętowej i programowej) zgodnie z założeniami projektowymi, budowa platformy sprzętowej, tworzenie odpowiedniego kodu/oprogramowania - kodowanie, uruchamianie, testowanie względem przyjętej specyfikacji projektowej zarówno części sprzętowej jak i programowej osobno oraz łącznie. 24
Model kaskadowy - projektowania systemu sterowania Testowanie, integracja i walidacja Celem jest scalanie poszczególnych elementów projektu (sprzętu i oprogramowania), sprawdzenie zgodności funkcjonalności, użyteczności z oczekiwaniami oraz poprawności, efektywności z godnie z zaplanowanymi testami. Działanie i pielęgnacja Celem jest instalacja, przekazanie użytkownikowi, następnie utrzymanie systemu: pielęgnacja, konserwacja, usuwanie defektów, poszerzanie funkcjonalności, dostosowywanie do potencjalnych zmian. 25
Model kaskadowy - projektowania systemu sterowania - problemy Następnej fazy nie powinno się rozpoczynać, jeśli poprzednia się nie zakończy Koszty opracowania i akceptacji dokumentów są wysokie i dlatego iteracje są również kosztowne oraz wymagają powtarzania wielu prac (pomiędzy etapami przekazywana jest dokumentacja tekstowa) Wadą modelu kaskadowego jest zawarty w nim nieelastyczny podział na rozłączne etapy 26
Model kaskadowy - projektowania systemu sterowania - problemy Modyfikacje projektu na jego późniejszych etapach wymaga modyfikacji wcześniejszej dokumentacji Etap kodowania odbywa się zazwyczaj manualnie na podstawie specyfikacji i dokumentacji, co wydłuża czas i jest mniej odporne na błędy Raczej długi i kosztowny czas powstawania prototypu 27
Model V ( współczesny model projektowania) 28
Model V - projektowania systemu sterowania Projektowanie systemów sterowania (ale nie tylko) zmieniło się istotnie w ciągu ostatnich lat w związku dynamicznie rozwijającym się środowiskami do projektowania, symulacji, optymalizacji oraz wspomagania wytwarzania i zarządzania Podejścia znane z klasycznego modelu projektowania prowadzące do budowy fizycznego prototypu zastąpiono projektowaniem wykorzystującym modele symulacyjne (na bazie modeli matematycznych analizowanych obiektów/procesów) i symulacje (Model-Based Design) 29
Model V - projektowania systemu sterowania Zastosowanie narzędzi/platform symulacyjnych na etapie projektowania umożliwia m.in.: testowanie całego systemu wraz z otoczeniem oraz analizę ich wzajemnych interakcji (szerokie możliwości kształtowania przeróżnych scenariuszy testowych) szybsze wyłowienie bledów związanych ze współpracującymi podsystemami skrócenie czasu realizacji projektu, zmniejszenie jego kosztów zwiększenie jakości projektowanego systemu minimalizowanie ryzyka podniesienie efektywności procesu wytwarzania systemu 30
Model V - projektowania systemu sterowania Platforma/środowisko symulacyjne to: pakiet narzędzi programowych m.in. umożliwiających definiowanie/budowę modeli symulacyjnych obiektów, przeprowadzanie symulacji (również w czasie rzeczywistym), archiwizacje oraz przetwarzanie danych, generowanie kodu oraz współpracujących platform sprzętowych m.in. w postaci kart akwizycji, układów IO, sprzętowych środowisk czasu rzeczywistego 31
Model V - projektowania systemu sterowania Symulacja umożliwia wykonywanie eksperymentów na modelu symulacyjnym systemu dynamicznego (modelu matematycznym) będącym w istocie abstrakcją rzeczywistego analizowanego obiektu Symulacja umożliwia analizę systemu dynamicznego w celu zapoznania się od wewnątrz z zachowaniem tego systemu 32
Model V - projektowania systemu sterowania W modelu symulacyjnym (za pomocą modeli matematycznych) modelowane są zjawiska fizyczne zachodzące w obiekcie sterowania (tj. elektryczne, mechaniczne, termodynamiczne, dynamika płynów) oraz oddziałujący na model obiektu system sterowania Modelowanie poszczególnych zjawisk/procesów/obiektów może być prowadzone z różnorodnym poziomem szczegółowości (odwzorowania detali poszczególnych podsystemów) w zależności od celu wykonywanych symulacji 33
Model V - projektowania systemu sterowania Model V projektowania systemu sterowania składa się z następujących pięciu etapów: Etap I: Modelowanie i symulacja Etap II: Szybkie prototypowanie układu sterowania RCP (ang. Rapid Control Prototyping) Etap III: Implementacja (algorytmu sterowania) Etap IV: Symulacja w pętli sprzętowej HIL (ang. Hardware In the Loop) Etap V: Integracja i testowania 34
Model V - projektowania 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 35
Model V - projektowania systemu sterowania Etap I: Modelowanie i Symulacja 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 36
Model V - projektowania systemu sterowania Etap I: Modelowanie i Symulacja Pierwszy etap projektowania układu sterowania w którym w ramach jednego projektu buduje się model symulacyjny pełnego układu sterowania obejmującego: kontroler/sterownik, proces/obiekt, oraz strukturę układu sterowania np. z ujemnym sprzężeniem zwrotnym (klasyczna struktura SISO układu sterowania) W trakcie tego etapu ani kontroler/sterownik, ani proces/obiekt nie działają w czasie rzeczywistym Etap ten jest zazwyczaj stosowany na początku procesu projektowania i pozwala inżynierom na zbadanie efektywności systemu sterowania czy zaprojektowanie odpowiednich algorytmów sterowania, w wygodnym i elastycznym środowisku wirtualnym, uruchamiając kolejne testowe symulacje komputerowe całego systemu lub jego podsystemów 37
Model V - projektowania systemu sterowania Etap II: Szybkie prototypowanie układu sterowania - RCP 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 38
Model V - projektowania systemu sterowania Etap II: Szybkie prototypowanie układu sterowania - RCP Jest to Etap, w którym można szybko testować oraz iteracyjnie weryfikować zaproponowane strategie sterowania (algorytmy sterowania) na odpowiednich komputerach, w czasie rzeczywistym (komputery z platforma symulacyjną czasu rzeczywistego), współpracujących z rzeczywistymi urządzeniami poprzez odpowiednie układy wejść/wyjść Ponieważ algorytm sterowania zazwyczaj na tym etapie nie jest implementowany w postaci kodu dla docelowego urządzenia/platformy sterowania, ten etap projektowania nazywa się często również symulacją typu algorytm w pętli (ang. Algorithm In the Loop, AIL). W przypadku gdy jednak jest w postaci kodu dla docelowego urządzenia/platformy sterowania wykorzystuje się określenie oprogramowanie w pętli (ang. Software In the Loop, SIL). 39
Model V - projektowania systemu sterowania Etap II: Szybkie prototypowanie układu sterowania - RCP Platforma symulacyjna Symulowany sterownik Rzeczywisty obiekt - SILNIK np. szybka modyfikacja/testowanie strategii/algorytmu sterowania układem wtryskowym Źródło: www.ni.com 40
Model V - projektowania systemu sterowania Etap II: Szybkie prototypowanie układu sterowania - RCP Szybkie prototypowanie układu sterowania RCP różni się od symulacji w pętli sprzętowej HIL tym, że strategia/algorytm sterowania jest symulowany w czasie rzeczywistym a proces/obiekt sterowania jest prawdziwy (rzeczywisty) 41
Model V - projektowania systemu sterowania Etap III: Implementacja 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 42
Model V - projektowania systemu sterowania Etap III: Implementacja Na tym etapie następuje przeniesienie kodu w postaci programu w języku docelowym dla wybranej, rzeczywistej platformy sterowania Kod dla danej platformy jest zazwyczaj generowany automatycznie z poziomu środowiska symulacyjnego Również zazwyczaj jest automatycznie osadzany/wgrywany do wybranej/rzeczywistej platformy sterowania 43
Model V - projektowania systemu sterowania Etap IV: Symulacja w pętli sprzętowej - HIL 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 44
Model V - projektowania systemu sterowania Etap V: Integracja i Testowanie Jest to Etap w którym łączy się matematyczny model symulacyjny systemu/obiektu sterowania, na odpowiednich komputerach z platforma symulacyjną czasu rzeczywistego z odpowiednimi układami wejść i wyjść, z rzeczywistą docelową platformą sterowania cyfrowego, platforma sterująca działa tak, jakby została włączona do układu rzeczywistego Metodę tę stosuje się do badań i rozwoju docelowych platform sterowania cyfrowego (np. urządzeń wbudowanych, sterowników elektronicznych) 45
Model V - projektowania systemu sterowania Etap IV: Symulacja w pętli sprzętowej - HIL Platforma symulacyjna Rzeczywisty sterownik Symulowany obiekt Źródło: www.ni.com 46
Model V - projektowania systemu sterowania Etap IV: Symulacja w pętli sprzętowej - HIL W trakcie symulacji HIL, rzeczywisty sterownik podłączony jest do komputera z platformą symulując obiekt/proces w czasie rzeczywistym: komputer w czasie rzeczywistym odbiera sygnały elektryczne z rzeczywistego sterownika, z przyjętym standardem komunikacji przetwarza te sygnały do zmiennych fizycznych związanych z modelem symulacyjnym procesu/obiektu za pomocą uruchomionej symulacji obiektu/procesu obliczane są z kolei wielkości fizyczne, które stanowią wyjścia z kontrolowanego obiektu/procesu i które są następnie przekształcane w sygnały elektryczne reprezentujące te wartości (działanie czujników pomiarowych) i dalej za pomocą przyjętego standardu komunikacji przesyłane są do rzeczywistego sterownika 47
Model V - projektowania systemu sterowania Etap IV: Symulacja w pętli sprzętowej - HIL Z założenia symulacja HIL uwzględnia całą złożoność testowanego systemu uwzględniając dynamikę obiektu sterowania oraz wszystkich urządzeń występujących w analizowanym systemie, np. urządzenia pomiarowe oraz wykonawcze Symulacja HIL przewiduje włączenie platformy sterowania cyfrowego w tak zamodelowane i zasymulowane otoczenie w jakim będzie docelowo pracować Symulacja HIL odbywa się w czasie rzeczywistym i w różnych warunkach pracy w jakich przyjdzie pracować testowanej platformie (warunki te mogą być wprowadzone w modelu otoczenia) 48
Model V - projektowania systemu sterowania Etap IV: Symulacja w pętli sprzętowej - HIL Symulacji w pętli sprzętowej HIL różni się od szybkie prototypowanie układu sterowania RCP tym, że strategia/algorytm sterowania jest zaimplementowany na docelowej rzeczywistej platformie sterowania cyfrowego a proces/obiekt jest symulowany w czasie rzeczywistym 49
Model V - projektowania systemu sterowania Etap V: Integracja i Testowanie 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 50
Inżynieria systemów, inżynieria oprogramowania a komputerowe systemy sterowania 51
Różnica pomiędzy inżynierią oprogramowania a inżynieria systemów Inżynieria systemów komputerowych obejmuje wszystkie aspekty tworzenia i ewolucji systemów komputerowych, w których oprogramowanie odgrywa zasadniczą rolę. Inżynierowie systemów uczestniczą w czynnościach prowadzących do specyfikacji sytemu i zdefiniowania jego architektury sprzętowej i programowej. Inżynieria oprogramowania obejmuje wszystkie aspekty tworzenia oprogramowania od fazy początkowej (od zera lub rozszerzenie i modyfikacja już istniejącego oprogramowania) do jego bieżącej pielęgnacji. Przy czym oprogramowanie jest powiązane z architekturą sprzętową systemu. Inżynierowie oprogramowania uczestniczą w czynnościach prowadzących do specyfikacji sytemu i zdefiniowania jego architektury programowej i sprzętowej. Problemy inżynierii systemów są podobne do problemów inżynierii oprogramowania. 52
System Czasu Rzeczywistego - definicja za standardem IEEE/ANSI Definicja za IEEE/ANSI: System czasu rzeczywistego jest to system komputerowy, w którym obliczenia są wykonywane współbieżnie z procesem zewnętrznym (otoczenie) w celu sterowania, nadzorowania lub terminowego reagowania na zdarzenia występujące w tym procesie (otoczeniu). Komputerowy System Sterowania: przemysłowa sieć informatyczna, urządzenie sterowania cyfrowego, przemysłowa bazy danych, system operacyjne czasu rzeczywistego 53
System Czasu Rzeczywistego i Sterowanie Inżynieria Systemów Sterowania Inżynieria Oprogramowania Systemy Czasu Rzeczywistego Systemy Czasu Rzeczywistego + Oprogramowanie Inżynieria Systemów Komputerowych Komputerowe Systemy Sterowania 54
Bibliografia http://www.mathworks.com http://www.ni.com http://www.scicos.org http://www.scilab.org
Dziękuję za uwagę!!! 56