Embedded Control con LabVIEW Real-Time

e FieldPoint

Overview

• Modellizzazione e progetto di controllo• Simulazione e tuning• Estensione del concetto di controllo di sistema• LabVIEW Real-Time• Controllo discretizzato

Sviluppo di un sistema di controllo • Modellizzazione e progetto di controllo

– Test del sistema per ottenere un modello (identificazione di sistema)– Definizione dei requisiti di prestazione– Selezione del target real-time– Selezione della tecnica di controllo

• Simulazione e Tuning– Raffinamento della strategia di controllo e sintonizzazione– Valutazione della validità delle performance del closed-loop

• Trasferimento dell’applicazione su Hardware Real-time

Step 1: modellizzazione e progetto di controllo

La modellizzazione consente di identificare il comportamento della risposta del sistema, ed utilizzarla per il progetto di controllo

• Applicare un segnale noto al sistema e misurarne la risposta

Output della sorgentedi calore (%)

Temperatura(ºC)Impianto

Demo modellizzazione (Parte I)

Camera climatica con sorgente di calore e ventolaSistema di prova per ottenere il modello del primo ordine (anello aperto)

• Impostare il 100% del valore della sorgente di calore• In condizioni di stabilità, si misura la costante di tempo , τ, che

indica il tempo necessario all sistema per raggiungere il 63% della temperatura massima

• Guadagno di misura Kp = ∆ Temp / ∆ Heater Output

1)(

+=sK

sG p

τHeater Output (%) Temperature (ºC)

Diagramma di sistema di controllo Sistema di controllo ad anello chiuso

Compensatore Uscita dell’attuatore Sistema

Feedbackdal sensore

-+Errore

disturbi

SetPoint

ProcessoVariabile

Control System Diagram

Temperaturadesiderata

PID Compensator

HeaterOutput

temperatura misurata

Sorgente di calore

termocoppia

-+Errore

120 ºC

100 ºC

20 ºC62%

raffreddamentoFront Panel PID Toolset

FP-PWM-520

FP-TC-120

Sistema di controllo di temperaturaLabVIEW

NI LabVIEW Real-Time Hardware

LabVIEW PID Control Examples

Caratteristiche tipiche di un processo

Percent OvershootPercent Overshoot

Rise TimeRise Time SteadySteady--State ErrorState ErrorSettling TimeSettling Time

DeadtimeL’intervallo di tempo che intercorre fra la variazione di un segnale in ingresso e l’inizio della variazione dell’uscita

DeadtimeDeadtime

Modellizzazione (Parte II)Heater/Fan Temperature Chamber• Sistema di prova per ottenere un modello del primo ordine

Selezionare un Loop Cycle Time

Loop cycle time• L’intervallo di tempo ,T(s), che intercorre fra due chiamate successve

di un algoritmo di controllo .Il loop rate o sample rate è 1/T(Hz)I sistemi che hanno variazioni rapide o un comportamento complesso richiedono una velocità di controllo del ciclo più alta

• In genere, il control loop dovrebbe essere almeno dieci volte più veloce della costante di tempo del sistema, τ

T

AlgoritmoI/O I/O

Soluzioni Real-Time per il controllo di processo

HighHighLowI/O Count

BestBetter–Distributed

BestBetterGoodSmall SizeBetterBestGoodI/O Variety

Rugged

Performance (PID loop rate)

BestBetter–

< 1kHz40 kHz, max1 kHz

RT FieldPointRT PXIRT Series DAQ

Sistemi di controllo discretizzati

I sistemi di controllo discretizzati consistono di operazioni logiche e temporizzate( logica a relè)

Esempio Se la valvola A è aperta e la valvola B è chiusa, allora la valvola C si apre per cinque secondi

Sistemi di controllo state-machine

I sistemi di controllo state-machine permettono di utilizzare più di una modalità di funzionamento

Esempio:Dopo che un serbatoio si è riempito, inizia il controllo di temperatura ad anello chiuso.Quando la temperatura si è stabilizzata, si svuota il serbatoio.Alla fine avviene lo shutdown.

Demo su sistemi discretizzati e state machineHeater/Fan Temperature Chamber• Demo sistema discretizzato• Demo controllo state-machine

PID Control

Proportional-Integral-Derivative (PID)

iT1 ∫

dtd

-++

dT

Error

cK-+Set Point

Processo Variabile

Output

PID Advanced con guadagni fissati

Sistemi non lineari

PIDAdvanced

Uscita attuatore

ProcessoVariabile

sistema

SensorFeedback

-+Error

Disturbance

SetPoint

GainScheduling

Valore di guadagno fissatoPID

Gains

PID con assorbimento di disturbi

Sistema di controllo con assorbimento di disturbi

ActuatorOutput

System(Plant)

SensorFeedback

Disturbance

-+

Gain

SetPoint PID

ProcessVariable

-+Error

Fuzzy Logic Control

Ingressi multipli, regola IF-THEN

SetPoint

FuzzyController

IF-THENActuatorOutput

System(Plant)

SensorFeedback

DisturbanceInput 3

Input 2

ProcessVariable

-+Error

Tecniche di controllo a confronto

Come scegliere una tecnica di controllo

√√PID with Disturbance Decoupling

√

√

Buon reiezione dei disturbi

√

√

Sistemi non lineari?

Fuzzy Logic

√PID Advanced with Gain Scheduling

√PID

Autotuning?

Step 2: simulazione e tuningSimulazione e sintonizzazione ad anello chiuso

• Raffinamento dei parametri di controllo• Procedimento manuale o autotuning

Valutazione delle performance e della validità della prova• I risultati rispettano le specifiche di progetto?• Nelle peggiori condizioni operative come reagisce il

sistema• Se non si comporta in modo soddisfacente è utile

cambiare I parametri o utilizzare una diversa tecnica di controllo

SimulazioneLa simulazione è un buon metodo per prendere conoscenza del sistema ,per selezionare il piùappropriato metodo di controllo e per valutarne le performance

• Utilizzo di strumenti matematici– risposta al gradino,diagrammi di Bode, luogo delle radici

• Rapido confronto fra progetti alternativi• Ottimizzazione dei risultati,costi e robustezza• Valutazione delle peggiori condizioni operative

Demo simulazioneHeater/Fan Temperature Chamber– Simulazione di sistema per la selezione dei parametri PID

Step 3: estensione del concetto di sistema di controllo

• Setup e configurazione HW e SW• Impostazione della priorità del control loop to time critical e

download dell’applicazione sul target LabVIEW RT• Creazione di un eseguibile• Utilizzo del remote panel in ambiente RT

Sistemi LabVIEW RT

Processor I/O modules

Develop onHost Computer

Execute onRT TargetDownload

LabVIEW Real-Time

Regole di base per la programmazione in ambiente RT• Separare le applicazioni in Vis time-critical e non , impostando le

priorità• Impostare la comunicazione fra i Vis utilizzando variabili globali

o RT FIFOs• Evitare l’allocazione di memoria volatile• Disporre il codice che utilizza funzioni GPIB, Seriali o di

networking in Vis con priorità normale

Multithreading

Time-critical vs. normal priority

Time-Critical VI Normal Priority VIs

Input and Output (I/O) Disk Logging

Control and Analysis Algorithms FTP and Web Servers

Inter-VI Communication Network, Serial and GPIB Communication

Network Communication

Opzioni di ethernet networking• Pubblicazione automatica di I/O su OPC server• Remote front panels• Web and FTP servers built in• Pubblicazione dei dati OPC( custom tags)• Comunicazione DataSocket • – Lookout™ (Logos), OPC, DSTP, FTP

Demo utilizzo target RTHeater/Fan Temperature Chamber• Demo con sistema di controllo esteso

Caratteristiche di produttività con LabVIEW

LabVIEW rappresenta una piattaforma ideale per lasimulazione e l’estensione del concetto di controlloProduttività

• Basic, Advanced, and Autotuning PID• Set Point Profiling, Control Input Filtering• Simulazione lineare e non

Realizzabilità • LabVIEW Real-Time deployment targets

Procedura autotuning PID

Dopo aver effettuato una ricerca dei parametri PID e aver raggiunto un controllo stabile, l’autotuning con PID può raffinarei parametri

Procedura:1. Creare l’applicazione di controllo e determinare I parametri PID, successivamente produrre un controllo stabile del sistema2. Eseguire la procedura di autotuning e memorizzare iparametri PID calcolati

Control Toolbox Highlights

Control Toolbox Highlights

Utilizzo di analisi poynt-by-point

La palette poynt-by-point consente di aggiungere funzionalità di processo di segnale all’ applicazione di controllo

Esempio:• Generazione di un set point di un’onda quadra e misura

della pendenza della risposta del sistema (rise time)

Point-by-Point DemoHeater/Fan Temperature Chamber•Demo point-by-point analysis

Approfondimenti

• LabVIEW PID Control Toolset User Manual• Point-by-Point Analysis User Manual• NI Developer Zone (ni.com/zone)• Control System Design Guide, George Ellis, 2000, by Academic Press

Sommario

• Progetto di controllo e modellizzazione• Controllo discretizzato e state-machine• Simulazione e Tuning• Real-Time Deployment• LabVIEW Programming Guidelines• Point-by-Point Analysis