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
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