AUTOMATYKA OPROGRAMOWANIE SYMULACYJNE

76

MATLAB&Simulink w projektowaniu systemów sterowania

Pakiet MATLAB&Simulink, dzięki zastosowaniu metodyki Model-Based

Design, pozwala na znaczne przyspieszenie czasu realizacji projektu

oraz obniżenie kosztów przez ciągłą weryfikację i symulowanie projektu

– od wstępnych założeń do gotowego urządzenia.

Korzystając z narzędzi MATLAB&Simu-link, podczas projektowania nowego urządzenia czy systemu, nieodłącznie spotykamy się z metodyką Model-Based Design, czyli projektowania za pomocą modeli. Metodyka ta pozwala na wyko-rzystanie jednego spójnego przekazu na każdym etapie projektowania i testo-wania rozwiązania. Idea Model-Based Design oznacza ciągłą pracę z modelem jako bazą i środowiskiem pomysłu.

Jak to wygląda w praktyce Każdy projekt zaczyna się od pomy-słu, czyli opisu tego, co chcemy zrobić i założeń, jak to powinno działać. Opis pomysłu i założeń nazywa się wymaga-niami formalnymi. Wymagania stano-wią dla inżyniera listę życzeń, które pro-jektowane urządzenie musi spełniać, by spotkało się z akceptacją klienta. Jest to forma umowy między zleceniodaw-cą a odbiorcą. Dla inżyniera stanowi to o tyle ważny dokument, że pozwala zro-zumieć, co tak naprawdę ma zbudo-wać. Na podstawie listy wymagań inży-nier tworzy specyfikację, czyli kolejny dokument, który z grubsza opisuje, jak to urządzenie zbudować. Specyfikacja

powinna obejmować trzy istotne ele-menty:• dekompozycję – podział na mniej-

sze komponenty, co znacznie uła-twia późniejsze projektowanie i po-dział ról w zespole,

• interfejsy – opis, w jaki sposób użyt-kownik korzysta z urządzenia i ko-munikuje się z urządzeniem, a także interfejsy między mniejszymi kom-ponentami składowymi,

• metodę realizacji poszczególnych komponentów – opis, w jaki sposób powinny być zrealizowane.W metodyce Model-Based Design

zakłada się, że już na etapie tworzenia specyfikacji wymagań można korzystać z modelu zbudowanego w graficznym środowisku Simulink, aby przedstawić dekompozycję, hierarchię poszczegól-nych komponentów, a także by zdefi-niować interfejsy.

Kolejnym krokiem po opracowa-niu specyfikacji jest realizacja poszcze-gólnych komponentów. Prawidłowa dekompozycja i jasno zdefiniowa-ne interfejsy umożliwiają równocze-sną pracę całego zespołu inżynierów. Projektując system sterowania każdy ze zdefiniowanych komponentów moż-na zaliczyć do jednej z dwóch kategorii:

• elementów obiektu lub środowiska (ang. plant),

• algorytmu sterowania (ang. con-troller).Po przygotowaniu modelu obiek-

tu, a przed budową prototypu, moż-na już przeprowadzić symulację całego systemu sterującego i sposobu, w jaki oddziałuje on na obiekt. Co istotne, nie są ponoszone żadne dodatkowe koszty.

Po zaimplementowaniu poszczegól-nych komponentów można przejść do ich integracji. Gdy całość systemu dzia-ła, można automatycznie wygenero-wać kod, by przenieść algorytm stero-wania do budowanego urządzenia. Cały czas prowadzone są testy implemento-wanych rozwiązań, których celem jest zbadanie ich poprawności i konfronta-cja z wymaganiami funkcjonalnymi.

Modelowanie fizyczne Budowa modelu obiektu sprowa-dza się głównie do wprowadzenia opi-su matematycznego modelu w graficz-nym środowisku Simulink. Można sto-sować opis za pomocą równań różnicz-kowych, jak i zaawansowanych bloków z modułów rozszerzających środowiska Simulink, jak Simscape, SimMechanics, SimElectronics, SimDriveline, Sim- -PowerSystems i SimHydraulics. Mode-lowanie obiektu często wiąże się z pro-cesem identyfikacji. Klasyczne metody identyfikacji zostały zaimplementowane w System Identification Toolbox.

Można także stosować metody optymalizacji do identyfikacji para-metrów modelu o znanej strukturze, np. Parameter Estimation z Simulink Design Optimization. Tworzenie mode-li, których zadaniem jest jak najlepsze

Promocja

Pomiary Automatyka Robotyka nr 11/2013 77

odzwierciedlanie rzeczywistych zjawisk lub urządzeń nazywane jest modelowa-niem fizycznym. Większość modeli tego typu będzie symulowana jako mode-le o czasie ciągłym, za pomocą jed-nego z wielu solverów numerycznych zaimplementowanych w środowisku Simulink.

Projektowanie sterowaniaRealizacja modelu obiek-tu w środowisku Simu-link pozwala na przej-ście do kolejnego etapu, jakim jest projekt algo-rytmu sterowania. Pod tą nazwą kryje się wiele różnych rozwiązań. Może to być prosty regulator, pracujący w pętli sprzę-żenia zwrotnego (ang. compensator) i realizujący algorytmy P, PI, PD, PID lub dowolną zaprojek-towaną strukturę.

Wszystkie te rozwiązania moż-na łatwo i szybko zaimplemento-

wać w środowisku Simulink, zarówno w wersji ciągłej, jak i dyskretnej. Takie narzędzia, jak Control System Toolbox i Simulink Control Design, pozwalają dodatkowo na szybkie strojenie regula-torów klasycznymi metodami typu LQ, Ziegler-Nichols, Pole Placement i wiele

innych. Dzięki tym rozszerzeniom moż-na szybko zbadać właściwości mode-lu (charakterystyki czasowe i częstotli-wościowe), przeprowadzić szybką line-aryzację modelu nieliniowego, zbadać

stabilność układu oraz błyskawicznie przejść z wersji ciągłej na dyskretną lub odwrotnie.

Chcąc zrealizować złożony sterow-nik nieliniowy lub algorytm decyzyj-ny, można stosować dodatkowe narzę-dzia, np. Stateflow – do realizacji syste-

mów decyzyjnych (maszyny skończenie stanowe), Neural Network Toolbox – do realiza-cji sieci neuronowych, Fuzzy Logic Toolbox – do realizacji algorytmów logiki rozmytej.

Strojenie parametrów zaprojektowanego algorytmu sterującego można wykonać za pomocą Simulink Design Optimization – tutaj nastawy spełniające kryteria są znaj-dowane za pomocą metod optymalizacyjnych. Do wybo-ru są klasyczne metody opty-

malizacji, np. metody gradientowe czy metoda najmniejszych kwadra-tów z Optimization Toolbox lub meto-dy genetyczne z Global Optimization Toolbox.

WORLD CLASS MANUFACTURING – PRODUKCJA KLASY ŚWIATOWEJ

XI EDYCJA KONFERENCJI

19-20 listopada 2013 r., Wrocław

WIZYTA W ZAKŁADZIE GE POWER CONTROLS21 listopada 2013 r., Kłodzko

WARSZTAT DLA MENEDŻERÓW „SKUTECZNE ZARZĄDZANIE ZESPOŁEM PRODUKCYJNYM”18 listopada 2013 r., Wrocław

Sponsorzy: Wystawca:SponsorKoktajlu:

SponsorLunchu:

Patroni medialni:

Zagadnienia omawiane podczas konferencji:• Jak zbudować system zarządzania WCM w polskich realiach• Jak adaptować elementy WCM do obecnie stosowanych systemów w naszej firmie• DNA Dyrektora Produkcji• Adaptacja procesu coachingowego w zespole pracowników produkcji• Eliminacja problemów – narzędzia Focus Improvement• Stały rozwój naszych pracowników – jakie narzędzia i praktyki sprawdzają się w firmach• Inteligentne roboty przemysłowe w World Class Manufacturing• Budowa filaru Cost Deployment w mojej firmie – jak optymalnie redukować koszty• Optymalne zarządzanie projektami według 10 kroków Kobetsu Kaizen oraz w cyklu PDCA

gbip.com.plOsoby zainteresowane udziałem w konferencji prosimy o kontakt: +48 22 458 66 10

Na tej konferencji nie może Państwa zabraknąć!

GBI_PAR_205x145_petronas.indd 1 28.10.2013 13:53

REKLAMA

AUTOMATYKA OPROGRAMOWANIE SYMULACYJNE

78

Automatyczne generowanie koduPo zaprojektowaniu właściwego algo-rytmu sterującego i właściwych na-staw, całość algorytmu sterujące-go można łatwo zaimplementować w wybranym mikroprocesorze dzię-ki narzędziom do automatycznego ge-nerowania kodu – MATLAB Coder, Si-mulink Coder i Embedded Coder. Na-rzędzia te umożliwiają wygenerowa-nie uniwersalnego kodu ANSI/ISO C z modelu opracowanego w środowi-sku Simulink lub ze skryptu napisane-go w języku MATLAB. Kod ten można łatwo dołączyć do projektu realizowa-nego na dowolnej architekturze sprzę-towej. Można także wygenerować kod ST na sterowniki PLC – za pomocą Si-mulink PLC Coder – lub kod w jed-nym z języków HDL (VHDL, Verilog) – za pomocą HDL Coder.

Testowanie i weryfikacjaŚrodowisko MATLAB&Simu-link umożliwia także prze-prowadzanie złożonych te-stów jednostkowych na eta-pie projektowania poszcze-gólnych komponentów lub te-stów integracyjnych, po zło-żeniu komponentów w sy-mulację całego dużego syste-mu. Pracę na tym etapie uła-twiają narzędzia pochodzące z rozszerzeń: Simulink Verifi-cation and Validation, Simu-link Design Verifier, System-Test. Dzięki nim można wykonać ta-kie zadania, jak:• integracja modeli Simulink z for-

malnie zapisanymi wymaganiami,• automatyczne generowanie szkie-

letu jarzma testowego (ang. test harness),

• badanie pokrycia modelu (ang. model coverage) dla zadanych przypadków testowych,

• automatyczne generowanie przy-padków testowych dla zadanych wytycznych lub dla uzyskania peł-nego pokrycia modelu dla zadanej metryki,

• automatyzacja procesu testowania.Podczas pracy nad projektem

cały czas stosowany jest jeden i ten sam model, zdefiniowany w środowi-sku graficznym Simulink, do którego dodawane są kolejne szczegóły imple-mentacji. Na każdym etapie moż-na przeprowadzić symulację i spraw-dzić działanie nowego pomysłu, a co najważniejsze – wykluczyć potencjal-ne błędy. Można także sprawdzić, jak badany obiekt zareaguje na nietypo-we warunki lub sytuacje awaryjne. Przetestowanie nowego pomysłu czy idei zajmuje dokładnie tyle czasu, ile potrzeba na wprowadzenie go do śro-

dowiska Simulink. Wszystkie dzia-łania są realizowane bez ponoszenia dodatkowych kosztów, związanych z budową prototypów.

OPROGRAMOWANIE NAUKOWO-TECHNICZNE

ul. Oboźna 1130-011 Krakówwww.ont.com.plR

EKLA

MA