Szybkie prototypowanie w projektowaniu mechatronicznym

Systemy wbudowane(Embedded Systems)

Systemy wbudowane (ang. Embedded Systems) są to dedykowane architektury komputerowe, które są integralną częścią całego urządzenia.

Rozwiązanie w oparciu o systemy wbudowane zwiększa szybkość i niezawodność, zmniejsza zużycie energii i podnosi bezpieczeństwo pracy.

Systemy wbudowane(Embedded Systems)

Systemy wbudowane są stosowane:

• w przemyśle samochodowym (ABS, ESP, komputer pokładowy),

• w przemyśle obronnym (sterowanie w samolotach, rakietach),

• w przemyśle maszynowym, np. PLC,• jako sterowniki robotów mechanicznych,• sprzęt komputerowy – drukarki, plotery,

routery,• w sterownikach bankomatów, czy też

innych urządzeń codziennego użytku (odtwarzacze dvd, aparaty fotograficzne, kina domowe, telewizory, telefony komórkowe, kamery, …).

Systemy mechatroniczne wykorzystują zaawansowane mikroprocesorysterujące złożonymi procesami, w których zależności międzysprzętem a oprogramowaniem są bardzo złożone.

Stanowi to duże wyzwanie projektowe – należy pogodzić wymaganiaaplikacji z ograniczeniami sprzętowo-programowymi, na jakiemożna napotkać.

Proces projektowania długi, złożony, wieloetapowy:

- określenie wymagań,

- projektowanie – hardware,

- projektowanie – software,

- testowanie,

- wdrożenie do produkcji.

Systemy wbudowane(Embedded Systems)

Klasyczne projektowanie

Dokumenty tekstowe(utrudniony przepływ informacji, często pojawiają się błędy związane z niekompletną, błędną specyfikacją )

Projekt i budowa prototypu(kosztowne)

Tworzenie, kodowanie algorytmów(Różne narzędzia – wiele błędów ludzkich)

Testowanie na obiekcie rzeczywistym(im później znaleziony błąd tym trudniejszy i kosztowniejszy do usunięcia)

Tradycyjne podejście - procedura długa, kosztowna, terminy nie dotrzymywane, wiele błędów, potrzebne poprawki. Często wynikowa aplikacja nie jest zgodna z początkowymi założeniami projektu.

Projektowanie w oparciu o modele (Model-Based design)

Projektowanie z użyciem modeli ułatwia rozwijanie systemów mechatronicznych przez opracowanie i wykorzystywanie jednego spójnego środowiska do projektowania i łączenia elementów mechanicznych, elektronicznych, pneumatycznych, termicznych itp.

Charakterystyka MBD:

- podejście programowe,

- łatwość porównywania różnych systemów i koncepcji,

- brak kosztów budowania stanowisk pomiarowych i fizycznych prototypów,

- efektywniejsze metody weryfikacji i testowania,

- automatyczna generacja kodu źródłowego dla sprzętu,

- krótszy czas realizacji projektu,

- mniejsza liczba błędów,

- możliwość pracy grupowej,

- mniejsze koszty realizacji projektu.

Projektowanie w oparciu o modele (Model-Based Design)

Projektowanie w oparciu o modele (Model-Based Design)

Model systemu zbudowany jest z:- modelu obiektu (Plant)- modelu układu sterowania (Controller)

Budowa modelu układu sterowania (Model-Based Design)

1. Model układu sterowania projektuje się w postaci diagramu blokowego.

2. Model posiada:Wejścia - sygnały dostarczane przez zewnętrzne wymuszenia,Wyjścia – sygnały pokazujące reakcję modelu.

3. Wejścia i wyjścia reprezentowane są przez rzeczywiste wartości jak np. napięcie, temperatura, pH, ciśnienie, siła, położenie, prędkość, itp.

4. Wewnątrz modelu, bloki połączone są liniami, które odwzorowują matematyczne relacje pomiędzy nimi (a ściślej przepływ informacji pomiędzy elementami modelu).

Modeluje się go najczęściej systemie w służącym do modelowania, symulacji i analizowania układów dynamicznych takich jak Simulink (Matlab) czy Easy5.

Model obiektu tworzy się w postaci:

• modelu matematycznego – formułuje się jawne równania matematyczne opisujące działanie układu.Matematyczny model może być prosty np. model silnika - równania opisujące zamianę napięcia na moment obrotowy lub złożony np. manipulator - równania opisujące zamianę momentów napędowych na przemieszczenia efektora.

Budowa modelu obiektu(Model-Based Design)

• uproszczony model matematyczny (Data-Driven Modeling ).

Kiedy opis matematyczny systemu staje się zbyt trudny lub czasochłonny do opracowania, stosuje się podejście wykorzystujące dane empiryczne z obiektu rzeczywistego (Data-DrivenModeling), w myśl którego mając dane wejściowe i wyjściowe jesteśmy w stanie stworzyć przybliżony model matematyczny systemu.Podejście to nie daje jednak wglądu w

fizykę systemu, ale daje dokładną reprezentację rzeczywistego systemu w określonym zakresie danych testowych.

Budowa modelu obiektu (Model-Based Design)

Wejście Wyjście

Obiekt

Wyjście = f(wejście)

• wirtualny model symulacyjny w systemach analizy dynamicznej układów wieloczłonowych (MD.Adams, LMS Dads, SIMECHANICS, …)

Budowa modelu obiektu(Model-Based Design)

Projektowanie w środowisku MD.Adams:

Projektowanie w oparciu o modele (Model-Based Design)

Projektowanie w oparciu o modele (Model-Based Design)

Projektowanie w środowisku Matlab – Simulinkoraz Simechanics, RTW

Projektowanie w środowisku MD.Adams (obiekt) Matlab –Simulink (układ sterowania) oraz RTW (generowania kodu źródłowego dla sprzętu)

Projektowanie w oparciu o modele (Model-Based Design)

Testowanie i weryfikacja systemu

Testowanie systemu może być realizowane na dwa sposoby:– Rapid Control Prototyping, (RCP) – szybkie prototypowanie układów sterowania,– Symulacje - Hardware in the loop (HIL).

Rapid control prototyping – szybkie prototypowanie

Rapid control prototyping – szybkie prototypowanie

Podczas szybkiego prototypowania (Rapid Control Prototyping):• kod algorytmu sterującego generowany jest na specjalizowany komputer, który

działa na systemie czasu rzeczywistego na którym uruchomiony jest programowy model układu sterowania i jest podłączony do istniejącego sprzętu.

• System sterowania w modelu zawiera wszystkie potrzebne wejścia/wyjścia, wygenerowany kod zarządza wszystkimi tymi urządzeniami i inżynier nie musi ich samodzielnie programować.

• Dzięki szybkiemu prototypowaniu wszystkie koncepcje można efektywnie i szybko przetestować w warunkach rzeczywistych.

Symulacje - Hardware in the loop (HIL)

Symulacje - Hardware in the loop (HIL)

Każda modyfikacja regulatora (parametrów, struktury) niesie ze sobą niebezpieczeństwo uszkodzenia urządzenia (plant) sterowanego podczas prac uruchomieniowych.

Dlatego też w symulacjach HIL odpowiednio przygotowana aplikacja uruchamiana na komputerze z systemem czasu rzeczywistego pełni rolę symulowanego modelu sterowanego urządzenia.

Dzięki temu możliwe jest (bez niebezpieczeństwa uszkodzenia elementów rzeczywistego procesu) przetestowanie rozmaitych koncepcji systemów sterowania (regulatorów).

Symulacje - Hardware in the loop (HIL)