2 june 2015technical university of cluj-napocapage 1 universitatea tehnica din cluj-napoca r omania

April 18, 2023 Technical University of Cluj-Napoca

UNIVERSITATEA TEHNICA DIN CLUJ-NAPOCA

ROMANIA

PLATFORMĂ DE SIMULARE, CONTROL ŞI TESTARE CU

APLICAŢII ÎN MECATRONICĂ

Radu Bălan

Facultatea de Mecanică

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, România

e_mail: [email protected]

http://www.east.utcluj.ro/mec/mmfm

Radu Bălan

Facultatea de Mecanică

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, România

e_mail: [email protected]

http://www.east.utcluj.ro/mec/mmfm


Date generaleDate generale

1. Denumire proiect:

PLATFORMĂ DE SIMULARE, CONTROL ŞI TESTARE

CU APLICAŢII ÎN MECATRONICĂ (CONMEC)

2. Parteneri:

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ NAPOCA (CO)

SC. IPA SA. SUCURSALA CLUJ – NAPOCA (P1)

UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” DIN TIMIŞOARA (P2)

UNIVERSITATEA “BABES-BOLYAI” DIN CLUJ-NAPOCA (P3)

3. Valoare totală (buget) contract: 1.500.000 RON, buget+cofinanţare: 1.637.500 RON

4. Perioada de desfăşurare a proiectului: 15.09.2006 – 30.08.2008

1. Denumire proiect:

PLATFORMĂ DE SIMULARE, CONTROL ŞI TESTARE

CU APLICAŢII ÎN MECATRONICĂ (CONMEC)

2. Parteneri:

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ NAPOCA (CO)

SC. IPA SA. SUCURSALA CLUJ – NAPOCA (P1)

UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” DIN TIMIŞOARA (P2)

UNIVERSITATEA “BABES-BOLYAI” DIN CLUJ-NAPOCA (P3)

3. Valoare totală (buget) contract: 1.500.000 RON, buget+cofinanţare: 1.637.500 RON

4. Perioada de desfăşurare a proiectului: 15.09.2006 – 30.08.2008


IntroducereIntroducereIntroducereIntroducere

Proiectarea sistemelor mecatronice necesită o dezvoltare sistematică şi utilizarea uneltelor moderne de proiectare. Funcţie de tipul sistemului mecanic pot apare deosebiri asupra paşilor ce trebuie urmaţi. Pentru echipamentele de mecanică fină integrarea mecatronică trebuie realizată într-o măsură considerabilă. Influenţa electronicii în cazul unor elemente mecanice precum în domeniul auto: motorul, ABS, transmisie automată, suspensie etc. poate fi considerabilă. În cazul maşinilor unelte, roboţilor, saşiului auto etc. se observă în primul rând o proiectare mecatronică a elementelor componente urmată apoi de o reproiectare parţială a unor elemente ale structurii de bază.

În economie există o presiune puternică pentru reducerea timpilor de dezvoltare a noilor produse în condiţiile realizării de produse inovative. Acest lucru este esenţial într-o piaţă globală şi se aplică în particular industriilor din categoria celor de “înaltă tehnologie”: auto, aerospaţială, comunicaţii, etc. adică acolo unde unitatea electronică de control (ECU- electronic control unit) este o componentă vitală a fiecărui nou produs.

Proiectul are drept scop principal dezvoltarea şi implementarea unor noi soluţii în activitatea de cercetare din mecatronica si domeniile adiacente, în acord cu tendinţele europene şi mondiale din domeniu. Direcţiile de cercetare avute în vedere sunt modelarea, simularea, controlul şi testarea produselor mecatronice.

În acest sens, o posibilitate din ce în ce mai utilizată atât în mediul universitar din ţările dezvoltate cat şi în sectoarele de cercetare ale marilor firme din domeniile amintite este utilizarea sistemului dSPACE. Sunt numeroase aplicaţii practice care au putut fi realizate rapid si eficient datorita utilizării acestui sistem.


IntroducereIntroducereIntroducereIntroducereProiectarea bazată pe model a componentei de control este o abordare

ce reduce timpul şi costurile permiţând inginerilor lucrul cu un singur model al unei funcţii sau a sistemului complet. Rezultatul acestui mod de lucru este obţinerea unui sistem optimizat şi testat complet, fără riscul ca unele componente individuale să nu funcţioneze optim în sistem. Sistemul dSpace a adoptat proiectarea bazată pe model datorită multiplelor avantaje ce rezultă. Mediul integrat de dezvoltare este Matlab-Simulink-Stateflow.

Principal avantaj al sistemului: dezvoltare rapidă într-un mediu integrat

Proprietăţi de bază:

1. Modelare grafică bazată pe utilizarea mediului Matlab-Simulink-Stateflow

2. Validare iniţială a sistemului printr-o simulare off-line

3. Într-o echipă fiecare membru poate lucra cu acelaşi model

4. Reutilizare facilă a componentelor modelului

5. Modelele obţinute pot fi utilizate ulterior în simulări/testări de tip HIL (Hardware-In-the-

Loop). Exemple în domeniul auto: controlul arderii, şasiul, dinamica vehiculului etc.

6. Toate componentele modelului pot fi utilizate împreună.


Simularea în timp real Simularea în timp real Simularea în timp real Simularea în timp real Proiectarea asistată de calculator (computer-aided design CAD) are în

vedere:

1. specificaţiile constructive în faza de dezvoltare inginerească utilizând unelte CAD / CAE;

2. modelarea pentru obţinerea modelelor statice şi dinamice ale procesului;

3. simularea sistemului;

4. programarea şi implementarea software-ului asociat sistemului mecatronic.

Din ce în ce mai mult, simulările de tip real-time sunt aplicate în proiectarea unui sistem mecatronic. Acest lucru este valabil în special când, pentru a minimiza ciclurile de dezvoltare ale unui produs şi pentru a reduce timpul de apariţie pe piaţă, hardware-ul şi software-ul sunt dezvoltate simultan. Funcţie de timpul necesar de calcul, metodele de simulare se clasifică în:

- simulare fără limitări de timp de calcul; în cazul unor investigaţii de bază asupra comportării sistemului studiat, pentru verificarea unor modele teoretice, pentru proiectarea componentei de control sau pentru proiectarea procesului.

- simulare în timp real; pentru simularea procesului (simulări de tip hardware-in-the-loop, învăţare/antrenare operatori), simularea controlerului (testarea algoritmilor de control – controller prototyping), simularea procesului şi a controlerului.

- simulare mai rapidă decât cazul timpului real; în cazul sistemelor de control bazate pe model (control predictiv, control adaptiv), optimizări on-line, dezvoltarea de strategii, planificare, componente pentru simulare real-time


Simularea în timp real Simularea în timp real Simularea în timp real Simularea în timp real Diferite metode de simulare real-time sunt prezentate în figura de mai

jos. Motivul pentru care este necesară simularea în timp real este de cele mai multe ori faptul că cel puţin una din componentele sistemului nu este simulată ci este reală. Astfel putem distinge:

1. Procesul real este controlat de un sistem de control simulat prin utilizarea unui alt hardware decât cel ce va fi utilizat în final. Această fază se numeşte „control prototyping”;

2. Procesul simulat este executat în timp real împreună cu algoritmul simulat de control. Această etapă poate fi necesară dacă hardware-ul final nu este încă disponibil sau dacă se consideră necesară utilizarea acestui pas înainte de simularea de tip HIL;

2. Procesul simulat este controlat de un sistem de control implementat pe un hardware specific. Acest caz se numeşte „Hardware-In-the-Loop HIL”.

Simulare real-time


Simularea de tip HIL Simularea de tip HIL Simularea de tip HIL Simularea de tip HIL

Simulare în timp real. Structuri hibride. (a) HIL (b) Control Prototyping

Simularea de tip HIL: cel puţin una din componentele sistemului este reală şi cel puţin una din componentele sistemului este simulată dar funcţionează în timp real. Uzual sistemul de control (soft+hard) este componenta reală, utilizată în producţia de serie. Procesul controlat (actuatori, proces, senzori), poate cuprinde atât componente reale cât şi componente simulate (vezi fig. alăturata). Se pot realiza şi diverse combinaţii ale cazurilor arătate. Uzual, unii dintre actuatori sunt reali iar procesul şi senzorii sunt simulaţi. Motivul acestei abordări este faptul că de multe ori actuatorii şi hardware-ul de control formează un sistem integrat sau că este dificilă modelarea precisă a funcţionării actuatorilor sau că, în cazul simulării actuatorilor nu se respectă cerinţele de timp real. Utilizarea senzorilor reali împreună cu procesul simulat poate necesita eforturi deosebite deoarece intrările fizice ale senzorilor nu există şi ele trebuie generate artificial. Dacă se doreşte schimbarea sau modificarea unor funcţii ale componentelor hard şi/sau soft ale sistemului de control, se poate utiliza un modul de bypass ce poate fi conectat la hardware-ul de bază. Simulatoarele HIL pot de asemenea conţine funcţii de control simulate (emulate) parţial.

Avantajele simulărilor de tip HIL sunt: - proiectarea şi testarea hardware-ului şi software-ului de control fără operarea pe procesul real, ceea ce oferă în majoritatea cazurilor avantaje evidente prin ‚aducerea’ procesului în laborator;- testarea hardware-ului şi software-ului de control în condiţii extreme în laborator, respectiv temperaturi foarte scăzute sau foarte mari, acceleraţii foarte mari, şocuri mecanice mari, mediu agresiv, compatibilitate electro-magnetică etc.;- testarea efectelor defectelor sau funcţionării incorecte ale actuatorilor, senzorilor, diverselor sisteme de calcul etc.- operarea şi testarea în condiţii extreme sau/şi periculoase;- experimentele se pot reproduce şi se pot repeta frecvent;- operare uşoară prin intermediul diferitelor interfeţe om-maşină; scăderea costului şi a timpului de proiectare.


Prototiparea controlului Prototiparea controlului (Control Prototyping)(Control Prototyping)

Prototiparea controlului Prototiparea controlului (Control Prototyping)(Control Prototyping)

Pentru proiectarea şi testarea sistemelor complexe de control şi a algoritmilor asociaţi în condiţii de timp real, trebuie realizat un controler (uzual altul decât cel ce va fi implementat în producţia de serie) care să permită simularea (emularea) în timp real.

Procesul, actuatorii, senzorii pot fi cei reali. Acest mod de lucru se numeşte prototiparea controlului (control prototyping) Desigur, părţi ale procesului sau actuatorii pot fi simulaţi, rezultând o mixtură între simularea de tip HIL şi prototiparea controlului.

Avantajele principale sunt:- dezvoltarea în faza incipientă a metodelor de procesare a semnalelor, modelelor procesului şi a structurii sistemului de control, incluzând algoritmi şi hardware performanţi;- testarea procesării semnalelor şi a sistemelor de control, împreună cu actuatorii, părţi din proces, senzori etc, cu scopul creării efectelor de sinergie;- reducerea modelelor şi a algoritmilor astfel încât să fie realizate cerinţele producţiei de masă din punct de vedere a preţului hardware-ului;- definirea specificaţiilor pentru hardware-ul şi software-ul final.


Matlab, Simulink, StateflowMatlab, Simulink, StateflowMatlab, Simulink, StateflowMatlab, Simulink, StateflowPentru o soluţie la cheie ce combină toţi paşii necesari într-un singur mediu de

dezvoltare, sistemele în timp real dSpace pot integra complet uneltele de dezvoltare Matlab. Având o paletă largă de unelte pentru control, modelarea sistemelor, analiză, simulare şi prototipare, Matlab, Simulink, Stateflow sunt o bază ideală pentru dezvoltarea sistemelor avansate de control.

Matlab nu numai că elimină necesitatea programării manuale (desigur că acest mod de lucru este permis), dar în acelaşi timp permite inginerilor analiza şi vizualizarea datelor, dezvoltarea algoritmilor, posibilitatea reutilizării aplicaţiilor sau părţilor de aplicaţii, utilizarea bibliotecilor de programe etc., ceea ce contribuie enorm la creşterea productivităţii muncii şi a creativităţii. Mediul conţine aşa zisele toolbox-uri (unelte de lucru) pentru proiectarea controlului, identificarea sistemelor, analiză etc. Exemple de toolbox-uri: Control Toolbox, Communications Toolbox, Neural Network, Optimization Toolbox, Signal Processing Toolbox.

Simulink este un mediu interactiv integrat în Matlab ce permite modelarea, analiza şi simularea. El asigură o interfaţă utilizator grafică pentru construcţia diagramelor bloc ale modelelor prin utilizarea operaţiilor de tragere şi depunere. Permite utilizarea unor operaţii avansate precum execuţia condiţionată a unor subsisteme, selector de tip case, cicluri de tip For sau While, tipărirea datelor, etichetarea semnalelor etc. ceea ce îl face ideal pentru sarcini de proiectare a sistemelor complexe de control. Biblioteca de componente Simulink este îmbogăţită de biblioteci specifice dSpace pentru suport hardware intrare/ieşire. Aceste blocuri pot fi utilizate pentru construcţia experimentelor în timp real, inclusiv intrări/ieşiri şi iniţializări, fără a scrie o singură linie de cod.

Stateflow extinde Simulink-ul pentru proiectarea şi simularea sistemelor bazate pe evenimente. Este o unealtă grafică ce oferă o metodă eficientă de integrare de controale complexe şi logică de supervizare în modelele Simulink.

Real-Time Workshop şi Stateflow Coder permit generarea automată de cod C direct din diagramele Simulink respectiv din sistemele Stateflow. Împreună cu Interfaţa de timp real DSpace, (RTI – Real Time Interface) aceste unelte asigură o tranziţie facilă de la diagramele bloc la hardware-ul de timp real DSpace.


ControlDesk şi Matlab-SimulinkControlDesk şi Matlab-SimulinkControlDesk şi Matlab-SimulinkControlDesk şi Matlab-Simulink

Crearea, analiza şi simularea modelelor pe baza diagramelor bloc sunt operaţii sofisticate ce pot fi soluţionate convenabil cu Matlab-Simulink, pe baza unei biblioteci largi şi puternice, extinsă cu blocuri specifice dSpace de intrare/ieşire. Însă oferirea unui suport suplimentar în proiectare, a unei unelte ce permite realizarea sarcinilor de control, monitorizare, simulare şi realizarea experimentelor în timp real în mod interactiv constituie un avantaj semnificativ. ControlDesk este o unealtă integrată ce oferă aceste facilităţi, oferind utilizatorului asistenţă pe întreaga durată de dezvoltare a unei aplicaţii. Se pot construi instrumente virtuale, se pot seta experimente complexe, seta parametri, se pot programa serii complete de teste automate. ControlDesk împreună cu Matlab/Simulink oferă facilităţile necesare în dezvoltarea unor funcţii avansate. Principalele proprietăţi ale ControlDesk sunt:

- Control interactiv şi monitorizare Simulink precum şi simulări în timp real;

- Construcţia instrumentelor virtuale;

- Managementul experimentelor cu stocare centralizată a informaţiilor;

- Automatizarea operaţiilor de realizare a experimentelor complete;

- Macroînregistrări pentru înregistrarea operaţiilor ControlDesk realizate;

- Limbaj de programare Python cu facilităţi de programare orientată pe obiecte;


Testarea modelelor controlerelor. MTest.Testarea modelelor controlerelor. MTest.Testarea modelelor controlerelor. MTest.Testarea modelelor controlerelor. MTest.

Testarea este un element cheie în procesul de dezvoltare al unui proces. Găsirea erorilor în faze cât mai incipiente de proiectare salvează o mulţime de timp şi bani. Metodele de dezvoltare pe bază de model sunt însoţite de teste ce merg de la nivelul de cod până la modelul propriu zis. În special în fazele iniţiale există încă un larg potenţial pentru dezvoltarea de proceduri experimentale largi şi complementare utilizând metode bazate pe model şi testare automată. Pe parcursul ciclului de dezvoltare a unui produs, este necesară verificarea efectelor colaterale ale modificărilor efectuate. O versiune nouă de model trebuie să conducă la îmbunătăţirea comportării subsistemului vizat dar fără afectarea negativă a caracteristicilor altor subsisteme.

Uzual, softul modulelor ECU (Electronic Control Unit) este testat prin simularea comportării modelului la date de test (de intrare), urmărirea ieşirilor modelului şi compararea acestor ieşiri cu date de referinţă. Utilizând mediul de testare MTest, sistemul dSpace oferă teste automate şi sistematice (bazate pe model) pentru dezvoltătorii de funcţii. Testele pot fi executate în circuit deschis sau în circuit închis pe baza utilizării modelului procesului – MIL – (Model-In-the-Loop). Interfaţa utilizator a modulului MTest precum şi integrarea unui editor clasificare ramuri (Classification Tree Editor – CTE/ES) permit utilizatorului gestionarea testelor fără vreo cunoştinţă specială de programare. Nu numai modelele Simulink dar şi modelele TargetLink precum şi codul TargetLink pot fi testate cu ajutorul lui MTest. Odată ce un test a fost creat, el poate rula în unul din următoarele patru moduri: Simulink MIL, TargetLink MIL, TargetLink software-in-the-loop (SIL) precum şi TargetLink processor-in-the-loop (PIL). Testele rezultate din codul modelului Simulink, codul modelului TargetLink şi codul TargetLink pot fi comparate prin utilizarea aceloraşi date de test pentru a ne asigura că obiectele supuse testelor au aceiaşi comportare (Back to Back testing). Principalele proprietăţi ale MTest sunt:

- Testare bazată pe model încă din faza incipientă de dezvoltare a unui produs;

- Teste back-to-back model/cod;

- Automatizarea operaţiilor de realizare a testelor, evaluare, documentare

- Interfaţă deschisă pentru date de test şi funcţii de evaluare a testelor;

- Managementul operaţiilor de testare.


Function PrototypingFunction PrototypingFunction PrototypingFunction PrototypingSistemele dSpace Prototyping sunt sisteme de dezvoltare flexibile ce permit

dezvoltarea şi optimizarea modulelor de control pentru un proces real fără utilizarea programării manuale. Erorile de proiectare sunt găsite imediat şi corecţiile necesare pot fi realizate rapid. Nu este nevoie de o pregătire specială pentru implementarea unui astfel de sistem. Sunt oferite numeroase interfeţe de intrare/ieşire pentru conectarea sistemului dSpace Prototyping la senzori şi actuatori. Configurarea poate fi realizată grafic prin utilizarea diagramelor bloc fără necesitatea utilizării programării manuale. Principalele caracteristici ale dSpace Prototyping:

- Proiectarea şi optimizarea sistemului de control fără programare manuală;

- Hardware flexibil, de înaltă performanţă şi cu grad variat de complexitate;

- Modelele Matlab-Simulink pot fi implementate pe hardware dSpace automat cu

ajutorul interfeţei de timp real - Real-Time Interface.

- Controlerul poate fi înlocuit în totalitate de un sistem dSpace prototyping sau se

pot dezvolta noi funcţiuni prin intermediul metodei bypass;

- Adaptare flexibilă a semnalelor senzorilor şi actuatorilor prin intermediul

hardware-ului RapidPro.

Pot fi puse în evidenţă două abordări pentru Rapid Control Prototyping (RCP):

- Fullpas: sistemul RPC înlocuieşte complet ECU; toţi senzorii şi actuatorii sunt conectaţi la acest hardware de timp real şi prin urmare RCP deţine controlul asupra întregului proces;

- Bypass: sistemul RCP poate fi conectat la unii senzori şi actuatori suplimentari şi o parte din sarcinile de control sunt executate de controlerul ce aparţine sistemului aflat în faza de dezvoltare. De exemplu, unele funcţii software specifice ce sunt în fază de dezvoltare sunt dezactivate din controlerul ce aparţine sistemului şi ele sunt înlocuite de RCP-ul conectat la sistemul supus dezvoltării.


Generarea de cod. Target ImplementationGenerarea de cod. Target ImplementationGenerarea de cod. Target ImplementationGenerarea de cod. Target Implementation

După ce se realizează etapa RapidControlPrototyping, urmează etapa de implementare. Funcţiunile specifice realizate sub formă grafică, sunt convertite pentru a produce cod C şi apoi pentru a fi implementate pe unitatea electronică de control (ECU) împreună cu drivere şi sistemul de operare în timp real. Automatizarea producerii de cod este o componentă esenţială a acestui proces. TargetLink, generatorul dSpace de cod C, generează acest cod direct din componentele grafice şi funcţiile specificate prin intermediul Matlab/Simulink/Stateflow. Această metodă reduce drastic timpul de dezvoltare şi contribuie la creşterea calităţii aplicaţiei software realizate. TargetLink a fost proiectat pentru a realiza generare eficientă de cod şi poate atinge şi de multe ori depăşi eficienţa unui bun programator în termeni precum memoria consumată şi timpul de execuţie fără a compromite lizibilitatea.

Generarea automată a codului este o punte între proiectarea bazată pe model şi dezvoltarea produsului software. TargetLink converteşte fiecare model rapid şi credibil într-un cod de înaltă eficienţă. Beneficiul major al utilizării TargetLink-ului este creşterea calităţii software-ului şi reducerea timpului de dezvoltare.

Un generator de cod poate realiza convertirea unei specificaţii în cod cu o rată mult mai scăzută de erori decât în cazul programatorului uman. Transformarea manuală, cu multiple reluări şi frecvente schimbări este nu numai consumatoare de timp dar în acelaşi timp şi generatoare de erori, iar consistenţa între specificaţiile de proiectare şi codul obţinut de multe ori se pierde. Acest lucru nu se întâmplă când codul este generat automat. De asemenea trebuie avut în vedere şi problemele legate de documentarea codului realizat.


Exemple de aplicaţii bazate pe utilizarea Exemple de aplicaţii bazate pe utilizarea echipamentelor dSpaceechipamentelor dSpace


Studiu asupra posibilităţilor de proiectare a scaunului şoferului în cazul unui camion. Sunt studiate două situaţii: utilizarea unor perne umflate cu aer respectiv perna uzuală bazată pe spumă. Se utilizează un echipament de test destinat studiului din punct de vedere dinamic a comportării unui astfel de scaun.




Dezvoltarea unei suspensii magnetice axiale. Intenţia este de a utiliza acest sistem ca material didactic demonstrativ pentru cursurile introductive de modelare, dinamică şi control. Această problemă neliniară clasică este soluţionată prin intermediul liniarizării pe reacţie (feedback linearization). Avantajul major al acestei tehnici este faptul că sistemul de control devine independent de punctul de funcţionare. Desigur, liniarizarea conduce la erori semnificative de modelare şi la comportări nepredictibile ale procesului. Aceste dificultăţi pot fi însă depăşite prin utilizarea unui model bazat atât pe teorie cât şi pe experiment.




Un robot cartezian cu patru grade de libertate, trei translaţii şi o rotaţie serveşte ca platformă pentru realizarea unor proiecte în laboratorul de Mecatronică. Proiectele includ dezvoltarea unor algoritmi de control precis a mişcării. În astfel de proiecte este importantă nu numai utilizarea unui mediu de proiectare şi simulare a sistemelor de control ci şi unelte de prototipare rapidă cu scopul identificării modelului sistemului, implementării algoritmilor de control, evaluării performanţelor de timp real şi acordare fină a parametrilor. În cazul în care aceste etape sunt realizate prin intermediul unor diferite medii soft şi hard, timpul necesar pentru realizarea aplicaţiei creşte, deoarece în majoritatea cazurilor este necesară reluarea procesului de proiectare iar lucrul cu medii diferite pune probleme de interfaţare şi de multe ori creează dificultăţi.


CONCLUZIICONCLUZIICONCLUZIICONCLUZII

Proiectul îşi propune utilizarea platformei Matlab-Simulink-Stateflow-dSPACE în aplicaţii din domeniul mecatronicii, în educaţie şi în cercetare, precum şi realizarea ulterioară de colaborări cu parteneri industriali sau din alte domenii.

Combinaţia uneltelor Matlab, Simulink cu biblioteci specifice dSpace precum şi dSpace Control Desk formează un mediu extrem de puternic de testare şi dezvoltare în timp real de sisteme de control. Noile unelte hard şi soft sunt extrem de puternice şi permit utilizatorilor concentrarea pe aspectele esenţiale ale sistemelor de control şi nu risipirea resurselor şi timpului în realizarea unor aspecte de rutină cum ar fi scrierea manuală a codului.

2 june 2015technical university of cluj-napocapage 1 universitatea tehnica din cluj-napoca r omania

Documents