Embedded Control con LabVIEW Real- Time e FieldPoint

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Niccolina Di Carlo
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2 Embedded Control con LabVIEW Real- Time e FieldPoint

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

4 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

Selezione della tecnica di controllo Simulazione e Tuning Raffinamento della strategia di controllo e

5 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 sorgente di calore (%) Impianto Temperatura(ºC)

per il progetto di controllo Applicare un segnale noto al sistema e

6 Demo modellizzazione (Parte I) Camera climatica con sorgente di calore e ventola Sistema 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 Heater Output (%) G ( s ) = s K τ p + 1 Temperature (ºC)

stabilità, si misura la costante di tempo, τ, che indica il tempo necessario all sistema per raggiungere il 63%

7 Diagramma di sistema di controllo Sistema di controllo ad anello chiuso disturbi Set Point + - Errore Compensatore Uscita dell attuatore Sistema Processo Variabile Feedback dal sensore

8 Control System Diagram LabVIEW Front Panel Sistema di controllo di temperatura PID Toolset FP-PWM-520 raffreddamento Temperatura desiderata 120 ºC + - Errore 20 ºC 100 ºC PID Compensator temperatura misurata NI LabVIEW Real-Time Hardware Heater Output 62% Sorgente di calore termocoppia FP-TC-120

120 ºC + - Errore 20 ºC 100 ºC PID Compensator temperatura misurata NI

9 LabVIEW PID Control Examples

10 Caratteristiche tipiche di un processo Percent Overshoot Rise Time Settling Time Steady-State State Error

11 Deadtime L intervallo di tempo che intercorre fra la variazione di un segnale in ingresso e l inizio della variazione dell uscita Deadtime

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

13 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 I/O Algoritmo I/O

il loop rate o sample rate è 1/T(Hz) I sistemi che hanno variazioni rapide o un comportamento complesso

14 Soluzioni Real-Time per il controllo di processo RT Series DAQ RT PXI RT FieldPoint Performance 1 khz 40 khz, max < 1kHz (PID loop rate) Small Size Good Better Best I/O Variety Good Best Better I/O Count Low High High Rugged Better Best Distributed Better Best

loop rate) Small Size Good Better Best I/O Variety Good Best

15 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

temporizzate( logica a relè) Esempio Se la valvola A è

16 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.

un serbatoio si è riempito, inizia il controllo di temperatura ad anello chiuso.

17 Demo su sistemi discretizzati e state machine Heater/Fan Temperature Chamber Demo sistema discretizzato Demo controllo state-machine

18 PID Control Proportional-Integral-Derivative (PID) Error Set Point T i K c Output Processo Variabile T d d dt

19 PID Advanced con guadagni fissati Sistemi non lineari Valore di guadagno fissato Gain Scheduling PID Gains Disturbance Set Point + - Error PID Advanced Uscita attuatore sistema Processo Variabile Sensor Feedback

20 PID con assorbimento di disturbi Sistema di controllo con assorbimento di disturbi Gain Disturbance Set Point + - Error PID - + Actuator Output System (Plant) Process Variable Sensor Feedback

21 Fuzzy Logic Control Ingressi multipli, regola IF-THEN Set Point + - Input 3 Input 2 Error Fuzzy Controller IF-THEN Actuator Output Disturbance System (Plant) Process Variable Sensor Feedback

22 Tecniche di controllo a confronto Come scegliere una tecnica di controllo Autotuning? Buon reiezione dei disturbi Sistemi non lineari? PID PID Advanced with Gain Scheduling PID with Disturbance Decoupling Fuzzy Logic

23 Step 2: simulazione e tuning Simulazione 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

24 Simulazione La simulazione è un buon metodo per prendere conoscenza del sistema,per selezionare il più appropriato 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

25 Demo simulazione Heater/Fan Temperature Chamber Simulazione di sistema per la selezione dei parametri PID

26 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

27 Sistemi LabVIEW RT Processor Develop on Host Computer Download I/O modules Execute on RT Target

28 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

29 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

30 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

31 Demo utilizzo target RT Heater/Fan Temperature Chamber Demo con sistema di controllo esteso

32 Caratteristiche di produttività con LabVIEW LabVIEW rappresenta una piattaforma ideale per la simulazione e l estensione del concetto di controllo Produttività Basic, Advanced, and Autotuning PID Set Point Profiling, Control Input Filtering Simulazione lineare e non Realizzabilità LabVIEW Real-Time deployment targets

33 Procedura autotuning PID Dopo aver effettuato una ricerca dei parametri PID e aver raggiunto un controllo stabile, l autotuning con PID può raffinare i parametri Procedura: 1. Creare l applicazione di controllo e determinare I parametri PID, successivamente produrre un controllo stabile del sistema 2. Eseguire la procedura di autotuning e memorizzare i parametri PID calcolati

34 Control Toolbox Highlights

35 Control Toolbox Highlights

36 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)

37 Point-by-Point Demo Heater/Fan Temperature Chamber Demo point-by-point analysis

38 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

39 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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