1 Echtzeitregelung mit dSpace

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Hochschule Bochum, Fachbereich für Mechatronik und Maschinenbau,
Institut für Automatisierung, Labor für Steuerungs- und Regelungstechnik,
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl, Dipl.-Ing. Ilona Moritz
Echtzeitregelung mit dSpace-Box
Praktikumsversuch Fahrerassistenzsysteme
WS2008/09
0 Aufgabenstellung 2
1 Beschreibung der Komponenten 2
1.1 Das Joystick-System 2
1.2 Das Fahrzeugmodell 3
1.3 Das Echtzeithardwaresystem, dSpace-Box 5
1.4 Signalverbindung zwischen Fahrzeugmodell, Joysticksystem und dSpace-Box 6
2
Praktikumdurchführung 7
2.1 Aufruf des Programms MATLAB 7
2.2. Simulation mit MATLAB® SIMULINK und Hardware dSpace-Box mit Software ControlDesk 7
2.3 Programmierung der Simulink-Struktur zur Ansteuerung der Joystickachsen 8
2.3.1 Eingelesene Analogsignale anpassen 8
2.3.2 Ausgegebene Analogsignale anpassen 8
2.3.3 Simulinkstruktur für Signaleinausgabe 9
2.3.4 Kompilierung für die Hardware 9
2.4 Programmierung der dSPACE-ControlDesk-Benutzeroberfläche 10
2.4.1 Aufruf des Programms "dSPACE-ControlDesk" 10
2.4.2 Anlegen eines neuen Projektes (sogenanntes "Experiment") 10
2.4.4 Verknüpfen des Layouts mit den Regelkreis-Variablen 11
2.5 Programmierung des Regelkreises in MatLab/Simulink 13
2.5.1 Regelkreis mit Soll-Ist-Vergleich und Reglerstruktur 13
2.5.2 Erzeugung des Vibrationssignal bei Alarmfunktion 13
2.5.3 Gesamtstruktur unter Nutzung der SubStrukturen: 14
2.5.4 Controldesk des fertigen Reglers 14
3. Funktionstest am Fahrzeugmodell 15
1
0 Aufgabenstellung
Aufgabe ist die Realisierung einer Joystickansteuerung mit Fahrerassistenzfunktion. Dafür soll
eine DSpace-Box die Regelung der Mittelstellung des Joystick vornehmen. Auf den JoystickBewegungsachsen Vor/Rück und Seitwärts sind je ein Motor und ein Winkelpotentiometer
angebracht.
Die dSpace-Box soll nun mittels einer Simulink-Regelungsstruktur den Joystick gegen die
Bedienerkräfte in Mittelstellung halten, jeweils für die Vor/Rück Achse wie für die
Seitwärtsachse. Dazu werden die Spannungen der Achsenpotentiometer auf die
Analogeingänge der dSpace-Box geführt, in zwei Regelkreisen ein Soll-Ist-Vergleich ausgeführt
und letztendlich die errechneten Reglerausgangsspannungen an die Motorcontroller der
Joystick-Achsmotoren weitergeleitet.
Der Bediener des Joystick steuert ein angeschlossenes Fahrzeugmodell (siehe 1.2).
In Zusammenhang mit dem Fahrzeugmodell soll eine weitere Funktion die Auslösung je einer
Alarmvibration der Motoren um die Nulllage sein, angesteuert von einer Drehzahl- oder
Geschwindigkeitsüberschreitung im Fahrzeugmodell.
1 Beschreibung der Komponenten
1.1 Das Joystick-System
Der Joystick soll zur Führung eines Fahrzeuges genutzt werden. Er wird rechtshändig gefasst;
die Vorrückbewegung steuert Gas und Bremse an; die Seitwärtsführung steuert die gewünschte
Lenkbewegung. Die mit der linken Hand betätigten Taster führen die Hoch- und RunterschaltOperation des Getriebes durch. Diese Ansteuerung ist am Fahrzeugmodell bereits fertig
ausgeführt (siehe 1.2)!
Gas
0 – 100%
Motor Enable
Schalter
Hochschalten
Runterschalten
Rechtslenken
0 – 100%
Linkslenken
0 – 100%
Bremsen
0 – 100%
Joystickarbeitsplatz mit Bedienfunktionen
2
Zum Zweck der Kraftrückkopplung sind auf die Joystickachsen zwei DC-Motore angekuppelt.
Diese können über zwei Motorcontroller mit einer Steuerspannung drehmomentproportional
angesteuert werden. Dafür ist der Motor Enable Schalter zu betätigen.
Alle Bewegungen und Tastenbetätigungen sind an der Schnittstellenbox als Spannungen
verfügbar (für das Fahrzeugmodell des angeschlossenen PC als Führungssignale)
bzw. können als Ansteuersignale an der Schnittstellenbox eingespeist werden.
Analoge Ausgangsspannung
Joystickstellung
Analoge Eingangsspannung
Motordrehmoment
Digital IO 12V
binär, Taster
24V
Spannungsversorgung
Schnittstellenbox mit Anschlussbeschreibung
1.2 Das Fahrzeugmodell
Auf dem zugeordneten PC läuft als Anwendungsbeispiel ein in Echtzeit simuliertes Fahrzeug.
Es handelt sich dabei um ein Längsmodell, also um ein reines Antriebsverhalten; es wird keine
Lenk- und Federungsdynamik simuliert.
Animationsfenster Fahrzeugmodell
Visualisiert wird das Instrumentenpanel mit Tachometer, Drehzahlmesser, Ganganzeige sowie
Anzeige für Gas, Bremse und Motordrehmoment. Kupplung und Lenkradwinkel sind nicht
animiert.
3
Instrumentenpanel
Daneben sind animierte Darstellungen von der Fahrzeugsituation
- im Motorkennfeld: Drehmoment über Drehzahl und Gaspedalstellung
- im Höhenprofilkennfeld: Straßenhöhe über Weg
- im Kennfeld für erlaubte Höchstgeschwindigkeit: Geschwindigkeit über Weg
vorhanden, damit die Fahrzeugsituation direkt erfassbar ist.
Animierte Kennfelddarstellung für Motorkennfeld, Höhen/Weg-Profil und erlaubtes
Höchstgeschwindigkeitsprofil über dem Weg.
Im Hintergrund läuft das Fahrzeugmodell in Echtzeit. Die Ansteuerung erfolgt ausschließlich
über externe Signale (über eine Messkarte), so dass das Joysticksystem als Steuereinheit
fungieren kann. Die Anschlusskabel (SNA-System) werden über eine Anschlussbox
herausgeführt.
4
Anschlussbox SCB-68 für
Messkartenankopplung des
PC zur Fahrzeugsimulation
Die herausgeführten Kabel sind bezeichnet:
-
Eingang 1 Joysticksignal vor/rück 0V-5V: Gas 0-100% und Bremse 0 – 100%
Eingang 2 Joysticksignal seitlich:
Lenkung, nicht verwendet
Ausgang 1 Alarmausgabe Drehzahlüberschreitung aus: 0V, ein: 5V
Ausgang 2 Alarmausgabe Geschwindigkeitsüberschreitung aus: 0V, ein: 5V
Digital ein 1 Digitaleingang 0V/12V:
Hochschalten Getriebe
Digital ein 2 Digitaleingang 0V/12V:
Runterschalten Getriebe
Digital Masse
1.3 Das Echtzeithardwaresystem, dSpace-Box
Zur Regelung der Gegenkrafteinstellung und
Alarmvibration des Joystick soll die DSpace-Box
zusammen mit der Software Matlab/Simulink und
dSpace ControlDesk eingesetzt werden und
neben der DSpace-Box ist eine
Signalkonditionierungsbox montiert, welche alle
Schnittstellenbuchsen enthält.
Die Anschlussbox ist über
einen Computer mit dem
dSpace-System
verbunden. (Steckkarte)
Anschlussbox mit je
4 analogen-Einund Ausgängen
dSpace Anschlussbox DS1102 mit Anschlussbuchsen für 4 analoge Schnittstellen
5
1.4 Signalverbindung zwischen Fahrzeugmodell, Joysticksystem und dSpace-Box
Die drei Systeme tauschen analoge und digitale Signale aus. Dabei kommen den Systemen
folgende Aufgaben zu:
Fahrzeugmodell:
- Empfang der analogen Signale (0..5V) des Joystick Vor/Rück für Gas/Bremse (und Seit für
Lenkung)
- Empfang der digitalen Tastersignale (0 /12V) des Joystick Hochschalten/Runterschalten für
das Getriebe
- Senden der analogen Signale (0 / 5V) Alarm Drehzahlüberschreitung /Geschwindigkeitsüberschreitung für die dSpace-Box zwecks Generierung einer Vibrationsfunktion
zur Fahreralarmierung
Joysticksystem:
- Empfang der analogen Signale (-10V..10V) der dSpace-Box zur Ansteuerung der beiden
Motorcontroller zur Mittelstellungsregelung des Joystick
- Senden der analogen Winkelmesssignale (0..5V) der Joystickstellung Vor/Rück und Seit.
- Senden der digitalen Tastersignale (0 /12V) des Joystick für Hoch/Runter Schaltinformation
des Fahrzeugmodells
dSpace-Box:
- Empfang der analogen Signale (0..5V) des Joystick Vor/Rück und Seit
- Empfang der analogen Signale (0 / 5V) Alarm Drehzahlüberschreitung /Geschwindigkeitsüberschreitung des Fahrzeugmodells zwecks Generierung einer Vibrationsfunktion
zur Fahreralarmierung
- Senden der analogen Signale (-10V..10V) zur Ansteuerung der beiden Motorcontroller zur
Mittelstellungsregelung des Joystick
Alarmsignal Drehzahl
Alarmsignal Geschwindigkeit
Fahrzeugmodell
dSpace-Box
Motorcontrollersignal vor/rück
Tastersignal runter
Motorcontrollersignal seit
Tastersignal hoch
Joystick
Joystickwinkelsignal vor/rück
Joystickwinkelsignal vor/rück
Joystickwinkelsignal seit
Joystickwinkelsignal seit
Signalkopplung der drei Systeme
6
2 Praktikumdurchführung
2.1 Aufruf des Programms MATLAB
Der Aufruf des Programms MATLAB erfolgt durch einen Doppelklick auf das Programm-Icon
oder durch die Anwahl des Programms im Start-Menü. Das MATLAB-Fenster öffnet sich. Es
erscheinen einige Meldungen im „Command Window“. Wählen Sie im Fenster „Current
Directory“ den Pfad D:\Studenten\GruppeXY aus (XY: Name ihrer Praktikumsgruppe).
Dieses Verzeichnis müssen Sie vorher im Explorer erstellt haben!
a)
Blockschaltbild des Regelkreises in MATLAB® SIMULINK eingeben Sie schon ein eigenes
Verzeichnis erstellt haben, wird MATLAB Ihre Datei korrekt abspeichern. Sicherheitshalber
überprüfen Sie dies, nachdem Sie das Blockschaltbild gezeichnet haben, unter „File“
„Save as...“.
2.2. Simulation mit MATLAB® SIMULINK und Hardware dSpace-Box mit
Software ControlDesk
SIMULINK ist eine Erweiterung von MATLAB® zur funktionsblockorientierten Simulation von
dynamischen Systemen. Die Struktur des zu simulierenden Systems wird graphisch durch „drag
and drop“ aus Funktionsblöcken zusammengestellt. Auf die Eingänge können unterschiedliche
Anregungsfunktionen (Sources) geschaltet werden. Die Ergebnisse lassen sich durch
Ausgabeblöcke (Sinks) grafisch darstellen.
Parallel zur Simulationsanwendung lässt sich Simulink auch für Echtzeitregelungen einsetzen.
Neben dem PC mit Matlab/Simulink und den Standardbibliotheken ist dazu noch eine
Echtzeithardware (hier die dSpace-Box mit DS1102-Prozessor) notwendig, auf welche das
strukturierte Regelungssystem nach Compilierung übertragen wird. Über den auf dem PC
laufenden ControlDesk wird dann mit der laufenden Echtzeithardware kommuniziert, d.h. es
werden Parameter und Variablen ausgetauscht und grafisch visualisiert.
7
2.3
Programmierung
Joystickachsen
der
Simulink-Struktur
zur
Ansteuerung
der
Die Ansteuerung der analogen Ein- und Ausgänge der dSpace-Box erfolgt über spezielle Einund Ausgabe-Funktionsblöcke DAC und ADC, welche in der Library für DS1102 zu finden sind.
Diese wird bei der Installation von dSPACE in den Simulink Library Browser integriert.
Ein Signal von -1 bis 1 in Simulink entspricht einer Ausgangsspannung von -10V bis 10V am
analogen Ausgang der dSpace-Box.
Eine Eingangsspannung von -10V bis 10V am analogen Eingang der DSpace-Box entspricht
einem Signal von -1 bis 1 in Simulink.
Die Programmierung der Signalwege des Joystick in Simulink lässt sich in folgende Strukturen
unterteilen:
2.3.1 Eingelesene Analogsignale anpassen
Die dSpace-Box wandelt mit dem 4 fach ADC analoge Eingangssignale im Bereich -10V ..10V
in eine interne Darstellung von -1 .. 1 Signalstärke. Folgender ADC-Block ist zu verwenden:
Für die Umrechnung des Signalniveaus ist folgende Struktur nötig:
Diese sollte zur SubStructure für mehrfache Verwendung umgebildet werden:
2.3.2 Ausgegebene Analogsignale anpassen
Ebenso wandelt die DSpace-Box mit dem DS1102DAC die interne Darstellung von -1 .. 1
Signalstärke in analoge Ausgangssignale im Bereich -10V ..10V um. Bei diesen Blöcken sind
die Kanäle 1 und 3 zu verwenden.
8
Für die Umrechnung des Signalniveaus vor der DAC-Ausgabe ist folgende Struktur nötig:
Diese sollte zur SubStructure für mehrfache Verwendung umgebildet werden:
2.3.3 Simulinkstruktur für Signaleinausgabe
Um einen reibungslosen Betrieb der Signalblöcke zu gewährleisten, müssen alle Ausgänge
belegt sein. Daher wird Ausgang 2 und Ausgang 4 mit einer Konstanten verbunden.
Das führt zu folgender Schaltung:
2.3.4 Kompilierung für die Hardware
MATLAB® SIMULINK wandelt das Blockschaltbild in eine C-Datei um! Dabei entstehen mehrere
Dateien, die alle den Namen der MDL-Datei tragen und sich durch die Extension unterscheiden
(z.B. Model1.obj, Model1.trc, usw.)
1) In die Oberfläche von MATLAB® SIMULINK gehen!
2) Unter dem Menüpunkt „Tools“ den „Real-Time Workshop“ anwählen.
3) Optionen anwählen! Es erscheint ein Dialogfenster mit vielen Registerkarten.
4) Registerkarte „Solver“ wählen. „Fixed Step Size“ und „Euler“ wählen und den Wert
0.00005s eingeben! Die Hardware läuft dann mit 20kHz Abtastrate. Für „Stop Time“
unendlich, d.h. „inf“ eingeben.
9
5) Registerkarte “Real - Time Workshop” wählen!
6) Schaltfläche „Build“ anklicken! (Übersetzung und Download zur DS1102)
Der Computer benötigt nun einige Zeit zur Kompilierung! Geduld!
Im Command Window können Sie verfolgen, welche Dateien erzeugt werden! Nach
erfolgreicher Kompilierung der MDL-Datei wird die dabei entstandene OBJECT-Datei (.obj)
automatisch in die Hardware geladen und gestartet.
Achtung!! Die Ausgänge des Connector Panels werden jetzt angesteuert und setzen den
angeschlossenen Prozess in Betrieb!
Nachdem die Simulink-Struktur aufgebaut und kompiliert ist, testen Sie diese mit dem
CONTROLDESK:
2.4 Programmierung der dSPACE-ControlDesk-Benutzeroberfläche
2.4.1 Aufruf des Programms "dSPACE-ControlDesk"
1) dSPACE-Box soll eingeschaltet sein, bevor der Programmier-PC hochfährt.
2) Doppelklick auf das Programm-Icon "dSPACE-ControlDesk" auf dem Desktop oder durch
wählen des Programms im Start-Menü!
2.4.2 Anlegen eines neuen Projektes (sogenanntes "Experiment")
1)
Im Menu „File“ auf „New Experiment“ klicken!
Ein Dialog zum Anlegen eines neuen Projektes erscheint!
2)
Name des Experimentes angeben! (Joystick)
3)
Arbeitsverzeichnis wählen!
Unter Zuhilfenahme der Browser-Funktion das Verzeichnis D:\Studenten\ wählen und Ihr
Projekt in diesem Unterverzeichnis speichern. Somit sind alle Daten einer
Praktikumsgruppe in einem Verzeichnis! Bitte wählen Sie bei MatLab und bei dSPACEControlDesk immer die gleichen Projektnamen.
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2.4.3 Erstellen einer Anwenderoberfläche (Layout) im Programm dSPACE-ControlDesk
„Layout“ öffnen
dSpace-ContolDesk
Benutzeroberfläche
„Instrumente erstellen
Werkzeugkasten
•
•
Im Menu „File“ auf „New“ klicken!
„Layout“ wählen! Eine Arbeitsfläche mit Raster und ein Werkzeugkasten öffnen sich!
•
Im Werkzeugkasten auf ein Instrument klicken!
•
In der Raster-Fläche durch ziehen eines Fensters ein Instrument diesen Typs platzieren!
•
Durch Kontext-Menü (rechte Maustaste klicken!) kann das Instrument gelöscht, kopiert
oder eingefügt werden!
•
Ändern der Eigenschaften durch betätigen der rechten Maustaste auf einem Instrument,
dann „Properties“ anwählen. Anzeige- und Einstellbereiche, Farben usw. können
angepasst werden.
2.4.4 Verknüpfen des Layouts mit den Regelkreis-Variablen
1. Im Menu „File“ auf „Open Variable File“ klicken.
2. Dateityp „TRC“ wählen (TRACE-Datei). Die beim Kompilieren der MDL-Datei
entstandene TRC-Datei enthält alle Informationen über die verwendeten Variablen im
Hardwareprogramm!
3. Die TRC-Datei mit dem Namen des zu simulierenden Regelkreises aus dem
Arbeitsverzeichnis auswählen
4. Es erscheint im unteren Drittel des Bildschirms die Variabelen-Liste!
5. „Model-Root“ durch Doppelklick anwählen! Die entsprechende Variable wählen.
6. Durch Ziehen der Symbole vor den Variabelen-Namen (wie z.B. Scope oder Constant)
auf ein Instrument im Layout erhält dieses die gewünschte Funktion! Anmerkung: Kommt
ein Variabelen-Name mehrmals vor z.B. als „P.Constantl“ und als „B.Constantl'“ immer
die Variablen mit führendem P nehmen!
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7. Das Layout kann getestet werden, indem das ICON „Test Mode“ betätigt wird!
8. Das Layout wird aktiviert, indem das ICON „Simulation Mode“ betätigt wird.
ContolDesk für Signaltest
Testen Sie durch Bedienen des Joystick, ob die Signalspannungen der Potis eingelesen
und angezeigt werden!
Ebenso durch Bedienen des Fahrzeugmodells bei Speed-Alarm oder Überdreh-Alarm, ob
die Eingänge 3 und 4 auf 5V gehen.
Durch Verschieben der zwei Slider können Sie den Joystick seitlich oder vor/rück
auslenken (dafür Spannung am Netzteil einschalten 30V und Enable am Joystickgehäuse
einschalten).
Erneute Änderungen im Blockschaltbild (also der MDL-Datei) wirken sich nicht auf die laufende
Simulation aus! Es muss nach jeder Änderung des Blockschaltbildes im Dialog „Real-Time
Workshop“ die Schaltfläche „Build“ angewählt werden. Das Blockschaltbild wird dann neu
kompiliert und die Änderungen automatisch im „ControlDesk“ aktiviert (Vorgang dauert,
Simulation stoppt dabei nur für sehr kurze Zeit!).
Änderungen im Layout während der Simulation sind ebenfalls nicht möglich!
Neben dem ICON „Test Mode" existiert ein ICON „Edikt Mode". Dieser muss gewählt werden,
um das Layout oder Eigenschaften von Instrumenten zu ändern. Die Änderungen werden dann
sofort bei laufender Simulation übernommen, ohne dass gestoppt werden muss, wenn man
wieder auf "Simulation Mode" klickt.
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2.5 Programmierung des Regelkreises in MatLab/Simulink
2.5.1 Regelkreis mit Soll-Ist-Vergleich und Reglerstruktur
Die eingelesenen und umgewandelten Winkelspannungswerte werden in der Regelstruktur mit
dem Joystick-Mittelstellungswert (ca. 2.5V, vorher ausmessen!) und durch ein PDT1-Glied
korrigiert.
Die Ausgabe Out1 erfolgt später auf einen Summierer, um zusätzlich die
Vibrationsaussteuerung der Motoren durchführen zu können. Dies ist in der Substructur nicht
enthalten. In Substructure-Form folgt für den Regler:
2.5.2 Erzeugung des Vibrationssignal bei Alarmfunktion
Gibt das Fahrzeugmodell eine analoge Alarmfunktion aus (5V), so soll der Joystick in der
Seitenachse vibrieren. Diese Funktion kann mittel einer um 0 symmetrischen Rechteckfunktion
und einem Schalter mit Schaltschwelle 2.5 V auf den Analogausgang geschaltet werden.
Die Substruktur sieht dann wie folgt aus:
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2.5.3 Gesamtstruktur unter Nutzung der SubStrukturen:
Die gesamte Regelstruktur lässt sich effizient unter Verwendung der SubStrukturen aufbauen.
Es ist zu beachten, dass aufgrund der Verdrahtung der Motoren eine Vorzeichenumkehr
zwischen Poti-Istwert und Stellausgang erfolgen muss (Vorzeichen Summierer oder Gain mit
Kp=-1)! Die Signale des Vibrationsalarm gehen beide auf die Stellgröße des Seitwärtskreis.
2.5.4 Controldesk des fertigen Reglers
Die passende ControlDesk-Oberfläche und die Zuordnung der Variablen im Simulinkmodell
könnte folgendermaßen aussehen:
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3. Funktionstest am Fahrzeugmodell
Wenn die Joystickregelung durch die MAB in Betrieb ist, kann die Regel- und Alarmfunktion am
Joystick getestet werden.
Zunächst wird der Enable-Schalter des Joystick eingeschaltet und die Mittelstellungsregelung
des Joystick am ControlDesk-Layout optimiert. Die Rückstellung sollte gut gedämpft erfolgen –
dazu sind die Verstärkungen Kpr und Dämpfungsfaktoren Td mit den vier Slidern zu optimieren.
Die Vor-/Rückposition ist mit dem rechten Slider optimierbar.
Anschliessend müssen die Alarmfunktionen getestet werden. Dazu ist die Simulation des
Fahrzeugmodells auf dem Fahrzeugrechner zu starten. Es wird mit dem Joystick Gas gegeben
und gleichzeitig die Gangschaltung durch die Taster betätigt, bis das Fahrzeug die
Höchstgeschwindigkeit überschreitet. Dann sollte der Alarm zur Seitvibration zu spüren sein.
Bei Überdrehen des Motors sollte dieser Alarm in anderer Frequenz spürbar sein.
Abschliessend kann die komplette Fahrstrecke abgefahren werden mit dem Anreiz, eine
optimale Fahrzeit zu erhalten, ohne Alarme auszulösen.
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1 Echtzeitregelung mit dSpace

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