LabVIEW Embedded Control

Embedded Control con LabVIEW RealTime
e FieldPoint
Overview
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Modellizzazione e progetto di controllo
Simulazione e tuning
Estensione del concetto di controllo di sistema
LabVIEW Real-Time
Controllo discretizzato
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
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)
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) =
K
p
τs + 1
Temperature (ºC)
Diagramma di sistema di controllo
Sistema di controllo ad anello chiuso
disturbi
Set
Point
+-
Errore
Compensatore
Processo
Variabile
Uscita
dell’attuatore
Sistema
Feedback
dal sensore
Control System Diagram
Sistema di controllo di temperatura
LabVIEW
Front Panel
Temperatura
+desiderata
PID
Toolset
FP-PWM-520
Errore
PID
20 ºC Compensator
Heater
Output
raffreddamento
Sorgente di
calore
62%
120 ºC
termocoppia
100 ºC
temperatura
misurata
NI LabVIEW Real-Time Hardware
FP-TC-120
LabVIEW PID Control Examples
Caratteristiche tipiche di un processo
Percent Overshoot
Rise Time
Settling Time
Steady-State Error
Deadtime
L’intervallo di tempo che intercorre fra la variazione di un
segnale in ingresso e l’inizio della variazione dell’uscita
Deadtime
Modellizzazione (Parte II)
Heater/Fan Temperature Chamber
•
Sistema di prova per ottenere un modello del primo ordine
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
Soluzioni Real-Time per il controllo di
processo
RT Series DAQ
RT PXI
RT FieldPoint
Performance
(PID loop rate)
1 kHz
40 kHz, max
< 1kHz
Small Size
Good
Better
Best
I/O Variety
Good
Best
Better
I/O Count
Low
High
High
Rugged
–
Better
Best
Distributed
–
Better
Best
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
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.
Demo su sistemi discretizzati e state machine
Heater/Fan Temperature Chamber
• Demo sistema discretizzato
• Demo controllo state-machine
PID Control
Proportional-Integral-Derivative (PID)
Error
Set Point
+-
Processo Variabile
1 Ti
∫
Td
d
dt
+
+-
Kc
Output
PID Advanced con guadagni fissati
Sistemi non lineari
Valore di guadagno fissato
Set
Point
Gain
Scheduling
+-
Error
PID
Gains
PID
Advanced
Processo
Variabile
Disturbance
Uscita
attuatore
sistema
Sensor
Feedback
PID con assorbimento di disturbi
Sistema di controllo con assorbimento di disturbi
Gain
Set
Point
+-
Error
PID
+
Process
Variable
-
Disturbance
Actuator
Output
System
(Plant)
Sensor
Feedback
Fuzzy Logic Control
Ingressi multipli, regola IF-THEN
Input 3
Input 2
Set
Point
+-
Error
Disturbance
Fuzzy
Controller
IF-THEN
Process
Variable
Actuator
Output
System
(Plant)
Sensor
Feedback
Tecniche di controllo a confronto
Come scegliere una tecnica di controllo
Autotuning?
Buon reiezione Sistemi non
dei disturbi
lineari?
PID
√
PID Advanced with
Gain Scheduling
√
√
PID with Disturbance
Decoupling
√
√
Fuzzy Logic
√
√
√
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
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
Demo simulazione
Heater/Fan Temperature Chamber
– Simulazione di sistema per la selezione dei parametri PID
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
Sistemi LabVIEW RT
Processor
Develop on
Host Computer
Download
I/O modules
Execute on
RT Target
LabVIEW Real-Time
Regole di base per la programmazione in ambiente RT
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•
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
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
Network Communication
Opzioni di ethernet networking
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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
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– Lookout™ (Logos), OPC, DSTP, FTP
Demo utilizzo target RT
Heater/Fan Temperature Chamber
• Demo con sistema di controllo esteso
Caratteristiche di produttività con LabVIEW
LabVIEW rappresenta una piattaforma ideale per la
simulazione e l’estensione del concetto di controllo
Produttività
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Basic, Advanced, and Autotuning PID
Set Point Profiling, Control Input Filtering
Simulazione lineare e non
Realizzabilità
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LabVIEW Real-Time deployment targets
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
Control Toolbox Highlights
Control Toolbox Highlights
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)
Point-by-Point Demo
Heater/Fan Temperature
Chamber
•Demo point-by-point analysis
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
Sommario
• Progetto di controllo e modellizzazione
• Controllo discretizzato e state-machine
• Simulazione e Tuning
• Real-Time Deployment
• LabVIEW Programming Guidelines
• Point-by-Point Analysis