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Embedded Control con LabVIEW Real-Time
e FieldPoint
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Overview
• Modellizzazione e progetto di controllo• Simulazione e tuning• Estensione del concetto di controllo di sistema• LabVIEW Real-Time• Controllo discretizzato
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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
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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 sorgentedi calore (%)
Temperatura(ºC)Impianto
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Demo modellizzazione (Parte I)
Camera climatica con sorgente di calore e ventolaSistema 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
1)(
+=sK
sG p
τHeater Output (%) Temperature (ºC)
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Diagramma di sistema di controllo Sistema di controllo ad anello chiuso
Compensatore Uscita dell’attuatore Sistema
Feedbackdal sensore
-+Errore
disturbi
SetPoint
ProcessoVariabile
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Control System Diagram
Temperaturadesiderata
PID Compensator
HeaterOutput
temperatura misurata
Sorgente di calore
termocoppia
-+Errore
120 ºC
100 ºC
20 ºC62%
raffreddamentoFront Panel PID Toolset
FP-PWM-520
FP-TC-120
Sistema di controllo di temperaturaLabVIEW
NI LabVIEW Real-Time Hardware
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LabVIEW PID Control Examples
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Caratteristiche tipiche di un processo
Percent OvershootPercent Overshoot
Rise TimeRise Time SteadySteady--State ErrorState ErrorSettling TimeSettling Time
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DeadtimeL’intervallo di tempo che intercorre fra la variazione di un segnale in ingresso e l’inizio della variazione dell’uscita
DeadtimeDeadtime
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Modellizzazione (Parte II)Heater/Fan Temperature Chamber• Sistema di prova per ottenere un modello del primo ordine
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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
AlgoritmoI/O I/O
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Soluzioni Real-Time per il controllo di processo
HighHighLowI/O Count
BestBetter–Distributed
BestBetterGoodSmall SizeBetterBestGoodI/O Variety
Rugged
Performance (PID loop rate)
BestBetter–
< 1kHz40 kHz, max1 kHz
RT FieldPointRT PXIRT Series DAQ
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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
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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.
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Demo su sistemi discretizzati e state machineHeater/Fan Temperature Chamber• Demo sistema discretizzato• Demo controllo state-machine
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PID Control
Proportional-Integral-Derivative (PID)
iT1 ∫
dtd
-++
dT
Error
cK-+Set Point
Processo Variabile
Output
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PID Advanced con guadagni fissati
Sistemi non lineari
PIDAdvanced
Uscita attuatore
ProcessoVariabile
sistema
SensorFeedback
-+Error
Disturbance
SetPoint
GainScheduling
Valore di guadagno fissatoPID
Gains
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PID con assorbimento di disturbi
Sistema di controllo con assorbimento di disturbi
ActuatorOutput
System(Plant)
SensorFeedback
Disturbance
-+
Gain
SetPoint PID
ProcessVariable
-+Error
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Fuzzy Logic Control
Ingressi multipli, regola IF-THEN
SetPoint
FuzzyController
IF-THENActuatorOutput
System(Plant)
SensorFeedback
DisturbanceInput 3
Input 2
ProcessVariable
-+Error
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Tecniche di controllo a confronto
Come scegliere una tecnica di controllo
√√PID with Disturbance Decoupling
√
√
Buon reiezione dei disturbi
√
√
Sistemi non lineari?
Fuzzy Logic
√PID Advanced with Gain Scheduling
√PID
Autotuning?
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Step 2: simulazione e tuningSimulazione 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
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SimulazioneLa simulazione è un buon metodo per prendere conoscenza del sistema ,per selezionare il piùappropriato 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
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Demo simulazioneHeater/Fan Temperature Chamber– Simulazione di sistema per la selezione dei parametri PID
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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
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Sistemi LabVIEW RT
Processor I/O modules
Develop onHost Computer
Execute onRT TargetDownload
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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
![Page 29: LabVIEW Embedded Control - National InstrumentsTemperatura desiderata PID Compensator Heater Output temperatura misurata Sorgente di calore termocoppia + - Errore 120 ºC 100 ºC 20](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041001/5ea2d60281c03555801b0e7f/html5/thumbnails/29.jpg)
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
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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
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Demo utilizzo target RTHeater/Fan Temperature Chamber• Demo con sistema di controllo esteso
![Page 32: LabVIEW Embedded Control - National InstrumentsTemperatura desiderata PID Compensator Heater Output temperatura misurata Sorgente di calore termocoppia + - Errore 120 ºC 100 ºC 20](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041001/5ea2d60281c03555801b0e7f/html5/thumbnails/32.jpg)
Caratteristiche di produttività con LabVIEW
LabVIEW rappresenta una piattaforma ideale per lasimulazione e l’estensione del concetto di controlloProduttività
• Basic, Advanced, and Autotuning PID• Set Point Profiling, Control Input Filtering• Simulazione lineare e non
Realizzabilità • LabVIEW Real-Time deployment targets
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Procedura autotuning PID
Dopo aver effettuato una ricerca dei parametri PID e aver raggiunto un controllo stabile, l’autotuning con PID può raffinarei parametri
Procedura:1. Creare l’applicazione di controllo e determinare I parametri PID, successivamente produrre un controllo stabile del sistema2. Eseguire la procedura di autotuning e memorizzare iparametri PID calcolati
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Control Toolbox Highlights
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Control Toolbox Highlights
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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)
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Point-by-Point DemoHeater/Fan Temperature Chamber•Demo point-by-point analysis
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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
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Sommario
• Progetto di controllo e modellizzazione• Controllo discretizzato e state-machine• Simulazione e Tuning• Real-Time Deployment• LabVIEW Programming Guidelines• Point-by-Point Analysis