Irányítási rendszerek megvalósítása

Irányítási rendszerek megvalósítása Automatikus Fedélzeti Irányító Rendszerek a Légiközlekedésben Dr. Soumelidis Alexandros egy. docens -1-

Rendszer Mérés Adatgyűjtés Kommunikáció Beavatkozás Detektálás Irányítás -2-

Irányítási rendszerek Digitális irányítási séma u + DA Beavatkozó P Mérő / Érzékelő AD y C Numerikus algoritmus -3-

Irányítási rendszerek Digitális irányítási séma (variáns) u Beavatkozó DA + C P Mérő / Érzékelő AD y Numerikus algoritmus -4-

Beágyazott irányítási séma y 1 (t) A z 1 (t) v 1 (t) D u 1 (t) D Irányító egység: beágyazott számítógép A y 2 (t) A z 2 (t) v 2 (t) D u 2 (t) D Rendszerállapot A x 1 (t) x 2 (t) x n (t) y p (t) A.. Irányítási séma: numerikus algoritmus z p (t) v m (t) D u m (t) D A -5-

Beágyazott számítástechnika Számítógép architektúra általános séma A specifikus funkcionalitást a szoftver valósítja meg. Neumann és Harvard architektúra CPU PROGRAMés ADAT- MEMÓRIA P P PROGRAM- MEMÓRIA CPU ADAT- MEMÓRIA P Univerzális elrendezés algoritmizálható problémák megoldására. -6-

Beágyazott rendszerek ma A gyártott mikroprocesszorok 90%-a beágyazott alkalmazásban kerül felhasználásra. Beágyazott rendszerek mindenütt: Netgear ADSL modem/router: 4: processzor (Texas Instruments), 6: RAM 8 MB, 7: flash memória Mobiltelefonok: Mai modern gépjárművek: 50-100 beágyazott számítógép: ECU Alapsávi processzor üzemanyagellátás ABS/ASR -7-

Beágyazott rendszerek fejlesztése Komponensek Mikrovezérlők, mikroszámítógépek Memória elemek statikus/dinamikus RAM, flash Periféria áramkörök interfész, tárolás, kommunikáció Fejlesztőeszközök Tervezés, prototípus előállítás, mérés, tesztelés Hardver-, szoftver- és rendszerfejlesztési eszközök Módszerek Alapfeladatok, algoritmusok Rendszerrealizálási módszerek Módszertani fejlesztés -8-

Beágyazott rendszerek komponensei Számítógép komponensek Mikrovezérlők 8-16-32 bites egységek saját adat- és programmemóriával, perifériakészlettel Mikroszámítógépek 32-64 bites egységek belső ás külső memória és periféria meghajtó képességgel Digitális jelfeldolgozó processzorok (DSPk) speciális utasításkészlettel kiegészített mikrovezérlők Speciális feldolgozó elemek kommunikációs processzorok, hang- és képfeldolgozó processzorok Programozható logikai tömbök FPGA szoftprocesszorok -9-

Mikroszámítógép családok Mikroprocesszorok Számítógép architektúra központi egységének egy áramköri lapkán megvalósított formája Példa: Intel 8-bites: 8080 (1974) Intel486-DX2 16-bites: 8086 (1978) 32-bites: I386 (1985), I486 (1989), Pentium (1993) 64-bites: Athlon 64 (2003), Intel Core 2 (2006) ma: quad core -10-

Mikroszámítógép családok Mikrovezérlők Teljes számítógép architektúra megvalósítása egy áramköri lapkán Egyszerű 8-16-bites CPU (RISC) Belső RAM és programmemória PROGRAM- MEMÓRIA CPU ADAT- MEMÓRIA P Harward architektúra Belső perifériakészlet: időzítők, PWM parallel digitális I/O: port-ok soros interfészek: SPI, I2C, UART hálózat: CAN, USB, Ethernet Analóg I: AD, komparátor -11-

Mikroszámítógép családok Mikroszámítógépek Teljes számítógép architektúra megvalósítása egy áramköri lapkán CPU PROGRAMés ADAT- MEMÓRIA Egyszerű 32-bites CPU (RISC) Kiegészítő külső RAM és flash memória Direkt memória hozzáférés (DMA) Lebegőpontos műveleti támogatás IDE, PCI, memóriakártya interfészek Kóderek/dekóderek: MP3, AES titkosítás Digitális jelfeldolgozási műveletek (DSP) P Neumann architektúra Példák: ARM PowerPC P DSP (TI, AD) -12-

Beágyazott rendszerek komponensei Memória elemek Nem felejtő memóriák: ROM maszkprogramozott, PROM egyszer programozható EPROM törölhető, újraprogramozható ma leginkább flash memóriák elektronikusan nagyon sokszor újraprogramozható programtárolásra (Harward architektúra) adattárolásra: adatgyűjtés, archiválás RAM memóriák: statikus kis méretű gyors memóriák átmeneti tárolásra dinamikus adattárolásra (Harward architektúra) program- és adattárolásra (Neumann architektúra) -13-

Beágyazott rendszerek komponensei Periféria áramkörök Interfész áramkörök: Analóg jelinterfészek: AD és DA konverterek Logikai jelinterfészek: digitális I/O Fizikai jelinterfészek: érzékelők, mérőeszközök, relék, motorok, különböző fizikai elveken alapuló beavatkozó szervek Kommunikációs interfészek: vezetékes és vezeték nélküli soros vagy hálózati interfészek Adattároló eszközök: Mágneses tároló eszközök: keménylemezes diszkek Optikai tároló eszközök: CD, DVD Félvezető tároló eszközök: multimédia, SD memória kártyák Kommunikációs eszközök: Vezetékes hálózatok: Ethernet, CAN, FlexRay Vezeték nélküli hálózatok: WLAN, ZigBee -14-

Beágyazott rendszerek fejlesztőeszközei: hardver Kiindulópont: Modul szint Integrált áramköri szint Áramköri szint FPGA realizációk Félvezető lapka tervezés -15-

Beágyazott rendszerek fejlesztőeszközei: hardver Hardver fejlesztő rendszerek: Rendszerszintű fejlesztő eszközök: rendszer specifikáló, konfiguráló eszközök, rendszerszintű teszt, validációs és verifikációs eszközök Áramkör és NYÁK tervező eszközök: elvi kapcsolási rajz szintű áramkörtervező és szimulációs, nyomtatott áramkörtervező eszközök Integrált áramköri lapka tervező eszközök: elvi kapcsolás, modul vagy tranzisztor szintű tervező, szimulációs és verifikációs eszközök -16-

Beágyazott rendszerek fejlesztőeszközei: szoftver Szoftver és rendszerszintű fejlesztő rendszerek: Alacsony szintű fejlesztőeszközök: assemblerek, letöltő programok, kódszintű hibakereső programok Magas szintű programozási nyelvek: compiler, forrás-szintű debugger programok C, C++, C# compilerek, Eclipse környezet Magas szintű rendszerfejlesztési eszközök: szimbolikus, grafikus programgenerálási környezetek, rendszer konfigurációs eszközök Matlab/Simulink (Mathworks) LabView (National Instruments) -17-

Beágyazott szoftver fejlesztés -18-

Irányítási rendszerek Példa: inverz inga kis szögekre: linearizálás -19-

Példa: inverz inga u z u = -Kx x [z s, s ] ( s = 0) State observer x -K u [z, ] -K [z, ] Controller Állapot-visszacsatolás Állapot-visszacsatolás megfigyelővel -20-

Diszkretizálás Példa: inverz inga A D Control algorithm t 1 t x x y i ij j j 1 j 1 n n t t u ixj jy j 1 i 12,,... n y(t) y t u t u(t) 2 2 j 1 ij t j t j D A Diszkrét idejű irányítási algoritmus -21-

Megvalósítás Példa: inverz inga u z A/D D/A egy klasszikus számítógépes realizáció -22-

Megvalósítás Példa: inverz inga u z A/D PWM egy modern beágyazott realizáció -23-

Analóg Digitális konverzió x(t) Mintavételi törvény (Shannon) x(t) mintavételezés és kvantálás f s 1 T s t Energiakorlátos jel Sávkorlátozott jel -f B fs 2 f B Aliasing hiba Anti-aliasing szűrő t 1 0.8 0.6 Aliasing hatás f és 9f frekvenciájú színuszjel között x(t) T s 0.4 0.2 0-0.2-0.4 t -0.6-0.8-1 T -24-0 1 2 3 4 5 6

Analóg Digitális konverzió x(t) Integráló típusú (dual-slope) ADC 1 U T T 0 u( t) dt δσ-modulációs ADC Analóg t T t 1-bites kvantáló Integrátor bemenet Kimenet xt + - x m x d t t x t i yt Szukcesszív approximációs (SAR) ADC +X max -X max -25-

Diszkrét idejű dinamikus rendszer -26-

Diszkretizáció -30-

Diszkrét idejű rendszer stabilitása -34-

Példa: PID szabályozó Diszkrét idejű szabályozó Folytonos PID szabályozó Diszkretizáció: Jelölések: -35-

Diszkrét PID szabályozó Gyakorlatban alkalmazható forma: rekurzív alak A végső forma: -36-

Diszkrét PID szabályozó Speciális esetként τ D =0 választásával diszkrét PI: A diszkrét PID és PI alkalmazása: y k kiszámítása y k-1, x k és x k-1 ismeretében T-vel ütemezett ciklusokban Ügyelni kell az algoritmus a véges számábrázolás hatásából eredő nemlineáris hatásokra anti-windup Figyelembe kell venni a beavatkozó szervek véges működési tartományát. -37-

Szabályozók beágyazott realizálása A szabályozási algoritmus számítógépes program formájában valósul meg. Formái (példák a teljesség igénye nélkül): Natív lineáris program fix időzítéssel. Megszakításokkal vezérelt natív program. Operációs rendszer alatt futó program. Valós idejű operációs rendszer alatt futó konkurrens program. Valósidejű parallel (többszálú) és konkurrens program. Elosztott programrealizáció (konkurrens és parallel). Digitális kommunikációs hálózaton alapuló elosztott realizáció (konkurrens és parallel). Nagy megbízhatóságú redundáns és/vagy diverz realizáció. -38-

Szabályozók beágyazott realizálása Megszakítás (interrupt) Külső esemény megszakítja a program futását, egy megszakítási eljárás zajlik le, majd visszatér a végrehajtás az eredeti programra. Többszintű, prioritásos megszakítási rendszer, akár egymást is megszakító folyamatok. A megszakítások egységes kezelése: valós idejű (real-time) ütemező, kernel vagy operációs rendszer. Megszakítás források: Külső és belső perifériák (pl. időzítő, ütemező, adatszolgáltató vagy kommunikációs egységek). Külső események (digitális jelek változása, állapotjelek, hibajelek, analóg jelek szintátmenete, zérusátmenet). -39-

Szabályozók beágyazott realizálása Operációs rendszer A programok elindulását, leállását, a perifériakezelést, a rendszerkezelés tipikus folyamatait összefoglaló programrendszer. A programozó az operációs rendszer kezelő eljárásain keresztül programozza a perifériákat, a hardver részletek közömbössé válnak. Magas szintű nyelvek, grafikus környezetek, magas szintű kommunikációs protokollok alkalmazása Beágyazott operációs rendszerek (példák): Linux Android ios Beágyazott Windows WinCE -40-

Szabályozók beágyazott realizálása Valós idejű (real-time) rendszerek Konkurrens folyamatok, valós vagy virtuális parallelitás, eseményvezéreltség. Holtpont: ha két vagy több folyamat egymásra vár akár közvetetten is. A holtpontmentes vezérlés alapkövetelmény. Folyamatok ütemezése, a futási időkülönbségek kiegyenlítése: FIFO tárolók, cirkuláris pufferek, szemaforok, mutex-ek. A holtpontmentesség biztosítása: primitív utasítások, kölcsönös kizárás. Primitív utasítások: megszakíthatatlan, egy menetben lezajló folyamategység (gépi utasítások, interrupt tiltás). Szemafor: jelzés, amelyek korlátozza a folyamatokat valamilyen programszakaszba való belépésben - várakoztatás. Mutex: bináris szemafor kölcsönös kizárás egy folyamatra nézve -41-

Szabályozók beágyazott realizálása Nagy megbízhatóságú rendszerek Redundancia: azonos funkciók többszörözése, és szavazás hármas redundancia és 3-ból 2-es szavazás tipikus Diverzitás: a redundancián belül egy funkciót több különböző elven realizálunk különböző fizikai elvek, algoritmus, HW és SW realizáció. Példák: Hármas redundancia a mérésekben (pl. 3 független IMU egység, Pitot-cső, stb). Osztott vezérfelületek (csűrők, magassági- és oldalkormány) külön szervo vezérléssel. Több hajtómű, egyszeres meghibásodás nem okoz problémát. Hajtás és vezérfelületek különböző kombinációi helyettesítik egymást. -42-

Digitális Analóg konverzió A Shannon törvény szerinti rekonstrukció : x t x kt k B sin 2 f B t kt 2 f t kt Egzakt rekonstrukció a gyakorlatban nem valósítható meg A gyakorlat számára túl komplikált 0-rendű tartószerv: approximáció lépcsős függvénnyel 1-rendű tartószerv: lineáris interpoláció 3-rendű spline interpoláció: -43-

Digitális Analóg konverzió Klasszikus DA konverter: ellenállás-létrahálózat Megvalósítja a 0-rendű tartószervet (ZOH zero-order hold) -44-

Digitális Analóg konverzió N-rendű tartó közelítő megvalósítása a gyakorlatban: LP szűrő LP Low Pass - alulátersztő A 0-rendű tartó kimeneti jelének simítása. -45-

Digitális Analóg konverzió A klasszikus DAC problémái: Nagy teljesítményű beavatkozó szervek (motorok, elektromágnesek) meghajtása analóg végerősítőket igényel A, B, AB és C osztályú végerősítők: alacsony hatásfok, nagy hődisszipáció Kimeneti teljesítmény korlátozott (néhány kw). -46-

Digitális Analóg konverzió Megoldás: Kapcsolóüzemű megoldások D-osztályú végerősítő Impulzusszélesség moduláció PWM Pulse-Width Modulation -47-

Kapcsolóüzemű működési elv BE- és KI-kapcsolás kétállapotú rendszer: Megfelel a digitális működési elveknek Nagy hatásfok, kis teljesítményveszteség és hődisszipáció Egyszerű megvalósítás félvezető eszközökkel: tranzisztorok MOS FET-ek IGBT-k Insulated-Gate Bipolar Transistor BE KI -48-

PWM Pulse Width Modulation T T p x( ) x( t ) x( t 2 ) 0 t T p 1 T T p 2 T T pk x( t kt) PWM: az impulzusszélesség arányos a mintaértékekkel. Impulzusszélesség moduláció -49-

PWM Pulse Width Modulation T T p x( ) x( t ) x( t 2 ) 0 t T p 1 T T p 2 T T pk x( t kt) Fázishelyes PWM: szimmetrikus impulzusok a korrekt időpontokban. -50-

PWM Pulse Width Modulation Aluláteresztő (LP) szűréssel (1-rendű RC szűrő): -51-

PWM Pulse Width Modulation Az analóg jel közelítő visszaállítása: aluláteresztő (LP) szűrés Hibák: Torzítás a hordozó frekvencia nem tűnik el nyomtalanul. Pontatlanság az interpolációban. Késleltetés, fáziskésés. Gondos tervezéssel a gyakorlati alkalmazások szempontjából elegendő pontosság érhető el. LP szűrés: sok esetben az aktuátorok maguk realizálják az elektromechanikus elemek lassú dinamikájúak. -52-

Elektromechanikus aktuátorok Elektromágneses beavatkozó szervek Elektromos motorok DC (Direct Current) motor egyenáramú motor BLDC (Brushless DC) motor kefenélküli egyenáramú motor AC (Alternating Current) motor indukciós motor, szinkron motor, aszinkron motor Léptető motor További (nem mechanikus) aktuátorok Fűtő (hőközlő) eszközök Világító (fényemittáló) eszközök -53-

Példa: DC motor T m +V p K m R U m U H 1 H 2 + H 3 H 4 Ø - U m K m -54-

Pozíció szervó irányítás U(t) Φ(t) Futaba S3003 servo 50 10 10 35 16 10 62 41 Potmeter Motor 10 10 10 16 62 50 35 41 32 8897 1 278.03125-55-

Pozíció szervó irányítás +V p H 1 H 2 + u(t) r(t) U φ(t) - H 3 H 4 Ø H-híd U PWM U p τ 0 τ 1 τ 2 τ 3 τ 4 τ 5 τ 6 τ 7 0 T p 2T p 3T p 4T p 5T p 6T p 7T p t -56-

DC motorvezérlő: H-híd TC4428 (SO8/ MSOP8) TC4428 (SO8/ MSOP8) -57-

DC motorvezérlő: logika U8-2 VDD UL 5 5 5 5 DIR PWM CN1-6 CN1-5 U3 74HC1G00 SOT23-5 2 1 4 U6 74HC1G02 SOT23-5 1 2 4 R3 0 Ω 0603 U8-4 LL C7 1 µf 0603 C8 1 µf 0603 U4 74HC1G00 SOT23-5 1 2 4 U5 74HC1G02 SOT23-5 1 2 4 U7-2 UR R1 10 kω 0603 R2 10 kω 0603 3 3 3 3 U7-4 LR DIR irány L=előre H=hátra PWM az impulzusszélességgel arányos motorteljesítmény -58-

DC motorvezérlő: mérés EMF (Electro-Motive Force) indukált feszültség a fordulatszámmal arányos Motoráram a nyomatékkal arányos -59-

DC motorvezérlő: szögmérés AS5045 SSOP16 Potméter helyett: forgó mágneses jeladó -60-

DC motorvezérlő: µc példa ATMEL ATmega32M1-61-

Professzionális szervó Elektromechanikus szervó (forgó) oldalkormány hajtás (Boeing) (lineáris) Elektro-hidraulikus szervó -62-

Példa: BLDC motor Kefe nélküli egyenáramú (BLDC Brushless DC) motor 3-phase inverter VDC 120 A 120 N SW AU SW BU SW CU C S B SW AL SW BL SW CL 120-63-

Brushless DC (BLDC) Motor Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5 Phase 6 Phase A Phase B Phase C 0 30 90 150 210 270 330 360-64-

Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5 Phase 6 Phase 1 Phase A - start - Phase B Phase C Phase 1 0 30 90 150 210 270 330 360 VDC A SW AU SW BU SW CU C B SW AL SW BL SW CL -65-

Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5 Phase 6 Phase 1 Phase A -stop - Phase B Phase C Phase 1 0 30 90 150 210 270 330 360 VDC A SW AU SW BU SW CU C B SW AL SW BL SW CL -66-

BLDC motorirányítás Vcc Uh Ul CN1-2 CN1-3 D1 BAS16LT1 1 3 U1 C4 1 µf 0805 3 Vcc 1 TINP 5 NC 6 BOOST 2 BINP GND D2 BAS16LT1 1 3 9 C1 220 nf 0805 TG TS 7 8 4 BG C2 220 nf 0805 3,7,8 U4 IRF7311 4 2 1 U5 IRF7311 5,6 5,6 U VCC U BLDC vezérlő elektronika: Szenzor nélküli vezérlés Visszacsatolás EMF mérés alapján N-csatornás MOSFET kapcsolók Félhíd meghajtó IC-k alkalmazása U1 5 6 NC BOOST 3 Vcc TG 7 4 U Vh Vl CN1-3 CN1-4 C5 1 µf 0805 1 TINP 2 BINP GND 9 TS 8 4 BG 3,7,8 2 1 V V R1 18 kω 1% 0603 R2 24 kω 1% 0603 C7 4.7 nf 0603 R3 22 kω 1% 0603 CN1-11 Ue SW AU SW AL SW BU Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5 Phase 6 D3 BAS16LT1 C3 220 nf 0805 1 3 U1 5 6 NC BOOST 3 7 Vcc TG U6 IRF7311 4 5,6 V R4 18 kω 1% 0603 R5 24 kω 1% 0603 C8 4.7 nf 0603 R6 22 kω 1% 0603 CN1-10 SW BL SW CU SW CL Ve Pole A Wh Wl CN1-5 CN1-6 C6 1 µf 0805 1 TINP 2 BINP GND 9 8 TS 4 BG 3,7,8 2 1 W W GND W R7 18 kω 1% 0603 R8 24 kω 1% 0603 C9 4.7 nf 0603 CN1-9 R9 22 kω 1% 0603 CN1-12 We N Pole B Pole C 0 60 120 180 240 300 360-77-

Beágyazott járműirányító rendszer User IF Gyorsulás- Gyorsulásérzékelő Gyorsulásérzékelő érzékelő Giro- Giroérzékelő Giroérzékelő érzékelő Nyomás- Nyomásérzékelő Nyomásérzékelő érzékelő GPS Fedélzeti Számítógép Kommunikációs rendszer Szervo Szervo Szervo Elektro- Elektromágn. v. mágn. Elektro- v. mágn. v. LAN μc < H Többszintű irányítás: Járműcsoport irányítás Hőmérs.- Hőmérs.- érzékelő Hőmérs.- érzékelő érzékelő KAMERA Video feldolg. Telj. Telj. vezérlő Telj. vezérlő vezérlő Jármű-környezet kapcsolaton alapuló irányítás < ADC μc LAN Járműszintű irányítás -78-

UAV irányítás -79-

4-rotoros helikopter irányítás Thrust Roll Pitch Yaw Wireless Motor Global Position Communication Control Sensing Main Control CAN network Unit Elosztott irányítás: Önálló processzorokat tartalmazó részegységek CAN hálózati kommunikáció a részegységek között Motor Control Sensors Inertial, magnetic, US Motor Control Motor Control Power Supply Control -80-