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Modellbasierte Softwareentwicklung mit MATLAB für Embedded

Controller SMT32F4-Discovery Jörg Thomasberger, Igor Lewin, Christof Kötting,

Daniel Hartung, Benedikt Geib

24.09.2015 Modellbasierte Softwareentwicklung mit MATLAB für

Embedded Controller SMT32F4-Discovery 1

https://www.h-da.de/

Inhalt

• Einleitung

• Projektmanagment

• Hardware Design

• Software Design

• Systemanalyse

• Reglerentwürfe

• SIL und PIL

• Visualisierung und Datenverarbeitung

• Test und Validierung

• Zusammenfassung




Aufgabenstellung

• Die Regelstrecke (Antenne) beschreiben, simulieren und testen.

• Mit Model in the Loop unter Simulink den Regelkreis simulieren und testen

• Für den simulierten Regelkreis eine Visualisierung mit Matlab erstellen und testen

• Software in the Loop, d. h. C-Code für Regler mit Simulink Coder generieren und testen.

• Processor in the Loop, d. h. Regler mit dem Simulink Modell der Strecke testen.

• C-Code unter Simulink für die Regler mit Embedded Coder generieren, herunterladen und diesen auf

dem Discovery Board implementieren.

• Antenne mit dem STM32F4 Discovery Board regeln.




Projektmanagement

• Spezifikationsliste

• Risikoanalyse

• Anwendungsfälle

• Netz-/Projektplan

• Pflichtenheft

• Meilensteine

• Wöchentliche Teamabsprachen

24.09.2015

Modellbasierte Softwareentwicklung mit MATLAB für Embedded Controller SMT32F4-Discovery

4

Wahrscheinlichkeit (X) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Schweregrad (O) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nr. Bezeichung

1. technische Risiken X O

2. personelle Risiken O X

3. finanzielle Risiken X/O

4. klimatische Risiken X/O

5. Zeitplan Risiken X O

6. vertragliche Risiken X/O

7. rechtliche Risiken X/O

7a. werksvertragliche X/O

7b. kaufvertragliche X/O

7c. baurechtliche X/O

7d. gewerbliche X/O

7e. sicherheitsrechtliche X/O

7f. emmisionsrechtliche X/O

7g. arbeitsrechtliche X/O

AT5 Risikoanalyse

Wahrscheinlichkeit und SchweregradtabelleRelease Datum

Modellbasierte Softwareentwicklung mit MATLAB

für Embedded Controller SMT32F4-Discovery 28.04.2015

Projektbezeichnung:

keine Risiken

Revision

0

wahrscheinlich relativ wahrscheinlich sehr wahrscheinlich

weniger ernst relativ ernst sehr gravierend

Schäden oder Mängel in der Umsetzung

Jobbedingter ausfall eines Kollegen.

keine Risiken

keine Risiken

keine Risiken

keine Risiken

keine Risiken

keine Risiken

keine Risiken

keine Risiken

keine Risiken

Einhaltung von Normen.


Systemanalyse

• 2 Ansätze

– Mit a-priori-Kenntnissen

– Ohne Vorkenntnisse

• Ergebnis: Systemmodell



𝐺𝑆 = 7,308

0,13 ∗ 𝑠2 + 𝑠


Systemanalyse a-priori

• Systembestandteile analysieren

• Strecke: IT1

• Gleichung:



J

KI *s T1,Totzeit /s

0,01841929 nicht erkennbar


0,02106379 0,15

0,02130367 0,12

0,02125811 0,1

KI *s T1,Totzeit /s




0,02119348 0,05

0,02108164 0,05

𝐺𝑆 = 0,0203

0,12 ∗ 𝑠2 + 𝑠


Systemanalyse

Systemanalyse ohne Vorkenntnisse Feste Potentiometer Versorgung von 3 V

Rot= Eingangsprung Blau = Potentiometerausgangsspannung




Systemanalyse: Systemanalyse ohne Vorkenntnisse

Filterentwurf mit fdatool von Matlab





Ermittlung Ki, T1 und Abweichung bei einem Eingangssprung von 0 auf 2 V




Systemanalyse: Systemanalyse ohne Vorkenntnisse Zusammentragung der Ergebnisse für unterschiedliche Eingangssprünge



Eingangssprung

in V

Abweichung in V KI in sec-1 T1 in

sec

Zeit bis 350°

in sec.

Zeit bis 360°

in sec.

0 auf 2V 3V – 2,9V=0,1V 0,05523 0,26 25,4 25,78

0 auf 4V 3V – 2,903V=0,097V 0,06154 0,24 11,63 11,79

0 auf 6V 3V – 2,899 V=0,101V 0,06248 0,196 7,58 7,68

0 auf 8V 3V – 2,901V=0,099V 0,06421 0,152 5,476 5,544

0 auf 10V 3V – 2,896V=0,104V 0,0638 0,152 4,356 4,424

Mittelwert 0,1002 V 0,061452 0,2



Ohne Umpolung des GM Motors: 0 auf 2 V T1 = 0,26

Ohne Umpolung des GM Motors: 0 auf 10 V T1 = 0,152

Mit Umpolung des Gleichstrommotors



Eingangssprung in V Abweichung in V KI in sec-1 T1 in sec Zeit bis

360° in

sec.

Zeit bis

350° in sec.

0 auf 2V 3V – 2,911V=0,089V 0,0585 0,16 23,58 24,2

0 auf 10V 3V – 2,906V=0,094V 0,0665 0,184 4,188 4,276



Zusammentragung der Ergebnisse aus beiden Tabellen

Es ergibt sich folgende Übertragungsfunktion der Strecke

𝐺𝑠 𝑠 =𝐾𝐼

𝑠(1 + 𝑠𝑇1)=0,061452 𝑠𝑒𝑐.−1

𝑠(1 + 𝑠0,2 𝑠𝑒𝑐. )




STM32F4 Discovery Board



• Cortex M4 ARM Processor (up to 168Mhz) • 1 MB internal Flash • 12bit ADCs • DMA Controller • 17 Timers • Integrated Debugger • All Pins accessable


Hardware Design



• Stiftleiste als Konnektor zum Discovery Board • Spannungsversorgung Discovery Board • Strommessung Hal Sensor (Optional) • Motor Vollbrücken Ansteuerung • Kommunikationsinterface USB/Uart


Software Design




Visualisierung Datenverarbeitung



STM32F4

• Schnittstelle USART

• Wandler für USB FT232RL

Matlab GUIDE

• USB Integration

FT232RL

Mini USB

USART PC 10 & 11





Datenübertragung

• Serielle Datenübertragung

• Char-Array mit Semikolon als Trennzeichen “;“

Rec_all;0;175.2;12.2;8.22;200.0;24.8;0





1

2

3

4

5

5


Smith Prädiktor

• Modellbasiertes Regelverfahren

• Einsatz für Regelstrecken mit großen Laufzeitanteilen




Smith Prädiktor



1. Modell Approximation 2. Aufbau Smith Prädiktor

Herangehensweise zur Entwicklung des Smith-Prädiktors


Smith Prädiktor



3. Simulation & Optimierung

Herangehensweise zur Entwicklung des Smith-Prädiktors

4. Digitalisierung des Regelkreises


Smith Prädiktor



5. Test und Validierung


ASA-Regler



• Modellbasierter Regler


ASA-Regler



𝐺𝑀 𝑠 =𝐺0𝑀 𝑠

1 + 𝐺0𝑀(𝑠)=

1

1 + 0,2 ∗ 𝑠

𝐺0𝑀 𝑠 =𝐺𝑀 𝑠

1 − 𝐺𝑀(𝑠)=5

𝑠


ASA-Regler

• Quasikontinuierlich

• Strecke: 𝑦 𝑡 = 7,303 ∗ 𝑢 𝑡 𝑑𝑡 − 𝑇 ∗𝑑𝑦

𝑑𝑡

• GM0: 𝑦 𝑡 = 5 ∗ 𝑢(𝑡) 𝑑𝑡




ASA-Regler




Predictive Functional Control

• Prädiktive Regelung





Drei tragende Bestandteile

• Internes Modell

• Referenztrajektorie

• Optimale Stellstrategie:

Regelgröße → Referenztrajektorie





• Ursprünglich für PTn-Prozesse

• Anpassung des Modells für Regelung der IT1-Prozesse

• 𝑀0 = 𝑀1

1+𝑀2, 𝑀1 = 𝑀11 +𝑀12





• Berechnung der Stellgröße

• 𝑙ℎ = 1 − 𝜆ℎ = 1 − 𝑒−𝑇𝑠∙3∙ℎ

𝑇𝐴𝑢𝑠 - Referenztrajektorie







𝑇𝐴𝑢𝑠 = 10𝑠, ℎ =𝑇𝐴𝑢𝑠3


Simplified PFC

• Vereinfachung des PFC-Algorithmus

Annahme: 𝑇λ = 𝑇ℎ, somit α = λ




Simplified PFC

• Vereinfachung des Blockschaltbildes

𝐺𝑤 𝑠 = 1 + 𝐺𝑀(𝑠)𝐺𝑂(𝑠)

1 + 𝐺𝑂(𝑠),




Simplified PFC

• Vorfilter für das gewünschte Verhalten 𝐺𝑊 𝑠

𝐺𝑉 𝑠 = 𝐺𝑊 𝑠1 + 𝐺𝑂 𝑠

𝐺𝑂 𝑠,

• Für PT2-Verhalten und IT1-Strecken:

𝐺𝑉 𝑠 =𝐾𝑊

(1 + 𝑠 ∙ 𝑇𝑊)2∙𝐾𝑆 ∙ 𝐾𝑃 + 𝑠 ∙ (𝑠 ∙ 𝑇𝑆 + 1)

𝐾𝑆 ∙ 𝐾𝑃

24.09.2015


34


Simplified PFC

• Simulation: PT2-Verhalten, T=0.3




Simplified PFC




Reglerentwürfe: Kompensationsregler

𝐺𝑅(𝑠) =

1

𝐺𝑠(𝑠)

𝐺𝑀(𝑠)

1−𝐺𝑀(𝑠) Annahme: 𝐺𝑀(𝑠) =

1

1+𝑠𝑇𝑀 𝐺𝑀(𝑠) =

1

1+𝑠0,2𝑠𝑒𝑐.

𝐺𝑠 𝑠 =𝐾𝐼

𝑠(1+𝑠𝑇1)=

0,061452 𝑠𝑒𝑐.−1

𝑠(1+𝑠0,2𝑠𝑒𝑐.)





Berechnung Kompensationsregler

𝐺𝑅 𝑠 =𝑠(1 + 𝑠0,2 𝑠𝑒𝑐. )

0,061452 𝑠𝑒𝑐−1

11 + 𝑠0,2𝑠𝑒𝑐.

1 −1

1 + 𝑠0,2𝑠𝑒𝑐.

𝐺𝑅(𝑠) =𝑠(1+𝑠0,2 𝑠𝑒𝑐.)

0,061452 𝑠𝑒𝑐−1

1

1+𝑠0,2𝑠𝑒𝑐.1+𝑠0,2𝑒𝑐.−1

1+𝑠0,2𝑠𝑒𝑐.





Berechnung Kompensationsregler

𝐺𝑅(𝑠) =𝑠(1 + 𝑠0,2 𝑠𝑒𝑐. )

0,061452 𝑠𝑒𝑐−1

1

𝑠0,2𝑠𝑒𝑐. 𝐺𝑅(𝑠) =

𝑠(1 + 𝑠0,2 𝑠𝑒𝑐. )

𝑠0,0122904

𝐺𝑅(𝑠) =(1 + 𝑠0,2 𝑠𝑒𝑐. )

0,0122904 𝐺𝑅(𝑠) = 81,364 + 𝑠16,273𝑠𝑒𝑐.

𝑮𝑹(𝒔) = 𝟖𝟏, 𝟑𝟔𝟒 𝟏 + 𝒔𝟎, 𝟐𝐬𝐞𝐜. = 𝑲𝑷𝑹 (𝟏 + 𝒔𝑻𝒗)





Berechnung offener Regelkreis Unabhängigkeit von der Strecke

𝐺0(𝑠) = 𝐺𝑅(𝑠) 𝐺𝑆 𝑠 = 1

𝐺𝑠(𝑠)

𝐺𝑀(𝑠)

1 − 𝐺𝑀(𝑠) 𝐺𝑆 𝑠

𝐺𝑀(𝑠)

1 − 𝐺𝑀(𝑠)=

11 + 𝑠𝑇𝑀

1 − 1

1 + 𝑠𝑇𝑀

=

11 + 𝑠𝑇𝑀

1 + 𝑠𝑇𝑀 − 11 + 𝑠𝑇𝑀

= 1

𝑠𝑇𝑀=

5

𝑠𝑠𝑒𝑐.




Reglerentwürfe: Kompensationsregler digital Abtastzeit: 1ms




Reglerentwürfe: Kompensationsregler Kennlinien digitaler Regler




SIL

• Signale kommen vom Top Modell

• Zu Beginn jeder Abtastperiode werden Signale vom Top Modell zu SIL

Blöcken gesendet und verarbeitet

• C Code für den Host PC kompiliert

• C Code läuft auf Host PC

• Non Real Time




SIL zuerst ohne Anbindung an die Visualisierung




SIL die wichtigsten Einstellungen

Rechter Mausklick auf das Subsystem Controller Block Parameters (Subsystem)




SIL Durchführung der Codegenerierung Abtastzeit: 1ms



Rechter Mausklick auf Subsystem

1.

2.


SIL Erzeugung Abtastzeit: 1ms




SIL Vergleich MIL mit SIL




SIL Vergleich MIL mit SIL hier: ASA Controller




SIL Vergleich MIL mit SIL hier: SPFC Regler




SIL mit Anbindung an die Visualisierung




SIL mit Anbindung an die Visualisierung hier: Kompensationsregler




SIL mit Anbindung an die Visualisierung hier: Smith Predictor




SIL mit Anbindung an die Visualisierung hier: PFC Regler




PIL

• Signale kommen vom Top Modell

• Zu Beginn jeder Abtastperiode werden Signale vom Top Modell zu PIL

Blöcken gesendet und verarbeitet

• C Code läuft auf Hardware Target

• Non Real Time

• Hier Realisierung über ST-Link Kommunikation

• ST-Link Kommunikation langsamer als Kommunikation über serielle Schnittstelle, daher Erhöhung

der Abtastzeit auf 10ms

• Vorgehensweise SIL und PIL identisch bis auf wenige Unterschiede

• Im Folgenden wird nur noch auf die Unterschiede eingegangen




PIL explizite Unterschiede zu SIL







Deaktivieren


PIL Durchführung der Codegenerierung hier: explizite Unterschiede

• Rechter Mausklick auf das Subsystem aus dem PIL Code erzeugt werden soll

• C/C++ Code

• Deploy this Subsystem to Hardware

• Build

• alten Block löschen neuen generierten PIL Block einsetzen




PIL Vergleich MIL mit PIL hier: Kompensationsregler




PIL Vergleich MIL mit PIL hier: ASA Controller




PIL mit Anbindung an die Visualisierung hier: ASA Controller




Test

• Frühzeitiges Testen wichtig

• Teststufen

– Test der Reglerentwürfe im Bildbereich

– Test der Reglerentwürfe nach der Digitalisierung

– SIL und PIL

– Test der Reglerentwürfe am Modell




Test am Modell

Testszenario:

• Anfahren von 20° auf 120°




• Genauigkeit der Positionierung: 2°

• Geschwindigkeit der Positionierung: ca. 10 s für 350°.

24.09.2015


71


Test am Modell



Testreihe Zeit Position Auslastung

Ko

mp

.

20° → 120° 1,35 120 2,7%

120° → 20° 1,55 20 Sm

ith

20° → 120° 1,55 120 5,4%

120° → 20° 1,65 20

ASA

20° → 120° 1,50 120 3,2%

120° → 20° 1,8 20

PFC

20° → 120° ca. 2,85 119,26 13,9%

120° → 20° ca.3,2 20,91

SPFC

20° → 120° 3,3 120 8,6%

120° → 20° ca. 3,75 20,91


Ausblick

• Störgrößenbetrachtung für die einzelnen Regler

• Verwendung des Simulink HDL Coders zur Generierung von VHDL Code

und dem Einsatz eines FPGA oderASIC

• Verwendung des Simulink PLC Coders zur Generierung von strukturiertem Text

nach Norm IEC 61131 und dem Einsatz einer SPS






ENDE


Risikoanalyse AT5 Risikoanalyse

Wahrscheinlichkeit und Schweregradtabelle

Projektbezeichnung: Release Datum Revision


28.04.2015 0

wahrscheinlich relativ wahrscheinlich sehr wahrscheinlich

Wahrscheinlichkeit (X) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

weniger ernst relativ ernst sehr gravierend

Schweregrad (O) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nr. Bezeichung

1. technische Risiken X O

Schäden oder Mängel in der Umsetzung

2. personelle Risiken O X

Jobbedingter ausfall eines Kollegen.

3. finanzielle Risiken X/O

keine Risiken

4. klimatische Risiken X/O

keine Risiken

5. Zeitplan Risiken X O

6. vertragliche Risiken X/O

keine Risiken

7. rechtliche Risiken X/O

keine Risiken

7a. werksvertragliche X/O

keine Risiken

7b. kaufvertragliche X/O

keine Risiken

7c. baurechtliche X/O

keine Risiken

7d. gewerbliche X/O

keine Risiken

7e. sicherheitsrechtliche X/O

Einhaltung von Normen.

7f. emmisionsrechtliche X/O

keine Risiken

7g. arbeitsrechtliche X/O

keine Risiken




Systemmodell Ebene 1




Systemmodell Ebene 2 Antenne




Systemmodell Ebene 2 Regler




Systemanalyse a-priori Diagramm




Backup




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