Metoda Model-Based Design pro návrh a realizaci řídicích systémů

Transkript

1 Metoda Model-Based Design pro návrh a realizaci řídicích systémů Jan Daněk danek@humusoft.cz info@humusoft.cz 1 HUMUSOFT s.r.o.

2 Obsah Představení společnosti Role řídicích systémů při vývoji produktů Model-Based Design Příklady Využití MBD v rámci organizace 2 HUMUSOFT s.r.o.

3 HUMUSOFT s.r.o. Založeno v r. 1990, sídlo v Praze Produkty a služby v oblasti technických výpočtů, řídicí techniky, simulace dynamických systémů MATLAB, Simulink, Stateflow Inženýrské výpočty, simulace dynamických systémů The MathWorks, Inc. dspace - vývojové systémy dspace GmbH. Comsol Multiphysics Otevřený systém pro multifyzikální analýzu (metoda konečných prvků) Comsol AB Vývoj vlastního software & hardware Simulink 3D Animation, Real-Time Windows Target Měřicí karty Modely pro výuku teorie řízení Paralelní pracovní stanice HeavyHorse Multiprocesorové stanice pro High-Performance Computing 3 HUMUSOFT s.r.o.

4 MATLAB Integrované prostředí pro vědeckotechnické výpočty Grafické a výpočetní nástroje Intuitivní uživatelské rozhraní MATLAB Desktop Rychlé výpočetní jádro Programovací jazyk 4. Generace více než funkcí objektově orientované programování Grafická uživatelská rozhraní (GUI) Rozsáhlá HTML nápověda prohlížeč funkcí Systém MATLAB je: modulární toolboxy otevřený uživatel může zobrazit i upravovat funkce 4 HUMUSOFT s.r.o.

5 Simulink Nadstavba MATLABu Modelování, simulace a analýza dynamických systémů Analýza Multi-Domain systémů Prostředí blokových schémat předdefinované knihovny bloků systém práce drag and drop tvorba vlastních funkčních bloků Prvky pro tvorbu algebraických a diferenciálních rovnic Otevřené rozhraní pro tvorbu aplikací začlenění kódu z programů MATLAB, C, Fortran Platforma pro Model Based Design následně může být automaticky generován kód pro cílovou platformu 5 HUMUSOFT s.r.o.

6 Simulink Vhodný k modelování a analýze regulátoru i řízené soustavy Umožňuje tvorbu rozsáhlých a přesných modelů Linearizace modelů s cílem využití metod klasické řídicí techniky u + s1 s2 s3 Actuators System Controller Plant A x + B u = 0 Sensors y Sledování chování celého systému Optimalizace systémů Root Locus Bode Plot Real Axis Frequency 6 HUMUSOFT s.r.o.

7 Stroje a zařízení jsou stále sofistikovanější Požadavky zákazníků, předpisy, provozní náklady, využití komplexních vestavěných řídicích systémů 7 HUMUSOFT s.r.o.

8 Tradiční vývojový proces VÝZKUM POŽADAVKY SPECIFIKACE Dokumenty s požadavky Náročné na analýzu Složité sledování změn NÁVRH Specifikace v papírové podobě Možnost chyb při interpretaci Problematická integrace s návrhem EDA Electrické komponenty Návrh Algoritmů Vestavěné algoritmy MCAD/ MCAE Mechanické komponenty Fyzické prototypy Drahé, nekompletní Nemožnost rychlých iterací Nemožnost testování celého systému IMPLEMENTACE Manuální kódování Časově náročné Náchylné k chybám a nekonzistencím Složité opakované využití C/C++ Vestavěný Software Tradiční testování Chyby v návrhu odhaleny pozdě Složité využití výsledků testování v návrhové části procesu Obtížná sledovatelnost požadavků INTEGRACE A TESTY 8 HUMUSOFT s.r.o.

9 Pozdě odhalené chyby jsou nákladnější Relativní Relative náklady Cost na to odstranění Fix Defects chyb per dle Phase fáze jejich Foundodhalení Requirements Design Code Test Requirements Design Code Phase Found Test Test Code Design Requirements Vývojáři neporozuměli řešenému problému. Vývojáři porozuměli problému, ale řešení nefunguje. Relative Cost to Fix Řešení funguje, ale vyskytly se chyby v implementaci. Zdroj: Návratnost investic pro nezávislou verifikaci a validaci, NASA, HUMUSOFT s.r.o.

10 Model-Based Design Systematické využití simulačních modelů během celého vývojového cyklu VÝZKUM NÁVRH POŽADAVKY Predikce chování systému v raných stadiích projektu Modely prostředí Mechanické Hydraulika Elektrické Vyšší úroveň řízení Řídicí Algoritmy IMPLEMENTACE C, C++ VHDL, Verilog Struktur. text MCU DSP FPGA ASIC PLC TESTY & VERIFIKACE Možnost vývoje i velmi složitých systémů Zkrácení doby mezi iteracemi Rychlá implementace s využitím automatického generování kódu pro různécílovéhw platformy Testování řídicích algoritmů na virtuálním modelu plánované soustavy INTEGRACE 10 HUMUSOFT s.r.o.

11 Model-Based Design VÝZKUM POŽADAVKY NÁVRH Modely prostředí Mechanické Hydraulika Vyšší úroveň řízení Řídicí Algoritmy IMPLEMENTACE Elektrické TESTY & VERIFIKACE C, C++ VHDL, Verilog Strukturovaný text MCU DSP FPGA ASIC PLC INTEGRACE 11 HUMUSOFT s.r.o.

12 Výzkum Import/ Export Dat Přímý Import/Export dat s použitím standardních formátů souborů Online sběr dat s použitím standardních I/O a komunikačních rozhraní (CAN, RS232, UDP, DAQ karty, ) Analýza a zpracování dat Pokročilé nástroje pro analýzu dat (Statistika, Aproximace, Optimalizace, Strojové učení, Identifikace systémů, ) Vývoj algoritmů Rozsáhlá knihovna matematických funkcí Vizualizační nástroje Tvorba samostatných aplikací Škálovatelnost výkonu s použitím paralelních výpočtů 12 HUMUSOFT s.r.o.

13 Model-Based Design VÝZKUM POŽADAVKY NÁVRH Modely prostředí Mechanické Hydraulika Vyšší úroveň řízení Řídicí Algoritmy IMPLEMENTACE Elektrické TESTY & VERIFIKACE C, C++ VHDL, Verilog Strukturovaný text MCU DSP FPGA ASIC PLC INTEGRACE 13 HUMUSOFT s.r.o.

14 Včasná verifikace konceptů s použitím Simulace Predikce dynamického chování systému s použitím Simulace Méně fyzických prototypů Modely jak systému samotného, tak prostředí Použití výsledků simulace pro návrh systému Studie typu what / if Zkrácení iteračních cyklů Nápad Jednoduchý model Podrobný model 14 HUMUSOFT s.r.o.

15 Intuitivní modelování dynamických systémů Různé metody modelování systémů s využitím jednotné platformy Simulink Simulink (blokový diagram) Schematické modelování fyzikálních soustav (SimScape) Modelování událostmi řízených systémů (vývojový diagram, stavový diagram,...) - Stateflow MATLAB (Textový popis) 15 HUMUSOFT s.r.o.

16 Modelování fyzikálních systémů Simscape SimPowerSystems Výkonová elektronika Obecné fyzikální systémy SimMechanics SimHydraulics SimDriveline Hydraulické systémy SimElectronics Mechanické soustavy Pohony Elektronika 16 HUMUSOFT s.r.o.

17 Intuitivní modelování dynamických systémů Různé reprezentace modelů, včetně virtuální reality 17 HUMUSOFT s.r.o.

18 Experimentální identifikace Kalibrace modelů s použitím naměřených dat Kalibrace matematického modelu Odhad parametrů systému Identifikace systémů typu Black Box Systémy, které je obtížné modelovat metodami matematického modelování 18 HUMUSOFT s.r.o.

19 Integrovaný návrh řídicích systémů Návrh regulátorů pro spojité systémy Opakované využití modelů model použitý pro identifikaci soustavy lze využít při návrhu regulátoru Interaktivní nástroje pro návrh řídicích systémů Analýza v časové i frekvenční oblasti Návrh robustního řízení u složitých systémů s neurčitostmi Detekce pracovních bodů Návrh řídicích systémů Linearizace 19 HUMUSOFT s.r.o.

20 Optimalizace Optimalizace řídicích systémů Definice požadavků na odezvu systému v časové oblasti (přechodová charakteristika) ve frekvenční oblasti (Bodeho diagram) Možnost zohlednění neurčitostí parametrů Optimalizace může zahrnout i parametry systému Optimalizace celého systému Další požadavky na provoz systému f 11 Height: h (x2) 10 9 c feasible region ceq Příklad: Minimalizace spotřeby energie Diameter: d (x1) 20 HUMUSOFT s.r.o.

21 Zpracování signálů Analýza, vizualizace, modelování algoritmů V časové i frekvenční oblasti Spektrální analýza, filtrace, modulace, demodulace Zpracování s využitím rámců Návrh číslicových filtrů Podpora počítání v pevné řádové čárce Nástroje pro Data Acquisition Statistické zpracování signálu 21 HUMUSOFT s.r.o.

22 Zpracování videa a obrazu Získávání videa a obrazu Přímé snímání z kamer a frame grabberů Podpora nejrůznějších formátů, režimu nahrávání a kamer Zpracování videa a obrazu Segmentace, klasifikace, detekce objektů, stereovize, rekonstrukce 3D scén,... Sledování pohybujících se objektů, identifikace prvků scény Vylepšování obrazu (filtrace, odstranění šumu, pohybu, ) Podpora implementace na různých HW platformách (FPGA,...) 22 HUMUSOFT s.r.o.

23 Model-Based Design VÝZKUM POŽADAVKY NÁVRH Modely prostředí Mechanické Hydraulika Vyšší úroveň řízení Řídicí Algoritmy IMPLEMENTACE Elektrické TESTY & VERIFIKACE C, C++ VHDL, Verilog Strukturovaný text MCU DSP FPGA ASIC PLC INTEGRACE 23 HUMUSOFT s.r.o.

24 Verifikace chování systémů v reálném čase Rapid Prototyping Verifikace řídicích algoritmů na prototypových HW platformách Podpora průmyslových standardů a sběrnic Simulace Hardware-in-the-Loop Generování kódu z modelů soustav modelovaných v Simulinku, Stateflow, embedded MATLAB nebo nástrojů pro fyzikální modelování Spuštění modelů v reálném čase simulátory Verifikace chování prototypu řídicí jednotky s modelem soustavy 24 HUMUSOFT s.r.o.

25 Automatické generování kódu Generování kódu pro nejrůznější cílové platformy: C/C++, HDL, kódu pro PLC Integrovaná podpora pevné řádové čárky Automatické škálování Integrace kódu získaného Mimo MBD Generovaný kód čitelný člověkem (platí i pro HDL) Software Elektronika C, C++ IEC Struct.Text VHDL, Verilog MCU DSP PLC FPGA ASIC Vývoj systémů nezávislý na cílové platformě Unikátní vlastnost řešení firmy MathWorks Umožňuje rozhodnutí o cílové platformě v pravý čas Podpora i nejnovějších zařízení (Xilinx Zynq apod.) Integrace s rozšířenými vývojovými prostředími Snadná implementace na standardních platformách Využití Generování produkčního kódu Samozřejmostí je produkční kvalita kódu Simulace Software-in-the-Loop Simulace Processor-in-the-Loop 25 HUMUSOFT s.r.o.

26 Produkty pro generování kódu ANSI-C vestavěné procesory MATLAB Coder Simulink Coder Embedded Coder HDL - FPGA / ASIC HDL Coder HDL Verifier PLC Simulink PLC Coder Jednoduché MCU Arduino, BeagleBoard, Raspberry Pi,... LEGO Mindstorms Simulink Support Packages 26 HUMUSOFT s.r.o.

27 Model-Based Design VÝZKUM POŽADAVKY NÁVRH Modely prostředí Mechanické Hydraulika Vyšší úroveň řízení Řídicí Algoritmy IMPLEMENTACE Elektrické TESTY & VERIFIKACE C, C++ VHDL, Verilog Strukturovaný text MCU DSP FPGA ASIC PLC INTEGRACE 27 HUMUSOFT s.r.o.

28 Transparentní, dokumentovaný vývojový proces Model jako základní reference Jednoznačnost Specifikace rozhraní Propojení požadavků s prvky modelů a dále s generovaným kódem Sledovatelnost Obousměrné propojení Odkazy na požadavky snadno dohledatelné v modelu i kódu (komentáře) Kontrola verzí Model Specifikace požadavků C-kód TESTY & VERIFIKACE Automatické generování reportů Dokumentování samotného modelu i výsledků simulace Preddefinované šablony reportů Různé formáty XML, PDF, HTML, RTF, HUMUSOFT s.r.o.

29 Verifikace, Validace, Certifikace Ověřování shody s normami Automatické kontroly Sady pravidel pro IEC 61508, DO-178B/C, MAAB, DO-254 Podpora uživatelem definovaných kontrol Automatizované testy Využití testů při testování modelu, Real-Time vývojového prostředí i finálního produktu Analýza pokrytí: Jsou všechny možné větve pokryty testy? Automatické generování testů 100% pokrytí Uživatelská kritéria Detekce nedostupných větví Formální analýza kódu Polyspace Code Prover, Bug Finder Ověřování vlastností Ověření, že návrh splňuje funkční požadavky Rychlé odhalení neshod Certifikace správného chování TESTY & VERIFIKACE 29 HUMUSOFT s.r.o.

30 DO-331 Software Life Cycle Validate Requirements Trace Modeling Verify Models Conformance Validate Verify Trace Develop Trace DO Qualification Kit Generate codes Compile & Build C code EOC Conformance Verify Verify Verify 30 HUMUSOFT s.r.o.

31 MathWorks Tool Chain DO 331 xpc Target TM Simulink Coder TM Simulink Stateflow Simulink Design Verifier TM Requirements Simulink Simulink Design Verifier TM Simulink Validation Verification TM (RMI) Stateflow Simulink Validation Verification TM (MC) Embedded Coder TM (PIL) SystemTest TM Simulink Report Generator TM (SDD) Models Simulink Validation Verification TM (MA) Polyspace ( RTE) Code coverage Simulink Code Inspector TM Validate Verify Trace Develop DO Qualification Kit Compile & Build Embedded Coder TM C code EOC Polyspace (MISRA, RTE) Simulink Code Inspector TM Embedded Coder TM (PIL) SystemTest TM Polyspace ( RTE) Abbreviations DV: Simulink Design Verifier MA: Model Advisor MC: Model Coverage RMI: Requirements Management Interface RTE: Run-Time Error PIL: Processor-in-the-Loop 31 SDD: System HUMUSOFT Design Descriptions.r.o. VV: Verification and Validation

32 MathWorks Tool Chain DO 254 xpc Target TM HDL Coder TM Simulink Stateflow Simulink Design Verifier TM Requirements Simulink Validation Verification TM (RMI) Simulink Stateflow Simulink Design Verifier TM Simulink Validation Verification TM (MC) Simulink Report Generator TM (SDD) Simulink Validation Verification TM (MA) Models SystemTest TM HDL Verifier TM (FIL) HDL Coder TM (Trace Report) HDL Coder TM HDL code HDL Verifier TM (CS) HDL Simulator SystemTest TM HDL Verifier TM (FIL) Validate Verify Trace Develop DO Qualification Kit Synthesis Place & Route Net-List Hardware SystemTest TM HDL Verifier TM Abbreviations CS: Cosimulation DV: Simulink Design Verifier FIL: FPGA-in-the-Loop MA: Model Advisor MC: Model Coverage RMI: Requirements Management Interface SDD: System Design Description 32 VV: Verification HUMUSOFT and Validation s.r.o.

33 Model-Based Design VÝZKUM POŽADAVKY NÁVRH Modely prostředí Mechanické Hydraulika Vyšší úroveň řízení Řídicí Algoritmy IMPLEMENTACE Elektrické TESTY & VERIFIKACE C, C++ VHDL, Verilog Strukturovaný text MCU DSP FPGA ASIC PLC INTEGRACE 33 HUMUSOFT s.r.o.

34 Model-Based Design Poskytuje CAE řešení pro vývoj multi-domain systémů Využívá simulační modely jako základní prostředek matematického popisu chování složitých systémů a zařízení i jako prostředek spolupráce v rámci týmů a zajištění dokumentované kvality procesu Umožňuje při vývoji zohlednit mnoho kritérií, aby mohl výrobek co nejlépe odpovídat zadaným požadavkům Umožňuje včasnou detekci chyb ještě ve fázi simulace (opravy chyb odhalených později ve fázi fyzických prototypů jsou náročnější na sledování a dražší) 34 HUMUSOFT s.r.o.

35 Model-Based Design: Přínosy Náklady Čas Minimalizace potřeby fyzických prototypů Minimalizace přepracování Usnadnění opakovaného využití algoritmů a řídicích systémů Zkrácení doby vývoje produktů Efektivnějsí týmová spolupráce Výkonnost Metoda aplikovatelná i na velmi rozsáhlé systémy, kde ruční programování již není efektivní Podpora inovací Zvýšení kvality 35 HUMUSOFT s.r.o.

36 Příklady 36 HUMUSOFT s.r.o.

37 Alstom Generates Production Code for Safety-Critical Power Converter Control Systems Challenge To design and implement real-time power conversion and control systems for trams, metros, and railways Solution Use MathWorks tools for Model-Based Design to design, simulate, and automatically generate production code for safety-critical transportation systems Results Development time cut by 50% Defect-free, safety-critical code generated and certified Common language established Pendolino tilting train. When Alstom delivered a Pendolino train to Czech Railways, the railway application was the first with automatically generated code to receive TUV certification. Han Geerligs Alstom Link to user story 37 HUMUSOFT s.r.o.

38 Bell Helicopter Develops the First Civilian Tiltrotor, Using Model-Based Design Challenge To design and build the BA609, the first and fastest commercially available tiltrotor aircraft in the world Solution Use Model-Based Design with MATLAB, Simulink, and Real-Time Workshop software to model, simulate, test, and verify designs Results Full collaboration with suppliers via Simulink models Flight control system code generated automatically from models 40% improvement in design and development time Flawless first flight, which went exactly like the simulation Link to technical article The BA609, flying in airplane mode. "Simulations and a rapid, iterative approach enabled us to minimize the unknowns and ensure that we had established enough margin that when we ran into a surprise we could continue to have a safe flight test program and run it with unprecedented efficiency. David King Bell Helicopter 38 HUMUSOFT s.r.o.

39 Flying-Cam Develops Autonomous Mini-Helicopter Controller with MathWorks Tools Challenge To develop an autonomous helicopter control to support aerial camera shots in the film industry Solution Use MathWorks tools to design a complete control system, automatically generate code, and run hardware-in-the-loop simulations Results Development time reduced Real-time controller implemented without errors Learning curve eliminated Flying-Cam s autonomous mini-helicopter capturing footage from a Formula 1 test run. With MathWorks tools, I know that if the helicopter is working on my laptop, then the real-time implementation will work, too. Marco La Civita Flying-Cam Link to user story 39 HUMUSOFT s.r.o.

40 Design Times at Honeywell Cut by 60% Challenge To update a flight control system while reducing development time and costs Solution Use design tools from The MathWorks to enable one team to design, model, and simulate the flight-control laws and automatically generate flight-ready code Results A five-to-one improvement in productivity Highly accurate, reusable code A superior product [Using Simulink and Real-Time Workshop ] we found we could do in half a day what previously took a week or more It is pretty easy to see at least five-to-one improvement over the way we used to work. Wayne King Honeywell Commercial Aviation Systems Link to user story 40 HUMUSOFT s.r.o.

41 Hyundai Uses Model-Based Design with MathWorks and SimuQuest Tools to Accelerate ECU Development Challenge To improve the development process for modern engine control units Solution Use MathWorks and SimuQuest tools to model, simulate, prototype, and deploy the system by automatically generating code for production hardware Results Vehicle started and idled smoothly on first attempt Prototype control functions implemented and tested within just a few hours Research, development, and production unified Link to user story Applying Model-Based Design to a production ECU target. Model-Based Design with MathWorks and SimuQuest tools enables dramatic reductions in development time and cost, as well as seamless integration between research, development, and production. Dr. Seungbum Park Hyundai Motor Company 41 HUMUSOFT s.r.o.

42 NASA s X43-A Scramjet Achieves Record- Breaking Mach 10 Speed Using MathWorks Tools for Model-Based Design Challenge To design and automatically generate flight control software for a scramjet vehicle traveling at Mach 10 speed Solution Use Simulink to model and validate control systems, Real-Time Workshop to automatically generate flight code, and MATLAB to process and analyze postflight data Results Reduced development time by months Accurately predicted separation clearance Aided in achieving SEI CMM Level 5 process rating Link to user story X43-A on its record-setting flight. Our autopilot worked on the first try, which is amazing given that a vehicle like this had never been flown before. MathWorks tools helped us design and implement control systems that kept the vehicle stable throughout the flight. Dave Bose Analytical Mechanics Associates 42 HUMUSOFT s.r.o.

43 Wärtsilä Automates Production Code Generation for Large Industrial Embedded Systems Challenge To develop embedded controls for large diesel and gas engines that lower emissions and increase performance and reliability Solution Use MathWorks tools for Model-Based Design to design, test, and automatically generate embedded code for innovative controller algorithms Results Reusable models 20% faster code % increase in productivity Wärtsilä engine. Modern control features are notoriously problematic to develop and often involve extensive engine testing. Simulink and Real-Time Workshop Embedded Coder let us design and optimize the features early in our process, saving a large amount of costly engine tests. Johan Pensar Wärtsilä Link to user story 43 HUMUSOFT s.r.o.

44 Model-Based Design v rámci organizace 44 HUMUSOFT s.r.o.

45 Zdroje informací domovská stránka firmy Humusoft s.r.o. domovská stránka firmy The MathWorks, Inc. domovská stránka firmy dspace GmbH. 45 HUMUSOFT s.r.o.

46 Děkuji za pozornost 46 HUMUSOFT s.r.o.