Laboratoř řídicích systémů EB306

Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství Laboratoř řídicích systémů EB306 Správce: doc. Ing. Štěpán Ožana, Ph.D.

Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství

Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství

ZAMĚŘENÍ LABORATOŘE ÚVOD Laboratoř řídicích systémů je zaměřena na návrh, simulaci, realizaci a vizualizaci řídicích algoritmů určených pro lineární i nelineární dynamické systémy, přičemž je jejich činnost demonstrována na reálných fyzikálních výukových modelech. Laboratoř je primárně určena pro výuku cvičení oborových předmětů katedry z oblasti technické kybernetiky v bakalářském i navazujícím magisterském studiu, ale také je používána pro semestrální projekty, bakalářské či diplomové práce. Laboratoř se zabývá realizací číslicových řídicích systémů, tj. HW prostředků na bázi procesoru. Laboratoř je zaměřena na úzkou skupinu řídicích systémů, které je možno zařadit do kategorie SoftPLC (tj. PC doplněný o I/O periferie) podle normy IEC 61131, která se zabývá obecným programováním automatizačních prostředků. http://cbe.vsb.cz

ZAMĚŘENÍ LABORATOŘE VYMEZENÍ ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY problematika návrhu a realizace řídicích systémů moderní úrovně je komplexní, vyžaduje znalosti z teorie řízení, znalost HW i programovacích technik realizaci předchází: identifikace regulované soustavy, syntéza regulátorů, ověření v simulaci provádí se volba vhodné platformy: - technické prostředky (HW) + programové prostředky (SW) platforma pro realizaci číslicového řídicího systému vychází z konkrétního zadání a požadavků, například: - PLC, PAC, mpc, FPGA, DSP, softplc (+ příslušné SW prostředky) následuje fáze realizace navržených řídicích algoritmů do reálného prostředí http://cbe.vsb.cz

ZAMĚŘENÍ LABORATOŘE MODERNÍ PROSTŘEDKY ŘÍZENÍ moderní prostředky pro řízení: prostředky pro realizaci číslicových algoritmů odpovídající vysokým nárokům a standardům kladeným na digitální techniku a na kvalitu procesu řízení základní kritéria a nároky na moderní prostředky řídicích systémů: - spolehlivost, vysoký výkon - podpora průmyslových standardů a moderních funkcí pro komunikaci, vizualizaci dat, archivaci dat - interaktivita, modularita, otevřenost - podpora různých typů programovacích prostředků: (LD - ladder diagram, IL - instruction list, ST - structured text, a FBD - jazyk blokových funkčních schémat)

ZAMĚŘENÍ LABORATOŘE MODERNÍ PROSTŘEDKY ŘÍZENÍ další kritéria a nároky: - návaznost na vyšší vrstvy řízení (zpracování a ukládání dat, například do databáze, dále vizualizace, zabezpečení úrovní řízení) - malé rozměry odpovídající dlouhodobému trendu miniaturizace (v souladu s rozvojem a rozšířením vestavěných systémů) - robustnost, zejména při použití v průmyslu - příznivý poměr cena/výkon - podpora moderních technik pro návrh řídicích systémů, například PIL (processor-in-the-loop), HIL (hardware-in-the-loop)

KONCEPT VÝVOJE LABORATOŘE Rozvoj laboratoře je především zaměřen na sjednocení HW a SW prostředků používaných pro implementaci a vizualizaci řídicích algoritmů, konkrétně s použitím řídicího systém REX. Tento řídicí systém, využívající vlastní rozsáhlé knihovny funkčních bloků, je určen pro návrh a realizaci komplexních algoritmů automatického řízení. Jádro tohoto systému běží v reálném čase na mnoha podporovaných platformách, zejména Windows XP/Vista/7, Linux, Linux/Xenomai. Způsob realizace řídicích algoritmů je podobný prostředí Simulinku, se kterým je také kompatibilní. Softwarové nástroje řídicího systému umožňují simulaci navržených algoritmů ještě před samotnou realizací.

PREZENTACE VYBRANÉ PLATFORMY (REX) Řídicí systém REX = multiplatformní systém kategorie softplc

PREZENTACE VYBRANÉ PLATFORMY (REX) možnost řídicí algoritmy kompletně simulovat před jejich nasazením (zaručeno pomocí knihovny RexLib pro Matlab&Simulink i pro REX) podpora OPC, tj. vizualizace ve všech běžných SCADA/HMI systémech (PROMOTIC, Genesis, Labview, Indusoft, Reliance) podpora HMI a virtuálních laboratoří, tj. vzdálený přístup k zařízení a automatické generování HTML vizualizace podpora komunikace pomocí technologie WebSocket, tj. pro tvorbu HMI je možné využít přímo jádro prohlížeče včetně všech možností standardu HTML5 otevřenost systému, tj. snadné doplnění, rozšíření a přizpůsobení uživateli (nové bloky v jazyce C nebo pomocí bloku REXLANG) podpora nových I/O zařízení, podpora real-time OS

PREZENTACE VYBRANÉ PLATFORMY (REX) Vybrané podporované HW prostředky: jednodeskový počítač (SBC) Alix + I/Omoduly X20 B&R Automation kompaktní programovatelný automat typu PAC (WinPAC, XPAC) průmyslový počítač (např. MOXA) + I/O periferie počítač Raspberry Pi + I/O periferie (Arduino, Intellisys PIO, UniPi)

PREZENTACE VYBRANÉ PLATFORMY (REX) - UKÁZKA Jednodeskový počítač + I/O moduly B&R Automation, řada X20 + REX (ukázka s konkrétním fyzikálním modelem)

PREZENTACE VYBRANÉ PLATFORMY (REX) - UKÁZKA Raspberry Pi + Arduino + REX = REXduino

PREZENTACE VYBRANÉ PLATFORMY (DALŠÍ PERIFERIE) Raspberry Pi: další použitelné periferie (nové technologie - intenzivní rozvoj v r. 2014) Raspberry Pi + deska Intellisys PIO deska UniPi

VYUŽITÍ VE VÝUCE -bakalářské studium: demonstrace základních pojmů z oblasti automatického řízení a analýzy systémů -magisterské studium: syntéza a realizace regulačních obvodů metodami klasické syntézy (PID řízení) nebo metodami tzv. moderní teorie řízení (LQG, LQR, robustní řízení, adaptivní řízení, prediktivní řízení, časově a kvadraticky optimální řízení, fuzzy řízení, samonastavující se regulátory) VYUŽITÍ FYZIKÁLNÍCH VÝUKOVÝCH MODELŮ V laboratoři jsou používány fyzikální výukové modely, například lineární inverzní kyvadlo, rotační inverzní kyvadlo, magnetická levitace, vzduchová levitace, tři nádrže, kulička na rampě, kulička na plošině, míč na rotující cívce, vrtulník. K uvedeným modelům jsou k dispozici řídicí systémy, realizované s použitím moderních softwarových i hardwarových prostředků.

MÍČ NA ROTUJÍCÍM VÁLCI Tato úloha představuje složitý mechatronický nelineární systém, který se řídí pomocí experimentálně navrženého regulátor. Cílem je udržet míč ve vertikální poloze, čehož je dosaženo otáčením válce, jehož osa je spojena s hřídelí stejnosměrného motoru, jehož pohyb je ovládán regulátorem prostřednictvím výkonové jednotky. Mechanická konstrukce dále sestává z ultrazvukového senzoru, který zajišťuje zpětnou vazbu v regulačním obvodě.

VRTULNÍK Tato úloha představuje ukázku mechatronického systému se dvěma vstupy a dvěma výstupy, a cílem je regulovat pozici kokpitu v určené vertikální a horizontální poloze. Mechanická konstrukce dále sestává z těla kokpitu, které se otáčí ve vertikálním i horizontálním směru. Model je vybaven dvěma IRC snímači, které zajišťují zpětnou vazbu v regulačním obvodě. Akčním zásahem jsou PWM signály pro ovládání servomotorů hlavní a zadní vrtule.

MAGNETICKÁ LEVITACE Tato úloha představuje ukázku mechatronického systému s jedním vstupem a jedním výstupem, a cílem je regulovat pozici ocelové kuličky levitující v magnetickém poli. Mechanická konstrukce sestává z cívky a indukčního snímače, který zajišťuje zpětnou vazbu v regulačním obvodě. Akčním zásahem je hodnota proudu protékající cívkou, podle jehož hodnoty je ocelová kulička méně nebo více přitahována.

KULIČKA NA PLOŠINĚ Soustava je tvořena rovinou nakláněnou ve dvou úhlech krokovými motory dle obrázku. Na ploše je umístěn míček s velmi malým momentem setrvačnosti. Scénu snímá CCD nebo webová kamera, generovaný obraz je poté digitalizován a zpracováván. Cílem je udržet míček na zadané pozici.

TŘI NÁDRŢE Tato úloha demonstruje ukázku reálného nelineárního systému popsaného třemi nelineárními diferenciálními rovnicemi. Sestává ze tří vzájemně propojených válců. Do prvního z nich je přiváděna kapalina prostřednictvím čerpadla, které je ovládáno PWM signálem, což je v tomto případě akční zásah. Úkolem je regulovat výšku hladiny ve třetí nádrži. Zpětnou vazbu do regulačního obvodu zajišťuje laserový snímač umístěný nad třetí nádrží.

SS MOTOR S BRZDOU Tato úloha představuje složitý mechatronický systém, který se řídí pomocí experimentálně navrženého regulátoru. Cílem je udržet otáčky stejnosměrného motoru. Model tvoří hnací stejnosměrný motor, spojený kovovou spojkou s jiným stejnosměrným motorem, sloužícím jako brzda. Akčním zásahem je zde PWM signál, prostřednictvím kterého se řídí otáčky.

VZDUCHOVÁ LEVITACE Tato úloha představuje složitý mechatronický nelineární systém, který se řídí pomocí experimentálně navrženého regulátoru. Cílem je udržet levitující míč v zadané vertikální poloze, čehož je dosaženo regulací otáček stejnosměrného motoru, na jehož hřídeli je upevněn ventilátor způsobující proud vzduchu. Mechanická konstrukce dále sestává z ultrazvukového senzoru, který zajišťuje zpětnou vazbu v regulačním obvodě.

KULIČKA NA RAMPĚ Tato úloha představuje složitý mechatronický systém, který se řídí pomocí analyticky navrženého regulátor. Cílem je udržet kuličku v zadané horizontální poloze, čehož je dosaženo zvedáním ramene, po kterém se kulička pohybuje, pomocí servomotoru. Tento servomotor je ovládán prostřednictvím akční veličiny-pwm signálu. Mechanická konstrukce dále sestává z ultrazvukového senzoru, který zajišťuje zpětnou vazbu v regulačním obvodě.

LINEÁRNÍ INVERZNÍ KYVADLO Inverzní kyvadlo je klasickým problémem v teorii řízení. Jedná se o systém, který je nestabilní a nelineární. Princip inverzního kyvadla se používá například u různých robotů, navádění řízených raket nebo také u známého vozítka Segway a mnoha jiných zařízení. Princip inverzního kyvadla lze demonstrovat na tyči připevněnou přes pohyblivý kloub na vozíku, který se pohybuje pouze dvěma směry, doleva a doprava. Cílem je pomocí pohybu vozíku udržovat tyč ve vzpřímené poloze. Udržet tyč ve vztyčené poloze je bez působení vnější síly nemožné. Pokud přemístíme tyč z její spodní stabilní polohy do horní nestabilní, začne bez působení vnější síly okamžitě padat. Úkolem tedy je vytvořit řízení, které by působením síly na vozík udržovalo tyč ve vzpřímené poloze. Také je nutné, aby bylo kyvadlo odolné proti působení vnější síly (rušení) na kyvadlo. Řídicí systém musí dostatečně rychle a přesně reagovat a přes akční mechanismus působit na vozík silou tak, aby byla tyč vždy ve vzpřímené poloze.

LINEÁRNÍ INVERZNÍ KYVADLO

ROTAČNÍ INVERZNÍ KYVADLO Tato úloha demonstruje nelineární soustavu, která je po linearizaci řízena navrženým stavovým regulátorem typu LQR. Hlavním úkolem je navrhnout a realizovat regulátor a prostřednictvím řídicího systému regulovat rotační invertní kyvadlo do vertikální polohy vůči zemi.

ZÁVĚR ze široké množiny prostředků pro realizaci řídicích systémů je laboratoř orientována na kategorii moderních softplc systémů zdůraznění vlastností vybrané platformy: malé rozměry, tvorba řídicích schémat pomocí funkčních bloků (analogie Simulinku), automatické generování HTML vizualizace, cenová dostupnost, použití nejen pro regulační úlohy, ale i pro systémy určené pro sběr a zpracování dat prezentované moderní prostředky pro realizaci číslicových řídicích systémů jsou používány a rozvíjeny v rámci přímé i nepřímé výuky, i v rámci projektů, např. projekt Vývoj automatických parkovacích systémů (2013): aplikace metody PIL na ADC VŠB-TUO