TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Nastavení a ovládání Real-Time Toolboxu (v. 4.0.1) při práci s laboratorními úlohami Návod na cvičení Lukáš Hubka Liberec 2010 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

1 Základní bloky Pro komunikaci MatLab/Simulinku s měřicí kartou je v předmětech zajišťovaných Ústavem řízení systémů a spolehlivosti používán Real-Time Toolbox ve verzi 4.0.1. Real-Time Toolbox je samostatná knihovna funkcí (obr. 1), která rozšiřuje možnosti Simulinku při komunikaci s měřicími kartami. V našem případě jsou všechny PC (tedy všechny laboratorní úlohy) osazeny multifunkční kartou Adventech PCI-1711. Karta má jak digitální vstupní a výstupní porty a její maximální vzorkovací frekvence značně převyšuje nároky kterékoli z úloh. Obr. 1: Real-Time Toolbox knihovna v Simulinku 2

Součástí knihovny je několik bloků, které slouží pro ovládání jednotlivých typů signálů (analogové/digitální, vstupy/vstupy, ). Pro ovládání laboratorních úloh postačují tyto bloky: Adapter RT In RT Out 1.1 Adapter Blok Adapter je základním prvkem pro komunikaci s multifunkční měřicí kartou. Před jeho použitím v modelu je nezbytná jeho inicializace pro konkrétní měřicí kartu, tedy Adventech PCI-1711. Výběr karty se provede, po umístění bloku na plochu modelu, dvojklikem na ikonu prostřednictvím standardního dialogu Otevřít a vybráním souboru PCI-1711.rtd. Po úspěšné inicializaci bloku se změní jméno bloku (obr. 2b). Obr. 2: Blok Adapter před (a) a po (b) inicializaci Doporučujeme jako první krok při vytváření simulačního modelu, který bude spolupracovat s multifunkční měřicí kartou, umístit na plochu blok Adapter a provést jeho inicializaci! Tím se zajistí, že ostatní bloky pro práci s kartou budou schopny bezpečně blok adapteru najít, nastavit a použít. Na plochu každého simulačního modelu umístěte pouze jeden blok, PC mají pouze jednu multifunkční měřicí kartu. 1.2 Čtení z analogových vstupů blok RT In Analogové vstupy karty se ovládají blokem RT In (obr. 3b). Každý port, každý analogový vstup, se ovládá vlastním blokem. Karta PCI-1711 disponuje šestnácti analogovými vstupy a je tedy možno umístit na plochu až 16 bloků 1 RT In pro nezávislé čtení z každého analogového vstupu. Obr. 3: Bloky pro práci s analogovými výstupy RT Out (a) a vstupy RT In (b) 1 Ve skutečnosti je možné umístit na plochu libovolné množství těchto bloků, ale víc jak 16 ztrácí smysl. Simulink žádnou kontrolu množství bloků neobsahuje. 3

Po otevření bloku (dvojklik) se rozkryje okno pro konkrétní nastavení možností bloku (obr. 4). Jsou zde obsaženy dvě záložky, General a Advanced. Obr. 4: Okno pro nastavení bloku RT In, záložka General Obr. 5: Okno pro nastavení bloku RT In, záložka Advanced 4

1.2.1 Záložka General Obsahem záložky General je několik editovatelných textových polí a několik vybíracích nabídek. Nastavují se zde ty nejdůležitější parametry pro správnou komunikaci s kartou. Sample time nastavení periody vzorkování. Vstupem je číselný parametr velikosti vzorkovací periody v sekundách. Ze zkušeností je známé, že minimální vzorkovací perioda, se kterou je možné při stávající HW a SW konfiguraci počítačů v laboratoři pracovat je 0,01 s. V případě krátkodobé simulace a opatrného zacházení s Windows (nepřepínání mezi okny, ) je možné použít i vzorkovací periodu až do 0,001 s. Vzhledem k rychlosti úloh v laboratoři a cílům, pro které se měřicí karta používá je dostatečně přesné měření už pro vzorkovací periody 0,01 s. DAQ Adapter komunikační adaptér s kartou. Výběrem se vybere vhodný adaptér ze seznamu. V laboratorních PC je v každé PC pouze jedna měřicí karta, a proto se na plochu umisťuje pouze jeden blok Adapter. Nabídka tohoto pole tedy obsahuje pouze tento jeden aktuální Adapter. Input type typ vstupního signálu. Blok RT In je univerzálním blokem a dá se použít pro čtení z analogových i digitálních vstupů, případně pro čítač. V laboratoři je u všech úloh využíváno pouze analogových vstupů, proto volte nastavení Analog Input. Input channels číslo vstupního kanálu. Doporučujeme pro každý vstupní signál použít vlastní blok RT In. Číslování vstupů je od 1. V laboratoři je u všech úloh použit kanál 1 jako primární, pokud má úloha více vstupů (více měřených veličin), pak je zapojen i druhý kanál. Konkrétní nastavení čísla vstupu je u popisu každé úlohy. Input range rozsah vstupů. Karty obsahují 12-ti bitový převodník a umožňují měnit zesílení při čtení signálů. Rozsah je vždy symetrický podle 0 (stejný rozsah do kladných i záporných napětí). Maximální napětí jsou 0,625 V, 1,25 V, 2,5 V, 5 V a 10 V. U majoritní většiny laboratorních úloh se využije maximální rozsah 10 V ( -10 to 10 V ). Konkrétní nastavení je opět součástí popisu každé laboratorní úlohy. Output units jednotky, ve kterých se pracuje. Vzhledem k univerzálnosti bloku je možné volit jak volty pro měření napětí (analogové vstupy), tak nastavení pro digitální vstupy (bipolární či unipolární). Vyberte Volty! 1.2.2 Záložka Advanced Záložka Advanced nemá mnoho editovatelných položek (obr. 5). Output data type datový typ vstupu. Při standardní konfiguraci neaktivní. Maximum ticks missed maximální počet ztracených vzorků. Při měření na PC v reálném čase se může stát, že některý vzorek nemůže být v daném okamžiku přečten, protože karta nedostane přerušení, třeba z důvodu aktuální činnosti procesu systému s vyšší prioritou. Tímto parametrem se nastavuje, kolik vzorků jste ochotni při měření ztratit. Pokud počet ztracených vzorků překročí nastavenou mez, je simulace zastavena s chybovou hláškou. Doporučujeme nastavit parametr na cca 10000 a při práci s měřicí kartou omezit další práci s PC (zejména přepínání mezi okny, změna jejich velikostí, ) 5

Show missed ticks port checkbox pro rozšíření bloku o další port s informací o ztracených vzorcích. Doporučujeme nechat ve výchozím stavu nezatrženo. Yield CPU when waiting checkbox pro HW ovládání vytížení procesoru. Doporučujeme ponechat ve výchozím nastavení zatrženo. Záložka Advanced je téměř stejná pro bloky RT In i RT Out. 1.3 Zápis na analogové výstupy blok RT Out Analogové výstupy karty se ovládají blokem RT Out (obr. 3a). Každý port, každý analogový výstup, se ovládá vlastním blokem. Karta PCI-1711 disponuje dvěma analogovými výstupy a je tedy možno umístit na plochu až 2 bloky 1 RT Out pro nezávislý zápis na každý analogový výstup. Po otevření bloku (dvojklik) se rozkryje okno pro konkrétní nastavení možností bloku (obr. 4). Jsou zde obsaženy opět dvě záložky, General a Advanced. Obr. 6: Okno pro nastavení bloku RT Out, záložka General Záložka Advanced, jak již bylo zmíněno, je shodná se stejnou záložkou bloku RT In a nebude již znovu popisována. Záložka General opět obsahuje základní parametry komunikace s kartou. Sample time perioda vzorkování. Stejný význam i stejná doporučení jako u bloku RT In. Důrazně doporučujeme zachovat velikost periody vzorkování u všech analogových vstupů, analogových výstupů i případném zápisu do souboru stejnou! Výrazně se tím zjednoduší další práce s daty v MatLabu! 6

DAQ Adapter komunikační adapter s kartou. Opět stejná funkce a nastavení jako u bloku RT In Output type typ výstupního signálu. Blok je opět univerzální a může být použit jak pro analogové, tak digitální výstupy. Nastavte Analog Output Output channels číslo výstupního kanálu. Karta PCI-1711 má dva analogové výstupy, u všech úloh je použit kanál 1, jako primární. Pokud má úloha více výstupů, je zapojen i druhý. Konkrétní nastavení je obsahem dokumentace ke každé úloze. Initial output value výchozí velikost výstupu. Doporučujeme změnit původní nastavení na 0! Tato hodnota je zapsána na výstup při startu simulace. Hodnota 0 značí, že při spuštění simulace bude úloha v klidu, na výstupu je nulové napětí. Final output value konečná velikost výstupu. Opět doporučujeme změnit původní nastavení na 0! Tato hodnota je zapsána na výstup po skončení simulace a hodnota 0 zajistí, že se úloha uvede zpět do klidového stavu. Output range rozsah výstupu. Pro analogové výstupy je možno volit rozsahy 0 V až 5 V nebo 0 V až 10 V. Téměř všechny úlohy pracují v rozsahu 0 až 10 V, konkrétní nastavení je součástí dokumentace ke každé úloze. Input units jednotky, ve kterých se pracuje. PU úloh se pracuje se standardním napětím, vyberte Volty! 2 Použitelné zapojení Jedno ze základních použitelných zapojení pro práci s laboratorní úlohou je na obr. 7. Strana zpracování vstupů ( RT In ) je celkem samozřejmá. Přes blok Mux se spojí všechny sledované signály a zapojí se na Scope a případně To File. U bloku To File je nezbytné nastavit periodu vzorkování shodnou s periodou vzorkování u bloků RT In a RT Out. U bloku Scope je výhodné zrušit omezení na maximální počet zobrazovaných vzorků, případně přednastavit rozsah na vertikální ose (přes pravé tlačítko myši). Strana zpracování a definování výstupů ( RT Out ) skýtá více možností, jak úlohu ovládat. Způsob zapojení úzce souvisí s cíly měření a schopnostmi uživatele. Zapojení na obr. 7 je univerzální, použitelné při měření statických vlastností i dynamických vlastností (měření pro identifikaci). Na svorku bloku RT Out se přivádí signál z konstanty 1 zesílený na bloku Slider Gain. Blok Slider Gain (obr. 8) je blok proměnného zesílení a je možné s ním pracovat, měnit jej, i během simulace. Nastaví se zde nejnižší a nejvyšší povolená hodnota a hodnota aktuálního zesílení. Ovládání je pak možné buď myší tahem za jezdec A (zcela volná změna zesílení), kliknutím do prázdného prostoru za jezdcem B (definovaný větší skok 1/10 rozsahu), kliknutím na krajní šipku C (definovaný malý skok 1/100 rozsahu) nebo přímým zadáním velikosti zesílení D. Velikost 10 odpovídá maximálnímu výstupnímu napětí, které se na kartě používá. Při práci s rozsahem do 5 V bude maximum 5. Další možností je zapojit na vstup sadu několika bloků Step (obr. 9c), které budou vytvářet skokovou funkci, podle vašeho zadání. Tímto blokem můžete definovat funkci se skokovými změnami signálu, přičemž změny jsou v definovaných časech libovolně od sebe vzdálených. Blok Repeating Sequence Stair (obr. 9a) funguje jako sada několika spojených bloků Step s tím rozdílem, že čas mezi dvěma skokovými změnami je konstantní a pevně daný parametrem Sample Time (obr. 10a). Parametrem Vector of input values se nastavuje 7

velikost výstupu pro jednotlivé skoky. Průběh pro aktuální zadání z obr. 10a je vidět jako symbol na ikoně bloku v obr. 9a. Po uplynutí doby všech skoků se opakuje sekvence opět od počátečního skoku. O něco více univerzální je blok Repeating Sequence (obr. 9b), který umožňuje nadefinovat jednotlivé zlomové body křivky výstupního signálu. Je tak možné definovat nejen skokové změny v libovolných časových okamžicích, ale i rampové průběhy. Nastavení bloku se provádí pomocí parametrů Time values a Output values (obr. 10b). V těchto parametrech se definují časové okamžiky zlomu a velikost výstupu v tomto čase. Pokud chceme definovat skokovou změnu, je nezbytné zadat dvakrát stejný čas a pro tyto časy dvě různé velikosti výstupu. Po uplynutí času všech skoků se opakuje průběh signálu od počátku. Při obecném použití je samozřejmě možné připojit jak signály z RT In, tak signál do RT Out na libovolné místo simulačního schématu, kde je vhodný požadovaný signál pro komunikaci s úlohou. Obr. 7: Základní zapojení pro ovládání vstupů a výstupů Obr. 8: Blok Slider Gain Obr. 9: Možnosti vstupů 8

Obr. 10: Nastavení bloku Repeating Sequence Stair (a) a Repeating Sequence (b) Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měřen. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně. 9