XXX. ASR '005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 9, 005 6 he Optimization of Modules for M68HC08 Optimalizace modulů pro M68HC08 DOLEŽEL, Petr & VAŠEK, Vladimír Ing., Univerzita omáše Bati ve Zlíně, Nad stráněmi 45, Zlín, Česká republika dolezel@ft.utb.cz prof. Ing. CSc., vasek@ft.utb.cz Abstrakt: Cílem této práce bylo ověření převodu programových modulů určených pro mikropočítače Motorola řady HC do nových modulů pro řadu HC08. Pro tento účel byly vybrány moduly pro průběžnou identifikaci a pro syntézu regulátoru metodou inverze dynamiky. yto moduly byly odzkoušeny na mikropočítači 68HC908P3 při regulaci teploty. Klíčová slova: HC08, adaptivní řízení, průběžná identifikace, inverze dynamiky Úvod V dnešní době se stále častěji využívají jednočipové mikropočítače pro řízení technologických procesů. Nízká cena a vysoký výkon jsou velkou předností těchto zařízení. Aplikace pro tyto mikropočítače lze dnes psát jak v tradičním assembleru, tak i v jazyce C. Aby bylo programování jednodušší, je vhodné vytvořit určité moduly, které lze do výsledné aplikace jednoduše přidat a programátor nemusí mít znalosti o funkcích a složitých algoritmech. Proto se na našem pracovišti začal vyvíjet knihovna modulů, které mají ulehčit práci programátora (Dolinay, 00). en již nemusí znát přesný výpočet vlastností regulátoru a může využít jeden z dostupných modulů. Stačí mu tedy jen základní znalosti a popis této knihovny. Knihovna obsahuje řadu modulů určených pro adaptivní řízení technologických procesů. ato práce je zaměřena na konverzi existujících modulů pro adaptivní řízení do jiné řady mikropočítačů. Konverze modulů z jedné řady do druhé je součástí grantu poskytnutého ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy. Cílem tohoto projektu je vytvoření nových modulů zaměřených na moderní metody automatického řízení pro osmibitové mikropočítače M68HC a M68HC08. ato práce je jen dílčí částí tohoto projektu a má za úkol zajistit kompatibilitu starších a nově vytvořených modulů mezi dvěma různými navzájem nekompatibilními řadami mikropočítačů Motorola. Původní moduly byly vytvořeny na naší fakultě v rámci diplomové práce a dále byly upravovány a optimalizovány pro mikropočítače Motorola řady 68HC. Aby bylo možné použít stávající moduly i na mikropočítačích řady 68HC08 bylo nutné tyto moduly přepracovat pro tento procesor. yto dvě řady mají totiž úplně odlišnou procesorovou jednotku. Zatímco 68HC má dva osmibitové akumulátory A, B a dva šestnáctibitové indexové registry IX a IY, 68HC08 má osmibitový akumulátor pouze jeden. Šestnáctibitový registr lze vytvořit pomocí dvou osmibitových registrů H a X. Programový čítač a ukazatel zásobníku mají již shodný. Stejně tak 68HC08 obsahuje vše co řada 68HC A/D převodník, binární vstupy a výstupy, sériové komunikační rozhraní apod. Jedinou nevýhodou mikropočítače 68HC08 je absence externí datové, adresové a řídící sběrnice umožňující
XXX. ASR '005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 9, 005 6 připojení standardních pamětí RAM, ROM a EPROM a jiných periferií. ato zařízení lze připojit jen pomocí periferní sériové komunikační linky. oto činí tyto dvě rodiny mikropočítačů vzájemně nekompatibilní. Protože je změna programového kódu z jedné řady na jinou velmi komplikovaná, byla na naší fakultě vytvořena aplikace pro automatickou konverzi z HC do HC08 (Dostálek, 004). Využití tohoto konvertoru velmi usnadnilo převod starých modulů pro mikropočítač 68HC08. Moduly pro HC byly uzpůsobeny pro využití s operačním systémem RMON (Dolinay, 00). ento operační real-time systém však nelze z hardwarových důvodů zkonvertovat. Proto bylo nutné zakomponovat překonvertované moduly do provizorní aplikace, která dokáže obsluhovat přerušení časovače a vytvořit tak vzorkovací periody. Pro odzkoušení možností konverze a převodu modulů byly převedeny základní moduly pro syntézu regulátoru pomocí inverze dynamiky a pro průběžnou identifikaci soustavy. Metody. Matematické funkce Vzhledem k tomu, že syntéza parametrů regulátoru a identifikace soustavy se neobejde bez výpočtu s reálnými čísly, je součástí knihoven také modul určený právě pro práci s nimi. ato knihovna byla vytvořena ordonem Doughmanem a musela být rovněž převedena pomocí konvertoru, neboť byla primárně vyvinuta pro modely HC. Reálné číslo je pro potřeby této knihovny ve 4B standardním formátu IEEE.. Průběžná identifikace systému Reálné procesy mají povětšinou stochastický charakter. o znamená, že jejich parametry nelze považovat za konstantní. Změna vlastností systémů je projevem okolních vlivů jako je například změna provozního režimu, vlastností surovin nebo změna samotného zařízení. Obyčejné regulátory mají pevně stanovené parametry, a proto takový regulátor nemůže reagovat na změnu vlastností soustavy. Proto je výhodné použit adaptivní systémy řízení. akové systémy dokáží reagovat na změny řízených procesů a jsou schopné přepočítat parametry regulátoru za běhu řídícího procesu. Mezi základní typy adaptivních systémů lze považovat adaptivní regulátory s heuristickým přístupem, samočinně se nastavující regulátory, systémy s referenčním modelem a systémy s proměnnou strukturou (Bobál, 999). Moduly vytvořené pro mikropočítače řady HC jsou zaměřeny na samočinně se nastavující regulátory. yto regulátory jsou založeny na principu průběžného odhadování parametrů řízené soustavy a poruch. Z těchto znalostí se pak vytvoří optimální regulátor. Θˆ Q s Výpočet parametrů regulátoru Průběžná identifikace Param. soustavy Q i v n w e Regulátor Regulovaná soustava y Obrázek Blokové schéma samočinně se nastavujícího regulátoru (Bobál, 999)
XXX. ASR '005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 9, 005 63 Ze schématu (Obrázek ) je vidět základní uspořádání jednotlivých částí samočinně se nastavujícího regulátoru, který byl použit i v této práci. Bodové odhady parametrů soustavy jsou označeny jako Θˆ a vstupují do části určené pro výpočet parametrů regulátoru..3 Syntéza regulátoru pomocí metody inverze dynamiky Pro zjištění funkčnosti převedených knihoven byl zvolen modul pro výpočet koeficientů regulátoru metodou inverze dynamiky. ato metoda je běžně využívána u standardních regulátorů a umožňuje definovat určitý překmit. Je také mnohem přesnější než často používaná metoda Ziegler-Nichols. R S Obrázek Regulační obvod Při výpočtu parametrů regulátoru se vychází ze standardního regulačního obvodu (Obrázek ). Přenos regulátoru lze vyjádřit přenosem R S ( ), () kde S je přenosem řízené soustavy a je přenos řízení. Pro regulační obvod s číslicovým regulátorem je Z-přenos řízení definován vztahem: k od d ( z) z z + k od z d () d d (3) k od zesílení otevřeného regulačního obvodu s číslicovým regulátorem vzorkovací perioda d diskrétní dopravní zpoždění Dále lze vztah pro přenos regulátoru upravit do tvaru: kde + z 0 R, (4) z + z 0 X b + b Xa b + b Xa b + b (5) Parametr X lze zvlášť určit pro soustavu s dopravním zpožděním X a a pro soustavu bez dopravního zpoždění: a α + β d (6)
XXX. ASR '005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 9, 005 64 X c c e (7) 0,3 Konstanty α a β pro v rovnici (6) lze určit z tabulek pro určitý požadovaný překmit (Vítečková, 000) Po vypočtení koeficientů regulátoru byl použit vzorec pro výpočet akční veličiny u(k). ( k) e( k) + e( k ) + e( k ) + u( k ) u é (8).5 Použitý hardware Pro odzkoušení celé aplikace byl použit mikropočítač 68HC908P3. Byl vybrán pro své paměťové možnosti. Má totiž 5B paměti RAM, což je poměrně velký paměťový prostor vzhledem k ostatním typům mikropočítačů z řady 68HC08. Celý experiment byl zprovozněn na vývojovém kitu firmy Beta Control. 3 Výsledky estování optimalizovaných knihoven probíhalo na tepelných soustavách. Žádaná hodnota w se měnila mezi 60 a 80 C. Velký překmit před prvním dosažením žádané hodnoty byl způsoben tím, že ještě nebyla dostatečně identifikována soustava. Po určitých počet identifikačních kroků se již překmity zmenšily. Na dolním obrázku ( Obrázek 3) můžete vidět průběh teploty při regulaci soustavy a velikost akčního zásahu. 00 90 80 teplota [ C], akč ní zásah [%] 70 60 50 40 30 0 0 0 0 500 000 500 000 500 3000 čas [sec] Žádaná hodnota Měřená teplota Akční veličina Obrázek 3 Průběh regulace metodou inverze dynamiky
XXX. ASR '005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 9, 005 65 3 0 0 500 000 500 000 500 3000 - - -3-4 -5 čas [sec] a a b b Obrázek 4 Odhady parametrů při identifikaci Na předcházejícím obrázku (Obrázek 4) můžete vidět průběh identifikace soustavy. Jednotlivé odhady parametrů odpovídají rovnici (9): b z + b d s ( z) z, (9) z + az + a kde d je diskrétní dopravní zpoždění. V případě této aplikace byla soustava identifikována jako soustava druhého řádu bez dopravního zpoždění. Od toho se odvíjel další výpočet parametrů regulátoru. 3. Optimalizace Původní moduly pro HC jsou méně náročné na paměťové požadavky než převedené moduly na HC08. yto nové moduly však pracují rychleji, což je způsobeno dokonalejším procesorem pracujícím na vyšší frekvenci. Konvertor má v sobě zakomponovány jisté optimalizační struktury, nicméně i přesto lze doladit určité vlastnosti i po konverzi. yto optimalizační zásahy však byly u výše zmiňovaných knihoven minimální a příliš neovlivnily výslednou aplikaci. Hlavní optimalizační proces spočíval v celkové aplikaci, která tyto jednotlivé moduly spojovala. Bylo nutné plně nahradit real-time operační systém RMON a to tak, aby mohl periodicky spouštět průběžnou identifikaci a aby byl zajištěn akční zásah v přesně určenou dobu. Původní odhady parametrů soustavy, perioda vzorkování a jiné důležité proměnné byly nastaveny jako konstanty. Jediné měnitelné vlastnosti procesu řízení za provozu je změna žádané veličiny v testovacím případě jen mezi dvěma hodnotami.
XXX. ASR '005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 9, 005 66 4 Závěr ato práce ukázala, že zajištění kompatibility modulů pro adaptivní řízení primárně vytvářených pro mikropočítače HC je možné díky konvertoru vyvinutém na našem pracovišti. Problém nastává pouze při využití modulů s operačním systémem RMON nebo modulů vyžadujících extrémní paměťové nároky. První problém lze odstranit vytvořením jednoduché aplikace, která sice neobsahuje výhody real-time operačních systémů, ale plně postačuje pro řízení technologických procesů. Druhý problém lze řešit přidáním externí paměti, kterou však nelze připojit standardním způsobem jako například u řady procesorů HC. 5 Poděkování ato práce byla podporována Fondem rozvoje vysokých škol v rámci projektu MŠM /78/005, grantem A CZ číslo0/03/065 a výzkumného záměru MSM 70883530. 6 Použitá literatura DOLINAY, J. 00. Diplomová práce - Programové moduly řídicích a identifikačních algoritmů pro mikropočítač 68HC. Zlín 00. 79 s. DOSÁLEK, P., VAŠEK, V. 004. Programová přenositelnost mezi 8-bitovými mikropočítači Motorola. Říp 004. 6 s. BOBÁL, V., BÖHM, J., PROKOP, R., FESSEL, J. 999. Praktické aspekty samočinně se nastavujících regulátorů: algoritmy a implementace. VU, Brno 999. ISBN 80-4- 99- VÍEČKOVÁ, M. 000. Seřízení regulátorů metodou inverze dynamiky. Ostrava 000. ISBN 80-7078-68-0