Моделирование систем Цифровой Обработки Сигналов в среде LabVIEW Круглов Евгений Владимирович, аспирант МИФИ Решетов Владимир Николаевич, к.ф.-м. н. доцент МИФИ. Москва 2008 Введение в LabVIEW Control Design and Simulation Agenda • Введение в разработку управляющих систем • Системы идентификации • Разработка динамических систем • Моделирование • Создание прототипа • Управление двигателем Keep graphics below the text and to the right Приложения Control used to manufacture product Control embedded in product Precision Machine Control Flight Control Industrial Control Motion Control Engine Control Разработка управляющих систем на базе моделей • Задачи – Повышение гибкости управления – Увеличение производительности и • Инструменты – Системы сбора данных – Программы для – Real-time hardware Управляющие системы на основе моделей System ID Acquire I/O data from plant System Identify plant structure and coefficients Specification Control Analyze open-loop characteristics of plant Analysis Design & Select controller structure and coefficients (gain) and Design Simulation Field Test Calibration & Functional Test Analyze closed-loop characteristics of controlled plant System Rapid Test Simulation Simulate offline controller and linear plant model(HIL) Prototyping Simulate offline controller and nonlinear plant model Code Software Real-Time Generation Prototype control algorithm with real-world dynamics Test Архитектура управления и разработки Speed Setpoint Error Kc Motor Voltage Controller • Option A. Математическая модель • Option B. Идентификация систем Kp Plant Actual Speed Модель двигателя постоянного тока Ri (t ) V (t ) K d (t ) dt J d (t ) Ki(t ) dt d (t ) K K2 J V (t ) (t ) dt R R Laplace transform: JRs ( s) KV ( s) K 2 ( s) Угловая ск. H(s) = Входное нап. ( s) K V ( s ) JRs K 2 Система идентификации двигателя постоянного тока • DC Motor System – Ввод: Управление двигателем (12V, PWM) – Выход: квадратудный энкодер (5V, digital) • 500 Counts per Revolution DO Motor Command DI Quad Encoder Идентификация модели • System Identification Toolkit – Симулирование и измерение отклика – Идентификация коэффицентов LabVIEW System ID Toolkit LabVIEW Dev Sys LabVIEW System ID Toolkit Stimulus cRIO Hardware Response Signals DO Motor Command DI Quad Encoder System ID Algorithms DC Motor Model Создание контроллера • Control Design Toolkit – Разработка и анализ контроллера LabVIEW Dev Sys LabVIEW System ID Toolkit LabVIEW Control Design Toolkit LabVIEW Control Design Toolkit DC Motor Model Controller Model Analyze Design Analyze Closed-Loop System Plant Controller Симулятор системы • Simulation Module – Симуляция систем управления LabVIEW Dev Sys LabVIEW System ID Toolkit LabVIEW Control Design Toolkit LabVIEW Simulation Module LabVIEW Simulation Module Speed Setpoint Controller Model DC Motor Model Actual Speed Симуляция системы управления двигателем LabVIEW Graphical differencing Full programming environment (logic, etc.) Patented user interface capabilities Создание прототипа на базе Real-Time Host PC RT on Desktop RT on CompactRIO RT on PXI LabVIEW Simulation Module LabVIEW Dev Sys • Прототип с LabVIEW RT, RT PXI, cRIO, or RT on a Desktop Создание прототипа контроллера • Simulation Module and LabVIEW Real-Time – Implement controller on realtime hardware Speed Setpoint Host PC LabVIEW Simulation Module LabVIEW Dev Sys LV-RT AI Scan FPGA CompactRIO System LabVIEW Simulation Module Controller Model Actual Speed DC Motor AO Model Update Бысрое создание прототипа LabVIEW Tight integration with real-world I/O Seamless transition from simulation to prototyping LabVIEW Simulation Module • Simulation Node • Linear Systems – Integrators, Derivatives, Transfer Functions • Nonlinear Systems – Friction, Saturation, Dead Zone • Discrete Systems – Integrator, Zero-Order Hold, Transfer Function Signal Generation – Chirp, Pulse, Ramp, Sine, etc. • Signal Arithmetic – Gain, Summation, Multiplication, etc. • Lookup Tables – 1D, 2D, 3D • Utilities – Signal Collector, Simulation Parameters, Halt Simulation, etc • Graph Utilities – Waveform, XY Graph • Traditional LabVIEW VI’s and tools Создание : LabVIEW Real-Time Control Prototyping LabVIEW Development Software LabVIEW Simulation Module LabVIEW Real-Time Module Ethernet Communication RT System RT Controller FPGA Signal Connection DC Motor