вгу презентация

1 © 2011 The MathWorks, Inc.

MATLAB и Simulink в образовании (от составления уравнений к пониманию фундаментальных принципов)

Александр Ефремов alexander.efremov@sl-matlab.ru

аспирант ИПУ РАН

инженер департамента MathWorks, Softline

Воронеж, ВГУ, 2012

2

Семейство продуктов Mathworks

MATLAB®

Simulink® Application

Development Tools

Toolboxes

Data Access Tools

Stateflow ®

Blocksets

Code Generation

Независимые

приложения

Источники

данных

C Code

3

План доклада

Создание модели

Синтез алгоритма управления

Проверка на всех этапах разработки

6

В какой стадии проекта дороже всего

находить ошибки?

Стадия создания

требований

Стадия

проектирования

Стадия написания

кода

Стадия

тестирования

Отн

оси

тел

ьн

ая

сто

им

ость

исп

рав

лен

ия

ош

иб

ки

Стадия в которой ошибка исправлена

Ошибки сделанные в ранних и

исправленные в поздних стадиях

самые дорогие!

стадии создания требований

стадии проектирования

Ошибки сделаные в:

стадии написания кода

Return on Investment for Independent

Verification & Validation, NASA, 2004.

INCOSE (International Council on

Systems Engineering).

3–6x

20–100x

500–1000x

7

Embedded

Software

C/C++

Control

Algorithms

Control

Design

Mechanical

Components

MCAD/MCAE

Electrical

Components

EDA

Электронные

компоненты

EDA

INTEGRATION AND TEST

Спецификации

Механич.

компоненты

САПР

Проектирование и внедрение

Исследования Требования

Алгоритмы

управления

Системы

управления

Встраиваемое

ПО

C/C++

Традиционный процесс разработки

Более сложные устройства

требуют более сложного

управления

Возникают проблемы срыва

сроков или низкого качества

– снижение доходности

Настройка алгоритмов

управления вручную на

прототипах или реальной

системе

Программирование

микроконтроллеров или PLC

на основании спецификаций

Разные инструменты не

обязательно хорошо

работают друг с другом.

8

Проектирование

Embedded

Software

Control

Algorithms

Mechanical

Components

Electrical

Components

Модельно-ориентированное проектирование Описание динамики системы

Поведение системы

описывается математически

в виде блок-схем.

Система разрабатывается с

учетом требований к ее

поведению

9

Модельно-ориентированное проектирование Разработка и тестирование с использованием моделирования

Проектирование

Модели среды

Алгоритмы управления

Механика Электрика

Контролирующая логика

Требования жестко связаны

с моделью

При необходимости

увеличивается точность

модели.

Использование разработок

специалистов , например

механических моделей,

вычислений с

использованием конечных

элементов, моделей SPICE.

Проверка алгоритмов

проводится с

использованием модели.

Исследования Требования

10

Тестирование в реальном времени

MCU DSP

C, C++

FPGA ASIC

VHDL, Verilog

Модельно-ориентированное проектирование Тестирование и валидация в реальном времени

Проектирование

Модели среды

Алгоритмы управления

Механика Электрика

Контролирующая логика

Автоматическая генерация

кода из моделей для

тестирования алгоритмов в

реальном времени

Исследования Требования

Автоматическая генерация

кода из моделей для

моделирования в реальном

времени для тестирования

микроконтроллеров, ПЛИС

или PLC.

11

Внедрение

Реализация

Тести

ро

ван

ие и

вер

иф

икац

ия

Модельно-ориентированное проектирование Встроенное программное обеспечение

Проектирование

Модели среды

Алгоритмы управления

Механика Электрика

Контролирующая логика

Автоматическая генерация

кода из моделей для

реализации алгоритмов на

целевых платформах::

• микроконтроллеры

• ПЛИС

• PLC

Исследования Требования

MCU DSP

C, C++

FPGA ASIC

VHDL, Verilog

12

Автоматизированные инженерные работы (CAE) для разработки контроллеров систем, сочетающих различные инженерные сферы

Использование модели для математического описания комплексных систем

Автоматическая генерация кода непосредственно из модели для тестирования в реальном времени и аппаратной реализации

Непрерывное тестирование на протяжении всего процесса разработки

Модельно-ориентированное проектирование

Design

with

Simulation

Executable

Specifications

Continuous

Test and

Verification

Automatic

Code Generation

Models

16

Физическое моделирование

17

Объект Регулятор

Регулятор Объект

Регулятор Объект

Физическое моделирование

18

Оптимизация поведения всей системы

Моделирование регулятора и объекта в единой

среде позволяет оптимизировать поведение всей

системы.

– Автоматическая настройка с применением алгоритмов

оптимизации

– Параллельные вычисления

Объект

+ u y

Регулятор

s1 s2

s3

System

Actu

ato

rs

Sen

so

rs

19

Plant

Model

Plant

Specification

Обнаружение проблем на ранних стадиях

Объект

+ u y

Регулятор

s1 s2

s3

Разработчики систем управления и проектировщики систем могут работать совместно, чтобы обнаружить проблемы во время моделирования – Генерация кода для программно-аппаратного

моделирования

– Передача моделей пользователям без лишних лицензий

– Передача моделей сторонним пользователям, защита интеллектуальной собственности

System

Actu

ato

rs

Sen

so

rs

20

Создание модели объекта Моделирование динамических систем в Simulink

На основе данных На основе принципов работы

SimMechanics

SimDriveline

SimPowerSystems

SimHydraulics

SimElectronics

System Identification

Toolbox

Simulink Design Optimization

Simulink Simscape

Подходы к созданию моделей

Symbolic Math

Model Based Calibration

Neural Network Toolbox

21

Simulink Ведущая среда для моделирования и разработки динамических систем

Блок-схемы

Иерархическое

моделирование

Большой расширяемый

набор готовых блоков

Открытый интерфейс

разработчика (API)

Моделирование различных

сигналов, элементов,

работающих на разных

частотах

Интеграция с MATLAB

22

Физическое моделирование

Physical Modeling

MATLAB, Simulink Модель

объекта Знание об объекте Программирование

Прогр-е Знание

об объекте

Mechanical

Electronic

Multidomain

Hydraulic

Сп

ец

иф

ика

ци

я

объ

ект

а

Fortran, C++

Знание об объекте Программирование

Создание более точных моделей за меньший срок Нет необходимости в исчерпывающих знаниях об объекте или

высоких навыков программирования

23

Физическое моделирование

Sim

Mech

an

ics

Механические системы (3-D)

Sim

Dri

velin

e

Трансмиссии (1-D)

Sim

Hyd

rau

lics

Гидравлика и пневматика

Различные инженерные

сферы деятельности Силовая электроника

Sim

Po

werS

yste

ms

MATLAB, Simulink

Simscape

Sim

Mech

an

ics

Sim

Dri

velin

e

Sim

Hyd

rau

lics

Sim

Po

werS

yste

ms

Sim

Ele

ctr

on

ics

Sim

Ele

ctr

on

ics

Электромеханические и

электронные системы

Simscape

24

SimPowerSystems:

ключевые особенности

Полная библиотека блоков для

детального моделирования систем

силовой электроники

Подробные модели электродвигателей

постоянного и переменного тока

Различные режимы исполнения

моделей, ускоряющие вычисления

Алгоритм моделирования идеальных

переключений, ускоряющий исполнение

моделей силовой электроники

PowerGUI — набор инструментов

первой необходимости для анализа

схем

Большой набор демонстрационных

цепей и схем

3.125 MVA, 2.4kV

25kV

2250 HP

нагрузка

размыкатель

25

Работа с SimPowerSystems

SimPowerSystems позволяет:

– быстро создавать модели систем

силовой электроники;

– моделировать синхронные

и асинхронные электродвигатели;

– анализировать схемы и цепи;

– разрабатывать и тестировать

системы управления;

– генерировать код для увеличения

быстродействия.

SimPowerSystems — инструмент для моделирования

генераторов, линий электропередачи, распределения

и потребления электроэнергии

26

Быстрое создание моделей систем

силовой электроники

Создание моделей, выглядящих как

принципиальные схемы системы:

– трехфазные компоненты;

– подробные модели электродвига-

телей;

– гибкие системы передачи элект-

роэнергии переменным током

(FACTS).

Параметризация моделей с исполь-

зованием переменных MATLAB®;

Использование источников

и датчиков в Simulink;

Сохранение подсистем для повтор-

ного использования в моделях.

27

Моделирование электродвигателей

Редактируемые модели, позволяющие

учитывать механическое вращение

Графический интерфейс для задания

параметров двигателя,

преобразователя и регулятора

Известные методы управления

скоростью и крутящим моментом

Известные типы двигателей,

используемые в качестве генераторов:

– с постоянным магнитом;

– синхронные, асинхронные;

– индукционные;

– однофазные и трехфазные.

28

Анализ систем

Инструмент PowerGUI позволяет

быстро анализировать схему:

– отображение значений напряжения

и тока в состоянии устойчивого

равновесия;

– отображение и модификация

начальных состояний;

– потокораспределение нагрузки;

– измерение полного сопротивления;

– FFT анализ (быстрое

преобразование Фурье);

– генерация отчета.

Дискретный режим и режим

фазовращателя позволяют ускорить

вычисления.

>> Vector Control of AC Motor Drive (power_acdrive)

29

Построение линейной схемы

30

Уравнения и их реализация в Simulink

31

Реализация в SimPowerSystems

33

Сравнение Simulink и SimPowerSystems

34

Сравнение Simulink и SimPowerSystems

Обратите внимание

на увеличившуюся

сложность модели

Simulink

35

Конечные автоматы

Задача: Спроектировать алгоритм

управления, имеющее несколько

рабочих состояний

Модель

Решение: Использовать

Stateflow для проектирования

алгоритма, основанного на

состояниях

wind > cut in speed &&

wind < cut out speed

turbine >

min speed

wind spd < min spd

|| wind spd > max spd

|| turbine spd < min spd

|| turbine spd > max spd

Turbine spd

< park spd

park brake = 0

pitch brake = 0

generator = 0

Startup park brake = 0

pitch brake = 0

generator = 1

Generating

park brake = 0

pitch brake = 1

generator = 0

Brake park brake = 1

pitch brake = 0

generator = 0

Park

36

План доклада

Создание модели

Синтез алгоритма управления

Проверка на всех этапах разработки

Великий пример

37

Терминология Система управления с обратной связью

Объект управления

- u y

Регулятор

s1 s2

s3

System

Actu

ato

rs

Sen

so

rs

38

Среда разработки

- u y s1 s2

s3

System

Actu

ato

rs

Sen

so

rs

Наглядное представление всей системы

Работа в единой среде

Изучение одного инструмента

Подсистемы и библиотеки

39

План доклада

Создание модели

Синтез алгоритма управления

Проверка на всех этапах разработки

Великий пример

40

Simulink, Stateflow

Test Bench or

Plant Model Algorithm or

Controller Model

Simulation

Simscape, Sim#

41

Simulink, Stateflow

Software-In-the-Loop

Simscape, Sim# C

od

e

Ge

ne

ration

Compiled C-code

S-Function (Dynamic Link Library)

Simulink

Coder Запуск на рабочем ПК

Не Real-Time

Без плат ввода/вывода

Test Bench or

Plant Model Algorithm or

Controller Model

S-f

un

ction

42

Simulink, Stateflow

Processor-In-the-Loop

Simscape, Sim# C

od

e

Ge

ne

ration

Запуск на микропроцессоре

Не Real-Time

Встраиваемое устройство

Embedded

Coder

Test Bench or

Plant Model Algorithm or

Controller Model

Dire

ct In

terf

ace

43

Автоматическая генерация кода

Быстрое прототипирование Controller to ANSI C/C++/PLC Code Production Code, TI C2000 etc.

Программно-аппаратное моделирование (HIL)

Plant to ANSI C/C++ Code

Plant

+ u y

Controller

s1 s2

s3

System

Actu

ato

rs

Sen

so

rs

44

Simulink, Stateflow

Программно-аппаратное моделирование

Simscape, Sim# C

od

e

Ge

ne

ration

I/O

Embedded Target C

od

e

Ge

ne

ration

MATLAB Coder

Simulink Coder

xPC Target

Test Bench or

Plant Model Algorithm or

Controller Model

Embedded

Coder

PC Target (from SI)

45

Simulink, Stateflow

Быстрое прототипирование с объектом

Simscape, Sim# C

od

e

Ge

ne

ration

I/O Plant Model

Embedded Target Plant / Prototype

Test Bench or

Plant Model Algorithm or

Controller Model

Embedded

Coder

46

Simulink, Stateflow

Быстрое прототипирование

Simscape, Sim# C

od

e

Ge

ne

ration

I/O Plant Model

PC Target (from SI) Plant / Prototype

Test Bench or

Plant Model Algorithm or

Controller Model

Embedded

Coder

49

Continental: разработка пневмоподвески с

электронным управлением для грузовых

автомобилей

Challenge Разработка пневмоподвески с электронным

управлением для грузовых автомобилей (40 т)

Solution Применение инструментов MathWorks для

отслеживания требований, заложенных в

спецификации, создание

и исполнение моделей, автоматическая генерация

кода

Results Проект закончен на полгода раньше

запланированного

В два раза сокращено время верификации

90 процентов кода сгенерировано автоматически

“Инструменты Mathworks для

модельно-ориентированного

проектирования позволили нам

использовать одну и ту же среду от

начала и до конца проекта. Мы

смогли четко отслеживать

требования. Обслуживать

программное обеспечение стало

значительно проще, потому что оно

реализовано в виде модели, из

которой автоматически генерируется

код."

Thomas Ehl

Continental Link to user story

Illustration of a heavy-duty truck highlighting

the electronically controlled air suspension.

50

Challenge Разработка и внедрение круиз-контроля в

микроконтроллере блока управления двигателем

Solution Модельно-ориентированное проектирование с

использованием инструментов Mathworks –

разработка, тестирование и реализация встроенного

ПО в блоке управления двигателем

Results Компактный, эффективный код

Гибкое тестирование

Быстрая разработка

“Инструменты MathWorks

позволили быстро и без

задержек разработать и

протестировать алгоритм круиз-

контроля, что в итоге позволило

завершить проект в течение 18

месяцев”

Mario Wunsche

DaimlerChrysler

Разработка круиз-контроля в

DaimlerChrysler для грузовиков

Mercedes-Benz

Mercedes-Benz truck.

Link to user story

51

Разработка стенда HIL для департамента

транспорта США (Vehicle System

Integration)

Challenge Разработка стенда для программно-аппаратного

моделирования, который помог бы проверить главные

электронные компоненты грузовиков

Solution Использование Simulink для разработки и валидации

моделей объектов, Real-Time Workshop для

автоматической генерации кода и xPC Target для

исполнения кода в реальном времени

Results Сроки разработки сокращены на месяцы

Быстрая разработка

Сокращение стоимости разработки благодаря

определению проблем в лаборатории

“Simulink, Real-Time Workshop,

and xPC Target exceeded our

expectations for this project. The

speed with which we designed

and ran our models on our target

hardware was astonishing!”

Larry Long

Vehicle Systems Integration

Hardware-in-the-loop truck simulator.

Link to user story

52

Контактная информация департамента

MathWorks

www.sl-matlab.ru

www.mathworks.com

E-mail: matlab@sl-matlab.ru

Phone: 8-800-1-0000-23 доб.0609