Разработка системы управления электроприводом

01-3 Экспонента - Схема.png

Автоматизированный, или управляемый, электропривод состоит из двух больших частей: электромеханической и программной, или управляющей. И если для проектирования и конструирования электромеханической части широко применяются CAD-системы, или САПРы, то при создании управляющих алгоритмов, к сожалению, часто полагаются только на опыт и навыки программиста-разработчика.

Однако так же, как можно упростить процесс разработки электромеханической части, можно упростить и автоматизировать процесс разработки алгоритмов управления. Примечательно, что при этом за счёт формализации и стандартизации разработки значительно снижается порог вхождения, то есть требования к квалификации разработчика.

ЦИТМ «Экспонента» и компания Mathworks представляют инструмент автоматизации создания алгоритмов управления электроприводом – MATLAB&Simulink. Этот программный пакет реализует концепцию модельно-ориентированного проектирования, которая позволяет пройти весь путь создания алгоритма управления, от технического задания до реализации на микроконтроллере или ПЛИС, в рамках единой дружелюбной среды разработки.

Для создания алгоритма управления с помощью MATLAB&Simulink нужно пройти три этапа:

  1. Моделирование – сначала объекта управления, а потом алгоритма управления для него;

  2. Тестирование алгоритма в реальном времени – проверка в условиях, наиболее близких к реальности;

  3. Реализация – на микроконтроллере, ПЛИС или ПЛК.

Все эти этапы в любом случае нужно пройти. Просто без MATLAB&Simulink это выглядит примерно так: «Привод у нас на 15 кВт, значит, биполярниками не обойтись, нужны MOSFET’ы; объект у нас довольно предсказуемый, поэтому хватит ПИ-регулятора (моделирование). Пишем C-код для МК, не забываем про сброс интеграторов; так, вроде компилируется (реализация). Ну вот, макет на стенде, МК перезагружен, все отошли, можно включать… Хм, а почему не сработала защита?.. (тестирование)»

Если же разработка ведётся с применением модельно-ориентированного подхода, то:

компонентное моделирование позволит точно воспроизвести структуру объекта;

  • аналитические методы линеаризации дадут быструю и удобную модель;
  • синтез САУ классическими методами поможет построить алгоритм управления;
  • машина реального времени «Ритм» упростит испытания и сбережёт оборудование;
  • автоматизированная генерация кода даст надёжный и «чистый» код;
  • формальное тестирование гарантирует качество и безопасность кода.

Результат прохождения всех трёх этапов – законченное устройство управления, работающее согласно техническому заданию.

Мы, центр «Экспонента», предлагаем всё, что для этого необходимо:

  • Инструменты – как программные, так и аппаратные;
  • Обучение и помощь в работе:
    • Курсы повышения квалификации, чтобы учиться быстро;
    • Обучающие видео, чтобы учиться самостоятельно;
  • Услуги по разработке – в любой степени участия, от консультаций по наладке рабочего процесса до разработок «под ключ». 

Этап 1. Моделирование

В рамках модельно-ориентированного подхода к проектированию модель – это виртуальный образ будущего изделия. В модель может входить практически вся информация о нём: описание структуры, алгоритм управления, тестовые сценарии и всё прочее, что необходимо для разработки. Среда MATLAB&Simulink позволяет создавать модели, достаточно точные для того, чтобы выступать в роли опытных образцов. 

На них можно отлаживать алгоритмы или испытывать их реакции на аварийные режимы, можно исследовать устойчивость работы или оценивать чувствительность к помехам – и при переходе к реальному оборудованию не жечь опытные образцы, а сразу получить работающую систему. Процесс разработки начинается с построения модели объекта – его виртуальной копии, – ведь прежде, чем строить алгоритм, нужно понимать, чем же именно нужно управлять. Если объект ещё только проектируется, то среда MATLAB&Simulink позволит описать его с помощью тех параметров, которые используются при разработке, а если объект уже существует, то среда позволит построить максимально адекватную модель по экспериментальным данным. После этого можно синтезировать систему управления. 

В семействе MATLAB есть полный спектр инструментов по настройке и синтезу систем управления, которые можно использовать как отдельно друг от друга, так и в совокупности: Полуавтоматическая настройка ПИД-регулятора, не требующая никаких специальных знаний по теории управления;


Cинтез САУ по канонам классической

Неклассические методы управления, такие как управление с прогнозирующей моделью или линейно-квадратичный регулятор;

Автоматизированная настройка САУ под конкретные требования техзадания.

Применение этих инструментов позволит с высокой степенью достоверности получить виртуальный образ будущей системы. На таком виртуальном образе можно проводить любые испытания, как и на реальном стенде – только не боясь испортить оборудование.

syst-upr-elektr.png

Этап 2. Тестирование в реальном времени

Тестирования, проверки, испытания – важная, но, как правило, нелюбимая разработчиками часть процесса проектирования. Мало того, что нужно уже иметь почти законченное изделие (как минимум работоспособное), но ещё нужно правильно организовать стендовый эксперимент. На практике обычно проведение испытаний становится отдельной задачей, для которой нужны ресурсы, сопоставимые с ресурсами, необходимыми для непосредственно разработки: и временные, и трудовые, и финансовые.

Избежать всего комплекса проблем, связанных с полунатурными испытаниями, можно с помощью полунатурных стендов. Полунатурный стенд реального времени – это испытательный стенд, на котором одна или несколько частей испытуемого изделия заменяется соответствующей компьютерной моделью. Например, управляющий контроллер может быть реальным, а объект управления – представлен в виде модели, или наоборот. Сама модель при этом работает на машине реального времени.

Машина реального времени – это компьютер, работающий в режиме жёсткого реального времени, и снабжённый физическими интерфейсами для связи с оборудованием. Отличие машин реального времени под управлением MATLABв том, что их фактически не нужно программировать – с точки зрения пользователя на них работают обычные модели Simulink с минимальными доработками.

Если на машине реального времени работает алгоритм управления, а объект реальный, то это называется быстрым прототипированием, илиRapidPrototyping. В этом случае мы получаем возможность испытать алгоритм с реальным оборудованием, но при этом избавлены от проблем, связанных с реализацией – ошибок кодирования, ограничений конкретной платформы или некорректной работы периферии.

Если же в виде модели представлен объект управления, то такой режим называется программно-аппаратным моделированием, или HardwareintheLoop(HIL). Испытаниям в этом случае подвергается уже запрограммированный контроллер, который в этом случае работает в условиях, максимально близких к реальным. Преимущества такого подхода очевидны: с одной стороны, отсутствие риска появления аварийной ситуации в результате ошибок управления, а с другой – возможность испытания системы управления ещё не существующего или почему-либо недоступного объекта.


Ещё один возможный вариант испытаний с помощью машины реального времени – полноценные стендовые испытания готового изделия. В этом случае машина выступает одновременно и задатчиком режимов работы, и автоматическим регистратором. Полученные с её помощью данные можно потом легко получить в программной среде MATLABи обрабатывать любыми доступными способами.

Независимо от выбранного сценария тестирования модельно-ориентированный подход позволяет органично включить его в процесс разработки. Будучи единожды отлаженным, полунатурный стенд используется так же легко, как и любой программный инструмент MATLAB&Simulink. В результате внедрения тестирования с помощью машин реального времени большинство потенциальных проблем реализации выявляется уже на этапе проектирования, и переход от проектирования системы к её реализации становится максимально плавным и простым.


Обучающие видеоролики:


Наши услуги на этапе моделирования:

  • Разработка и поставка полунатурных стендов

  • Пусконаладка полунатурных стендов

  • Курирование внедрения полунатурного тестирования в рабочий процесс

Этап 3. Реализация

Истории успеха


  1. Рубикон Инновации

  2. КБТМ Нудельмана

  3. Компания VONSCH ускоряет разработку систем управления для инверторов и зарядных устройств солнечных батарей

  4. Компания Vintecc разрабатывает систему на базе ПЛК для многоосной сельскохозяйственной уборочной машины с использованием модельно-ориентированного проектирования

  5. Компания Israel Aerospace Industries разработала программное обеспечение для гибридного электрического аэродромного тягача, сертифицированное по стандарту DO-178B Level B

  6. Albatroz Engineering разработала автоматическую систему контроля линии электропередач, работающую в реальном времени

  7. "Технодинамика" разрабатывает алгоритмы первичной обработки данных в Simulink в соотвествии с КТ-178

  8. Wärtsilä ускоряет разработку системы управления двигателем при помощи генерации готового программного кода

  9. Alstom генерирует программный код для готового продукта серийного производства систем управления преобразователем мощности с повышенными требованиями к безопасности

  10. Johnson Controls ускоряет разработку промышленного контроллера для центробежных жидкостных чиллеров на магнитных подшипниках

 

Продукты