Aktuální vydání

celé číslo

06

2019

Počítačová podpora vývoje a výroby, software pro řízení údržby 

celé číslo

Simulace Processor In the Loop a Hardware In the Loop

Simulace Processor In the Loop a Hardware In the Loop

V automatizační praxi se lze často setkat s úlohami vyžadujícími respektování hledisek spolehlivosti, ceny a doby vývoje řídicích systémů. Často přitom je v softwarovém nástroji, jakým je např. prostředí Simulink od firmy The MathWorks, Inc., vytvořen model úlohy včetně řídicího systému. Samotné fungování takového modelu ale není zárukou dobrého chování reálného řídicího systému ve spojení s reálnou řízenou soustavou (reálným technologickým zařízením). V praxi je třeba mít možnost simulovat řídicí systém mimo osobní počítač s modelem, a to s použitím vhodně zvoleného hardwaru, který může být využíván i k řízení reálného technologického zařízení. K tomu jsou určeny návazné metody simulace označované jako Processor In the Loop (PIL) a Hardware In the Loop (HIL). Ty umožňují provádět simulace v prostředí blížícím se realitě včetně ověřování i takových chybových stavů, které by na reálném systému nebylo možné připustit.

V článku se nejprve zastavíme u obecně praktikovaného čistě modelového přístupu k simulaci řídicích úloh (tzv. Model In the Loop – MIL). Poté přejdeme přes simulaci typu PIL až k simulaci typu HIL, kterou lze považovat za způsob, jak naposledy ověřit celý řídicí systém před stiskem tlačítka spouštějícího chod reálného technologického zařízení.

Přístup Model In the Loop (MIL)

Na obr. 1 je částečný model letadlového autopilotu (řídicí smyčky příčného náklonu letadla φ) vytvořený v prostředí Simulink od společnosti The Mathworks, Inc. K vytvoření takového modelu je nutné identifikovat řízenou soustavu (tj. zvolit její model, na obr. 1 reprezentovaný bloky Linearized Dynamics a Nonlinear Model) a k ní navrhnout řídicí systém. Při uvedeném postupu jsou hotovy modely řídicího systému a řízené soustavy a nic nepřekáží tomu, aby byl takovýto celkový model řídicí úlohy vytvořen ve vhodném softwarovém nástroji, jak ukazuje obr. 1, a bylo možné simulovat jeho chování. Tento způsob simulace se označuje jako Model In the Loop (MIL).

Obr. 1.

Obr. 1. Model části letadlového autopilotu v prostředí Simulink

Ať už simulace typu MIL vede k dobrým nebo špatným výsledkům, je zřejmé, že míra idealizace celé úlohy je v tomto případě téměř neúnosná. Zmiňme např. skutečnost, že model nemůže vždy dostatečně věrně zachytit vlastnosti reálné soustavy a je pouze její přibližnou aproximací. Dále snad ani není třeba poukazovat na to, že takovýto model nezachycuje mnoho dalších vlivů, jako je nesčetné množství nelinearit, výpočetní výkon v praxi použitého řídicího hardwaru, přenosové rychlosti komunikačních linek apod.

Processor In the Loop (PIL)

Předpokládejme, že simulace způsobem MIL dává, přes svá omezení, rozumné výsledky. Pak lze celou simulaci posunout o krok blíže k realitě tím, že se zrealizuje představa z obr. 2, která vede k pojmu simulace typu PIL. K tomu je vhodné mít k dispozici řídicí hardware např. v podobě univerzální vývojové desky s tímtéž procesorem, který bude v budoucnu řídit reálné technologické zařízení, a nyní se využije v roli simulátoru řídicího systému. Jako řízený systém není nutné využívat reálnou soustavu, a ani se to v této fázi nedělá. Za model řízené soustavy se zvolí běžný osobní počítač nebo jiný vhodný hardware. Takto se tedy získají dvě jednotlivé sestavy hardwaru.

Z předchozí etapy simulace (MIL) existuje v „modelovacím“ PC již model celé úlohy, který se rozdělí na model systému řízení a model řízené soustavy. Pro obě tyto části se vhodným nástrojem automaticky vygenerují spustitelné kódy, které se přes rozhraní nahrají do příslušného hardwaru podle obr. 2 (tj. kód modelu systému řízení do řídicího hardwaru a kód modelu řízené soustavy do hardwaru), který ji reprezentuje; v prostředí Simulink lze celou tuto akci zvládnout automaticky např. nástrojem Real Time Workshop.

Obr. 2.

Obr. 2. Princip simulace metodou PIL

Neméně důležitý je komunikační kanál, kterým se budou obě sestavy hardwaru na obr. 2, tj. řídicí systém a řízená soustava, dorozumívat. Pro simulaci způsobem PIL se typicky používají asynchronní sériová linka RS-232, sběrnice CAN, Ethernet apod.

Celá simulace se řídí z PC obsahujícího model řešené úlohy. Tento počítač naváže interaktivní spojení s řídicím systémem, jak je znázorněno na obr. 2 km . Prostřednictvím interaktivního spojovacího kanálu lze nejen spustit, pozastavit i zastavit simulaci, ale také parametrizovat systém řízení a ve spřaženém režimu (on-line) ho měnit. V reálném čase lze tak získat a sledovat odezvu na prováděné změny. Přínosem uvedeného propojení je i možnost zobrazovat prostřednictvím PC s modelem úlohy také údaje o chování (modelů) řídicího systému a řízené soustavy.

Jak tedy celá simulace způsobem PIL probíhá? Simulovat lze v reálném čase, nebo reálný čas zcela pominout. Po spuštění je simulace v reálném čase iniciována řídicím systémem, spouštěným signálem přerušení z časovače. Během trvání řídicího cyklu se ze vstupních dat vypočítá akční zásah, který se vyšle přes komunikační linku do modelu řízené soustavy čekajícího na data. Model řízené soustavy z přijatých dat vypočítá odezvu, kterou posílá zpět přes komunikační kanál do řídicího systému, v němž se do konce řídicího cyklu obnoví data.

Při simulaci typu PIL v reálném čase je možné ověřit funkci řídicího systému jinde než v softwarovém simulačním nástroji, a to za přítomnosti mnoha faktorů, které budou významné i při řízení reálného technologického zařízení. Lze ověřit, zda výkon hardwaru řídicího systému postačuje k řízení daného procesu, a stanovit nejkratší možnou periodu řídicího cyklu. Rovněž je možné zhodnotit kvalitu regulace.

V opačném případě, při simulaci mimo reálný čas, spustí proces jeden z účastníků tak, že vyšle přes komunikační kanál data, která druhý systém přijme, zpracuje a výsledky odešle zpět, kde se opět příslušně zpracují; takto simulace probíhá stále dokola bez jakýchkoliv vnitřních časových omezení, dokud není zastavena. Lze říci, že simulace mimo reálný čas nepřináší nic zásadního. Jediné, co se ověří, je schopnost celého systému „žít“ jinde než v prostředí simulačního softwaru.

Hardware In the Loop (HIL)

O velký krok dále vede simulace metodou HIL. Princip naznačený na obr. 2 je zachován, ale na rozdíl od simulace typu PIL se použije jiné, reálné komunikační rozhraní a také je jinak modelována řízená soustava. Simulace způsobem HIL se typicky využívá především u složitých řídicích úloh, charakteristických velkými objemy vynaložených finančních prostředků a vážnými dopady při neúspěchu v řízení. Proto se, alespoň zpočátku, řídicí systém neodlaďuje s reálnou řízenou soustavou, přestože ta může být k dispozici, a místo ní se využívá speciální hardware přímo simulující fyzikální veličiny, které jsou přes vhodné rozhraní připojeny k řídicímu systému. Zpravidla jde především o D/A a A/D převodníky, proudové smyčky apod. Z pohledu běhu řídicího systému jde výhradně o simulaci v reálném čase s vazbou na interní a externí přerušovací systém řídicího hardwaru.

Simulací způsobem HIL se lze nejvíce přiblížit reálnému světu, neboť řídicí systém a jeho připojení ke snímačům i akční zásahy do řízeného systému jsou provedeny tak, jak tomu bude i ve skutečnosti. Díky nezávislosti na reálné řízené soustavě však lze simulovat i takové poruchy, které by s ní bylo jen stěží možné si dovolit. Dále lze údaje z některých snímačů nastavit na konstantní hodnoty a simulovat chování systému při změně pouze jednoho parametru řízené soustavy apod. Uvedenými postupy je možné v řídicím systému odhalit mnoho skrytých chyb. Po odladění řídicího systému (dosažení uspokojivých výsledků při simulaci HIL) může být řízený speciální hardware (model soustavy) nahrazen reálnou řízenou soustavou.

PIL versus HIL

Oběma metodám simulace, PIL i HIL, je společná simulace řídicí úlohy na vhodném hardwaru mimo samotné PC s modelem úlohy. Typické vlastnosti, kterými se obě metody liší, jsou shrnuty v tab. 1.

Tab. 1. Typické vlastnosti simulačních metod Processor In the Loop (PIL) a Hardware In the Loop (HIL)

Typické vlastnosti

Simulační metoda

PIL

HIL

hardware řídicího systému

vývojová deska s procesorem

konkrétní řídicí systém (s procesorem)

hardware reprezentující řízenou soustavu

simulační PC

specifický simulační hardware nebo reálná fyzická soustava

komunikační kanál mezi řídicím systémem a řízenou soustavou

RS-232, CAN, Ethernet apod.

D/A a A/D převodníky, proudové smyčky apod.

způsob běhu simulace

v reálném čase nebo mimo reálný čas

v reálném čase

Mají-li být simulační metody PIL a HIL plně využívány, je nutné vytvořit dostatečnou základnu programových prostředků a okruh využitelného hardwaru.

Hardware pro systém řízení lze volit ze široké škály procesorů od šestnáctibitových až po 32(64)bitové s operačním systémem reálného času a je možné využít i vhodný programovatelný automat (PLC).

Od softwaru je požadována schopnost generovat z modelu úlohy vytvořeného v PC spustitelné kódy pro různé cílové výpočetní platformy, a to s podporou alespoň základních komunikačních protokolů. Důležitá je také možnost ovládání simulačních úloh prostřednictvím modelu v PC. Takové podpory již komerčně dostupné produkty poskytují.

Závěrem

Okruh využití simulačních metod typu PIL i HIL je velmi široký. Uplatňují se v letectví, armádě, automobilovém průmyslu apod., v podstatě všude tam, kde jde o složité řídicí úlohy na komplexních soustavách. Jejich velkým přínosem je schopnost odhalit mnoho skrytých problémů před tím, než je řídicí systém skutečně realizován v celém rozsahu a použit; to se pozitivně promítne v mnoha nezanedbatelných ohledech. Vytvořit zázemí pro tyto simulační metody sice nelze bez vynaložení velkého počátečního úsilí, to se však zpravidla v budoucnu mnohonásobně vrátí.

Poděkování
Článek vznikl za podpory projektem CEPOT (Centrum podpory talentů, registrační číslo projektu CZ.04.3.07/4.2.01.1/0045) na katedře řídicí techniky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Odkazy na internet:
http://www.mathworks.com
http://www.dspaceinc.com

Pavel Jelínek,
student, katedra řídicí techniky FEL ČVUT v Praze
(jelinp4@fel.cvut.cz)