Hardware-In-the-Loop per la prototipazione rapida di sistemi di

Hardware-In-the-Loop
per la prototipazione rapida di
sistemi di motion control
Antonio Visioli
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Università degli Studi di Brescia
[email protected]
INTRODUZIONE
Ricreare l’ambiente di lavoro di una particolare applicazione al fine di
simularne il comportamento per ottimizzare le strategie di controllo
Protocollo HIL (hardware-in-the-loop)
Installazione sistema
reale sul campo avendo
già simulato il set-up
completo in precedenza
Conoscenza del
funzionamento e delle
problematiche principali
dell’applicazione
Progettazione con approccio Rapid Control Prototyping
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HARDWARE IN THE LOOP
Hardware-in-the-loop:
Tecniche di verifica e validazione di unità di controllo elettroniche che siano
in grado di riprodurre, a vari livelli di dettaglio, il sistema a cui sono destinate
Campi di utilizzo:
-
dispositivi medici
macchine industriali
sistemi di generazione dell’energia
elettrodomestici
industria aeronautica e aerospaziale
automotive
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HARDWARE IN THE LOOP
Hardware-in-the-loop:
Tecniche di verifica e validazione di unità di controllo elettroniche che siano
in grado di riprodurre, a vari livelli di dettaglio, il sistema a cui sono destinate
Campi di utilizzo:
-
dispositivi medici
macchine industriali
sistemi di generazione dell’energia
elettrodomestici
industria aeronautica e aerospaziale
automotive
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HARDWARE IN THE LOOP
Fasi della simulazione HIL:
Sviluppo del modello del contesto reale in cui il dispositivo hardware dovrà operare
Test del dispositivo sul processo simulato (HIL)
Implementazione dell’hardware sul processo reale (se la simulazione ha esito positivo)
Attività della simulazione HIL:
-
verifica dei sistemi prototipali
ottimizzazione delle strategie di controllo tramite analisi dinamica
verifica step-by step delle singole parti
possibilità di osservare grandezze nascoste nel sistema reale
validazione delle prestazioni del sistema di controllo
verifica dei limiti di stabilità e campo di lavoro
possibilità di effettuare test di vita accelerati del prodotto
effettuazione di demo o simulazioni di scenari
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SETUP SPERIMENTALE
SETUP SPERIMENTALE
w
Encoder#1
Encoder#2
MST
DRIVE
Inertia/Friction
Test-Bed System
Compensation
+
Tcomp
System Model
Trif
La compensazione di attrito e inerzia sono fondamentali per il funzionamento del sistema HIL
COMPENSAZIONE
Il banco di simulazione è stato modellizzato attraverso il sistema dinamico
 J tω& (t ) = Tm (t ) + Ts (t ) − Tms (ω (t ))
&
ϑ (t ) = ω (t )
Il motore simulatore deve compensare il suo contributo dinamico al fine di
trasformare il sistema in
 J mω& (t ) = Tm (t ) + Tc (t ) − T f (ω (t ))
&
ϑ (t ) = ω (t )
Quindi:
Ts (t ) = Tc (t ) − T f (ω (t )) + Tms (ω (t )) + ( J t − J m )ω&
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COMPENSAZIONE
Integrazione dei programmi utili alla stima di attrito e inerzia del banco di
simulazione con relativo algoritmo di compensazione del motore simulatore
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COMPENSAZIONE
^
f
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STIMA PARAMETRI
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STIMA PARAMETRI
Valori di attrito per diverse velocità di funzionamento:
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LIBRERIE MECCANICHE
Insieme di blocchi elementari con caratteristiche standard, utili a
ricreare il setup di un sistema meccanico generico da simulare
Blocchi standardizzati con funzionalità meccaniche di base
Elementi dotati di connessioni multiple di ingresso e uscita
Blocchi elementari utilizzati per la creazione di sistemi complessi
Layout dei moduli :
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LIBRERIE MECCANICHE
Modelli librerie :
- Modulo massa-molla-smorzatore
- Modulo puleggia
- Modulo trasmissione
- Modulo motore
- Modulo freno
- Modulo gioco
Esempio :
 A& d (t ) = ωd (t )

1

ω& d (t ) = (k ( Au (t ) − Ad (t ) ) + h(ωu (t ) − ωd (t ) ) + c sgn (ωu (t ) − ωd (t ) ) + Td (t ) )
J

Tu (t ) = −(k ( Au (t ) − Ad (t ) ) + h(ωu (t ) − ωd (t ) ) + c sgn (ωu (t ) − ωd (t ) ))
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VALIDATION
µωn2
1
G ( s ) :=
= 2
= 2
Tm ( s ) Js + hs + k s + 2ξωn s + ωn2
ω (s)
Tm ( s ) = 10 sin(0.1ω n t ) + 2 sin(0.5ω n t ) + sin(ω n t ) + 0.5 sin(2ω n t ) + 0.1sin(10ω n t )
ωn = 10
ωn = 100
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VALIDATION
ωn = 10
ωn = 100
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SISTEMI COMPLESSI
Connessione dei moduli costituenti le librerie per creare sistemi complessi
- Semplicità di connessione fra i moduli (sviluppati con il medesimo layout)
- Possibilità di ricreare una qualsiasi applicazione (in base alle librerie)
- Possibilità di ampliare l’applicazione creata
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ESEMPIO: ASCENSORE
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ESEMPIO: ASCENSORE
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RISULTATI
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ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
- Azioni realizzate unicamente da un circuito idraulico alimentato da una servopompa
- Controllo in pressione e velocità realizzato da due PID in cascata
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ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
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ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
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ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
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ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
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ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
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ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
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LIBRERIE IDRAULICHE
- Q: portata
- P: pressione
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ESEMPIO
l'anello più interno e veloce regola la velocità della pompa w
l'anello esterno, a dinamica più lenta, regola la pressione p
saturazione del PID di pressione con i valori di set-point della velocità
saturazione del PID di velocità con i limiti di coppia del motore sotto test
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ESEMPIO
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ESEMPIO
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ESEMPIO
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CONCLUSIONI
-
Un sistema HIL è molto utile per sviluppare il sistema di controllo.
-
Possibilità di capire malfunzionamenti in fase preliminare
-
Test del sistema di controllo prima della messa in servizio
-
Necessità di compensare le dinamiche introdotte dal sistema
-
Possibilità di creare sistemi complessi introducendo componenti modulari
-
Possibilità di utilizzare il software su diversi tipi di hardware
-
L’utilizzo dei software commerciali rende il metodo portabile e comodo
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CONCLUSIONI
-
Un sistema HIL è molto utile per sviluppare il sistema di controllo.
-
Possibilità di capire malfunzionamenti in fase preliminare
-
Test del sistema di controllo prima della messa in servizio
-
Necessità di compensare le dinamiche introdotte dal sistema
-
Possibilità di creare sistemi complessi introducendo componenti modulari
-
Possibilità di utilizzare il software su diversi tipi di hardware
-
L’utilizzo dei software commerciali rende il metodo portabile e comodo
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