Hardware-In-the-Loop per la prototipazione rapida di sistemi di motion control - Antonio Visioli Dipartimento di Ingegneria Meccanica e ...
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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
antonio.visioli@unibs.itINTRODUZIONE
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 Conoscenza del
reale sul campo avendo funzionamento e delle
già simulato il set-up problematiche principali
completo in precedenza dell’applicazione
Progettazione con approccio Rapid Control Prototyping
2HARDWARE 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
3HARDWARE 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
4HARDWARE 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
5SETUP SPERIMENTALE
SETUP SPERIMENTALE
Encoder#1 Encoder#2
MST DRIVE
Inertia/Friction
Test-Bed System Tcomp +
Compensation
w
System Model
Trif
La compensazione di attrito e inerzia sono fondamentali per il funzionamento del sistema HILCOMPENSAZIONE
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&
8COMPENSAZIONE
Integrazione dei programmi utili alla stima di attrito e inerzia del banco di
simulazione con relativo algoritmo di compensazione del motore simulatore
9COMPENSAZIONE
^
f
10STIMA PARAMETRI
11STIMA PARAMETRI
Valori di attrito per diverse velocità di funzionamento:
12LIBRERIE 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 :
13LIBRERIE MECCANICHE
Modelli librerie :
- Modulo massa-molla-smorzatore
- Modulo puleggia
- Modulo trasmissione
- Modulo motore
- Modulo freno
- Modulo gioco
Esempio :
A& d (t ) = ωd (t )
ω& d (t ) = (k ( Au (t ) − Ad (t ) ) + h(ωu (t ) − ωd (t ) ) + c sgn (ωu (t ) − ωd (t ) ) + Td (t ) )
1
J
Tu (t ) = −(k ( Au (t ) − Ad (t ) ) + h(ωu (t ) − ωd (t ) ) + c sgn (ωu (t ) − ωd (t ) ))
14VALIDATION
ω (s) 1 µωn2
G ( s ) := = 2 = 2
Tm ( s ) Js + hs + k s + 2ξωn s + ωn2
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 15VALIDATION
ωn = 10 ωn = 100
16SISTEMI 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
17ESEMPIO: ASCENSORE
18ESEMPIO: ASCENSORE
19RISULTATI
20ESEMPIO: 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
21ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
22ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
23ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
24ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
25ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
26ESEMPIO: STAMPAGGIO DELLA PLASTICA
27LIBRERIE IDRAULICHE
- Q: portata
- P: pressione
28ESEMPIO
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
29ESEMPIO
30ESEMPIO
31ESEMPIO
32CONCLUSIONI
- 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
33CONCLUSIONI
- 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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