Design Control Systems – מערכות בקרה

כשמתכננים מערכת בקרה צריך לקחת בחשבון אספקטים שונים כמו מידול המערכת, ביצוע סימולציות של הדינמיקה וההתנהגות של המערכת, תכנון הבקרים והלוגיקות השונות ועוד. בהמשך נפרוס כל מה שחשוב לדעת על מנת לתכנן מערכות בקרה מקצה לקצה.

מידול וסימולציה של דינאמיקה המערכת

ניתן להשתמש ב-MATLAB ו-Simulink על מנת לבנות את המודלים של המערכת (Plant). ישנן גישות רבות על מנת לתאר את הדינאמיקה של המערכת הפיסיקאלית: בנית מודל מתמטי של המערכת בשימוש במשוואות הדיפרנציאליות, תיאור המערכת על ידי state space, פונקציה תמסורת ועוד.  גישה אחרת היא שימוש בכלים למידול פיסיקאלי בכדי למדל את המערכת בצורה גרפית – מבלי לדעת את המתמטיקה של המערכת.

במידה וברשותנו מערכת קיימת שאיננו יודעים את הרכיבים בה ("קופסא שחורה"), ואנו רוצים למדל אותה ב-Simulink נוכל להשתמש ב-System Identification ובהקלטות של inputs ו-outputs שלה מערכת בכדי לקבל את המודל המתמטי שלה.

ניתן לקרוא עוד על נושא מידול פיזיקלי בבלוג הבא.

תכנון וכיוונון בקרים

על אותו מודל שמידלנו ניתן לבנות בקר, לבחון ארכיטקטורות בקרה שונות, לבצע כיוונון ידני, לבצע אופטימיזציה למציאת קבועי הבקרה האופטימאליים בכדי לעמוד בדרישות שהוגדרו ועוד.

ל-MathWorks  יכולות המאפשרות:

  • ניתוח ופיתוח בקרים בחוג סגור, הערכת ביצועים לפי פרמטרים בשיטות בקרה קלאסיות כמו: תגובת יתר, זמן עלייה, שולי יציבות וכו'.
  • ביצוע לינאריזציה עבור מודלים לא-לינאריים, ובחינת נקודות עבודה שונות.
  • מידול וניתוח ההשפעות של אי-וודאות על הביצועים והיציבות של המודל.
  • ניתוח המערכת באמצעות גרפי בודה, עקומת רות-לוקוס, נייקוויסט ועוד טכניקות שונות לתכנון בקרה לינארית.
  • כוונן אוטומטי של בקרי PID בסימולציה או על החומרה עצמה.
  • בחינת אסטרטגיות בקרה מתקדמות, כגון MPC (Model Predictive Control) ובקרה רובסטית (Robust Control)

הוספת לוגיקה – מכונת מצבים 

על מנת להוסיף למודל לוגיקה אשר מפקחת על מערכת הבקרה ניתן ליצור מכונת מצבים בשימוש ב-Stateflow. כך ניתן לתזמן את פעולת הבקר ולשלוט במצב התפעול של המערכת.

הלוגיקה לפיה יקבע המעבר בין המצבים השונים תראה בצורה גרפית (בשימוש ב-State Diagram Animation), כך שנוכל לראות תוך כדי ההרצה ואפילו ב-Real Time את המעבר בין המצבים השונים של המערכת (בניגוד לקוד עם  statements שאינו מאפשר וויזואליזציה מסוג זה). שימוש בבלוקים שונים של Stateflow המתארים לוגיקה במגוון תצורות כגון: דיאגרמת מצבים, טבלת מצבים, תרשים זרימה או טבלת אמת. זאת על מנת למדל כיצד המערכת מגיבה לאירועים, תנאים מבוססי-זמן, או לסיגנלים חיצוניים.

פריסת אלגוריתם הבקרה על חומרה 

לאחר תכנון אלגוריתמי הבקרה, ניתן לבצע עבורם התאמה לקראת אימפלמנטציה לחומרה. למשל, ניתן להגדיר את המאפיינים עבור fix-point data type ולבחון את האריתמטיקה לפני ההשמה לחומרה. לאחר ווריפיקציה של אלגוריתם הבקרה בסימולציית desktop, ניתן לפרוס את האלגוריתם על מיקרו-בקרים שונים, PLCs ו-FPGAs. זאת באמצעות הכלים של המרת קוד אוטומטי.

ניתן לבצע טסטים וביצוע ווריפיקציה למערכת הבקרה. בנוסך ניתן לערוך בדיקות Hardware-in-the-loop (HIL), על ידי הרצת האלגוריתם הבקרה על ה- Embedded Controller והרצת מודל המערכת (Plant) ב-Real Time על מחשב זמן-אמת שמחובר לבקר. להרחבה בנושא ניתן להיכנס לעמוד הבא.

וכן כמובן שניתן להמשיך לבדוק את מערכת הבקרה באמצעות שיטות אימות רשמיות. להרחבה בנושא ניתן להיכנס לעמוד הבא. 

לקבלת מידע נוסף בנושא מלאו את הטופס