LabVIEW in Praktika und Vorlesung: Referent: Fabian Töpper, Dipl.-Ing.

Transkript

1 LabVIEW in Praktika und Vorlesung: Simulation & Control Design Referent: Fabian Töpper, Dipl.-Ing.

2 Agenda 1. Vorstellung Control Design & Simulation Modul 2. Prozess der Reglerimplementierung 3. Möglichkeiten Control Design 4. Möglichkeiten Simulation 5. Reglereinsatz 6. Ideen für LabVIEW in der Lehre 7. Fazit Dauer: 30 Minuten

3 Control Design & Simulation Module Control Design & Simulation Module Konstruktion von Regelmodellen Analyse des Systemverhaltens Simulieren der Systemdynamik Verwendung von Simulink Modellen MathScript RT Modul Ausführung von m-dateien und m-script

4 Control Design & Simulation Module Erwerb der Module LabVIEW Control Design & Simulation Module MathScript RT Modul LabVIEW Developer Suite Control Design & Simulation Option Control Design & Simulation Simulation Interface Toolkit System Identification Toolkit MathScript RT Modul

5 Reglerimplementierung Modellierung Entwurf Regler Simulation mit Abstimmung Einsatz

6 Control Design Funktionen

7 Modellierung mit Übertragungsfunktion Angabe von Zähler & Nenner Numerisch oder symbolisch SISO und MIMO möglich kontinuierlich & zeitdiskret

8 Modellierung mit Zustandsraumdarstellung Angabe der Systemmatrizen Numerisch oder symbolisch

9 Modellierung mit Pol-Nullstellen Angabe Kontinuierlich oder zeitdiskret

10 Reglerentwurf Regler-Entwurf mit bekannten Methoden im Frequenz- und Zeitbereich

11 Sprungantwort geschlossener RK VIs verfügbar für Impulsantwort Startwert-Antwort Signalverlaufsantwort

12 Automatische Parameterbestimmung Parameterbestimmung der Sprungantwort Optimierung eines Parameters per Programm denkbar

13 Entwurfswerkzeuge im Frequenzbereich Bode Diagramm Bode Diagramm Nyquist Diagramm Wurzelortskurve Nichols Diagramm Amplituden- und Phasengrenze Bandbreitenberechnung

14 MathScript Knoten Text-basiertes Modellieren mit dem MathScript Knoten Kombinationen aus Text-basiertem und grafischem Programmieren möglich

15 MathScript Knoten Befehle testen im MathScrip Fenster M-Script im Knoten nutzen Viele Aufgaben mit VIs oder MathScript lösbar Ausgabefenster Arbeitsbereich der Variable Anwenderbefehle Anzeigen/ändern des Variableninhalts M-file-Script (LabVIEW» Tools» MathScript Window)

16 Control Design Grenzen der Control Design VIs Rein analytische Betrachtung der Regelstrecke Nicht-Linearitäten können nicht betrachtet werden

17 Simulation Simulation dynamischer Systeme mit dem Control Design & Simulation Module möglich Simulation lineare, nicht-linearer, Zeit-diskreter und -kontinuierlicher Modelle

18 Simulationsschleife Eingangsknoten Hauptschleife Ausgangsknoten Ein integrierter Solver (für Differenzialgleichungen) ermöglicht ein zeitkontinuierliches System.

19 Simulationsschleife Simulationsschleife mit Nicht-Linearitäten Regelstrecken-ÜF mit Control Design VI erstellt

20 Parameter der Simulationsschleife Ziehen des linken Knotens stellt Simulations-Parameter dar Parameter können zur Laufzeit des Programms angepasst werden

21 Eingangssignale für Simulation Signal-Quellen könne simulierte Signale sein Standard-Signale Benutzer-definierte Signal Verwendung realer Signal-Quellen Z.B. analoge Signale einer Daten- Erfassungskarte Letzter Schritt vor Verwendung der echten Regelstrecke

22 Simulation Model Converter Umwandlung von mdl-dateien (Simulink ) in VIs Im VI wird eine Simulation Loop angelegt

23 Optimierung des Regler Reglerentwurf Abstimmung Parameter Abschätzen der Leistung Simulation Einbringen von Nicht- Linearitäten Verifizierung der Leistung

24 Einsatz des Regelsystems Ersetzen des Regelstreckenmodells durch Hardware-I/O Timing der Hardware-I/O muss mit dem der Simulationsschleife übereinstimmt

25 Optionen für den Einsatz des Regelungssystems Einsatzmöglichkeiten der mit dem LabVIEW Control Design and Simulation Module entwickelten Algorithmen: Desktop-PC Programm läuft unter Windows ab Ein- und Ausgang über NI-Datenerfassungsgerät PCIe-6259 Echtzeitsystem Deterministischer Programmablauf Ein- und Ausgabe über spezielle Module compactrio

26 NI ELVIS II Experimentierplattform für die Ausbildung USB Verbindung zum PC Anschlüsse für Tastköpfe und Messleitungen Sehr flexibel im Einsatz durch Steckplatinen Entspricht im Funktionsumfang einer M-Serien Karte

27 Versuchsaufbauten von Quanser Aufbauten für NI-ELVIS II Regelung eines DC-Motors Modulares lineares Pendel Helikopter mit 3 Freiheitsgraden Rotierendes umgekehrtes Pendel

28 Ideen für den Einsatz in der Lehre Durchgängige Verwendung von LabVIEW als universelle Programmierwerkzeug Vermittlung der Graphischen Programmierung als moderne Programmiermethode Datenerfassung und Ausgabe, Darstellung Geräteansteuerung LabVIEW ermöglicht Fokus auf die Aufgabe, nicht den Code LabVIEW ist leicht zu erlernen, niedrige Einstiegshürden

29 Ideen für den Einsatz in der Lehre Control Design & Simulation Module Einfache Verwendung ermöglicht den Einsatz ab Grundlagenpraktika Möglichkeit, anspruchsvolle Aufgaben zu realisieren Eine Umgebung vom Reglerentwurf bis zum Einsatz Zerteilung der Vermittlung des Regler-Entwicklungsablaufs in Einheiten möglich, bei Beibehaltung der Durchgängigkeit Modellierung Entwurf Regler Simulation mit Abstimmung Einsatz System Identification Toolkit Control Design Funktionen Simulationsknoten DAQ Hardware, Echtzeitsysteme

30 Fazit Das Control Design & Simulation Module für LabVIEW deckt den Regler-Entwicklungsprozess vom Entwurf bis zum Einsatz ab Das CDS Modul ist einfach zu benutzen Die mathematische Systembeschreibung ist wählbar Es kann graphisch oder Text-basiert programmiert werden Die Umgebung ist offen zu MATLAB/Simulink Der Übergang zwischen den Entwicklungsschritten ist fließend Der Einsatz des gefundenen Reglers ist einfach möglich Spezielle Hardware für die Lehre ist verfügbar

31 Vielen Dank für Ihr Interesse. Fragen beantworte ich gerne.

32 Weitere Informationen NI LabVIEW Control Design and Simulation Module für Windows NI LabVIEW MathScript RT Module für Windows NI LabVIEW für Rapid Control Prototyping und Hardware-inthe-Loop-Simulation