Phase 1: Anwendungsanalyse

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1 Übersicht Phase 1: Anwendungsanayse Echtzeitsysteme 2 - Voresung/Übung Ziesetzung Probematik Lösungsansätze Anforderungen & Fakten Fabian Scheer Peter Ubrich Michae Stikerich Wofgang Schröder-Preikschat Lehrstuh für Informatik IV Verteite Systeme und Betriebssysteme Friedrich-Aexander Universität Erangen-Nürnberg {scheer,ubrich,mike,wosch}@cs.fau.de 1 Ziesetzung Probematik physikaisches Objekt sebst einfach erscheinende Objekte sind aus physikaischer Sicht äußerst kompex Vereinfachungen sind unabdingbar Beispie: Hau den Lukas Weche Größen sind reevant? Wie hängen diese Größen zusammen? 2 Echtzeitsystem Weche Ereignisse git es zu behanden? Weche Zeitschranken git es einzuhaten? Weche Beziehung Zeitschranke physikaischen Objekt gibt es? Wie sieht das physikaische Mode aus? Weche Größen des physikaischen Modes muss man abbiden? Wie bidet man diese Größen ab? 3 4

2 Probematik: Hau den Lukas Schatvorgänge an den Spuen sind nicht konstant! in Abhängigkeit der Position des Eisenkerns Wo ist der Eisenkern in der Spue? Wo ist der Eisenkern in der Spue? Weche Geschwindigkeit hat der Eisenkern? Bescheunigung des Eisenkerns ist nicht konstant! Ein- und Ausschatvorgänge und die Induktionsgesetze Induktivität der Spue Kraft auf den Eisenkern in der Spue ist nicht konstant! Induktivität der Spue ist nicht konstant! Ergebnisse: Hau den Lukas (SS 2006) Kraft auf den Eisenkern ist nicht konstant kompexe, zeitabhängige Vorgänge macht Integration notwendig häufig nicht mehr anaytisch darstebar numerische Lösung wird erforderich 5 Ergebnisse: Hau den Lukas (SS 2006) Ergebnisse: Hau den Lukas (SS 2006) Schatverzögerung der Spue in Abhängigkeit der Position des Eisenkerns 6 Kraftwirkung der Spue auf den Eisenkern in Abhängigkeit der Position des Eisenkerns 7 8

3 Ergebnisse: Hau den Lukas (SS 2006) Lösungsansätze sebst das Mode ist bereits stark vereinfacht Reduktion auf den Zustand Regeungstechnik verschiedene Größen werden nicht berücksichtigt Gegeninduktion Wirbeströme Luftwiderstand experimentee Bestimmung gewisser Randparameter 9 Reduktion auf den Zustand Beispie: Hau den Lukas... genauer: den beobachtbaren Zustand Idee - aktuee Spue: Spue n - vorherige Spue: Spue n + 1 aufwärts - vorherige Spue: Spue n - 1 abwärts man kann den Zustand immer beobachten... und man kann ihn geziet und exakt manipuieren Konsequenz für unser Mode Spue n es kann auf den beobachtbaren Zustand reduziert werden häufig gibt es nur noch diskrete Wertbereiche Manipuation Eisenkern kann - festgehaten werden - faen geassen werden - angehoben werden reine Kausaitäts- aso Ursache-Wirkung-Beziehung drastische Vereinfachung des Modes Spue n 1 ohne reevante Eigenschaften zu verieren Beobachtung der etzten Spue: durch Lichtschranken der Bewegungsrichtung: Spue n Zustand ist voständig beobachtbar und geziet manipuierbar 11 12

4 Nachtei Regeungstechnik dieses Mode sagt nichts aus über... den Eisenkern die verwendeten Spuen die Umgebungstemperaturen Interner Zustand ist nicht beobachtbar Interne Parameter beeinfussen System in reevantem Umfang Probem Idee Nachbidung/Berechnung des Zustandes durch physikaisches Eine geziete Manipuation kann nicht garantiert werden Mode ink. internem Verhaten Wenn diese Größen verändert werden System muss sich gutmütig verhaten mathematisch/physikaische Beschreibung des Systems Bestimmung der Systemparameter: Trägheit, Widerstand,... Berücksichtigung vergangener Zustände gegenüber Parametern, die man nicht kontroieren kann diese Parameter kann man dann vernachässigen Beschreibung des Systems durch das Mode Längst nicht ae Systeme erfüen diese Eigenschaft Exakte Anayse notwendig 13 Regeungstechnik Systemmatrix Abweichung vom Sowert des Systems Ist-Wert des Systems Rückkoppung der internen Zustände Reaktion Abhängig von den Momenten des Objekts (Masse, Trägheit) und Motor/Propeer (Trägheit, Reibung, Wirkungsgrad) berechenbar System-Mode Zustand Beschreibt die Zusammenhänge zwischen beeinfussbaren, beobachtbaren und berechenbaren Systemparametern Manipuation Die erzeugte Schubkraft kann variiert werden Gereget wird die Spannung u der Motoren Beobachtung Winkegeschwindigkeit und Lage um X bzw. Y-Achse beobachtbar beeinfussbar 14 Beispie: Quadkopter Systemtheorie Eingangsvektor Ausgangsvektor Konsequenz für unser Mode 15 Nicht beobacht-, aber berechenbar 16

5 Modebidung Anforderungen & Fakten Berechnung beiebiger Zustände Bestimmung durch Messung Ersteen von Kenninien (Messung zusätzicher Parameter) Abeiten von Konstanten oder Funktionen z.b. Motor Hau den Lukas Generator Quadkopter Eisenbahn Messung - Schubkraft - Drehzah - Stromaufnahme - Spannung Motorkonstante Funktion - Spannung/Schub 17 Anforderungen: Hau den Lukas (1) Anforderungen: Hau den Lukas (2) Programmierbarkeit ein Programm wird durch eine Datenstruktur beschrieben, die ift_continous(my_prog,7); fa_stepwise(my_prog,2); ift_continous(my_prog,4);... schießich wird dieses Programm ausgeführt start_program(my_prog); fogende Primitive soen beherrscht werden Not-Aus-Funktion Monitoring/Überwachung kritische Systemzustände werden erkannt und angezeigt z.b. wenn Spuen zu ange aktiviert sind Profiing Primitive sind kombinierbar Interaktion über die seriee Schnittstee bzw. CAN-Bus sofortiges Stoppen der normaen Funktion Übergang in einen sicheren Zustand schrittweise anheben/faen assen kontinuierich anheben/faen assen Benutzerschnittstee Programme werden unveränderich gespeichert ein Wechse zwischen den Programmen ist aber mögich Programme werden geaden durch Prozeduraufrufe erzeugt/initiaisiert wird wie ange ist weche Spue an, wie oft wurde weche Spue durchaufen 20

6 Fakten: Hau den Lukas Fakten: Hau den Lukas d dcb P C C P db dcb Länge: Spue Länge: Projekti Abstand: Lichtschranken Abstand:Spue Lichtschranke 30 mm 82 mm 230 mm 24 mm B db B d db m Länge: Projekti Länge: Bohrung Durchmesser: Projekti Durchmesser: Bohrung Gewicht Materia: Eisen 82 mm 26 mm 18,6 mm 10 mm 144 g db r2 r1 r2 R N r1 21 Innendurchmesse Außendurchmesse Induktivität Widerstand Windungszah Toeranz 23 mm 28 mm mm 0,82 mh 0,52 Ohm % 22 Fakten: Hau den Lukas effektive Länge Anforderung: Generator Ansteuerung der Spuen Impementierung fogendes Regekreises: Pin 0.5 Pin 0.12 (x.y: x Port, y Pin) bestimmt Drehzah Abfrage der Lichtschranken Pin 7.0 Pin 7.7 Reger Generator Unterbrechungen der Lichtschranken Pin 1.0 Rückkoppung Spannung naiver Reger - Hochfrequente Abtastung des Systems - keine Änderungen der Stegrößen Regerimpementierung Dauer von Ausösung der Lichtschranke bis zur ISR treibt an Motor vernachässigbar - mit/ohne Beobachter Bestimmung der Kenninien für Motor und Generator Evauation: Einschwingverhaten 23 24

7 Fakten: Generator Steuerspannung des Motors Fakten: Generator Messung durch Lichtschranke optisch abesbar Abgreifbar 6. Zuschatung div. Lasten konstant variabe 25 Anforderung: Quadkopter Und damit auf den impementierten Reger 5. Referenzspannung (7,8 V) Durch Potentiometer 3. Umschatung Steuerspannung/manue 4. Motordrehzah kontinuierich (PWM-Signa) diskret (256 Stufen, extra Patine) 2. Manuee Steuerung 1. manuee Steuerung, Potentiometersteung: MIN 2. Einsteung der Referenzspannung 3. Kaibrierung des Regers 4. Umschaten auf die Steuerspannung 26 Fakten: Quadkopter Regeung des Neigungswinkes der Rotorwippe Impementierung des Regekreises und des Beobachters Fiterung der Messergebnisse Baancieren der Achse Einsteung des Neigungswinkes bestimmt Drehzah beeinfusst Neigung Antrieb 1. Tricore 1796 Board Winke geschwindigkeit ideae Winke geschwindigkeit Reger misst 2. Sensorboard vergeicht Korrekturfaktor Beobachter vergeicht Rückkoppung 150MHz, 2MB MRAM Ethernet Gyroskop reae Winke geschwindigkeit Gyroskop und Bescheunigungss. 3. Wippe sicherer Test einer Achse Funkempfänger RC und optiona WLAN 5. Motorreger Steuerung PWM Signa Diskret (200 Stufen) 6. Antrieb Bürstenoser Motor (max 110Watt) 28

8 Fakten: Quadkopter Anforderungen: Eisenbahn (1) Züge können angehaten werden Züge können weg genommen werden (~ in Parksteung) Züge können dazu kommen (~ aus der Parksteung) 1 2 Steuerung mehrerer Züge Anschüsse 2. Bescheunigungssensor ADXL330, 3-Achsen, anaog Messbereich 5g Messgröße: Lage über Erdbescheunigung 3. Verstärker Messverstärker (7x) 4. Gyroskop (2x) IDG300, 2-Achsen, anaog Messgröße: /s Geisstrecken können stigeegt werden Geisstrecken können wieder in Betrieb genommen werde keine Partitionierung des Schienennetzes Fakten: Eisenbahn Verwatung von Zügen in die Parkposition beordern aus der Parkposition aufwecken Routenberechnung gespeichert werden nur Start- und Endpunkt einer Route der etztendich Weg wird dynamisch berechnet Anforderungen: Eisenbahn (2) Veränderiches Streckennetz Füe von Dokumentation Ort: /proj/i4ezs/experimente/eisenbahn Auf Erkenntnisse früherer Semester darf zurück gegriffen werden! Probematik Verwatung von Geisen Stiegen und Freigeben von Geisabschnitten Verwatung von Routen Was steht in der Dokumentation, was nicht? Was ist überhaupt reevant? Löschen/Neueingabe/Ändern/Zwischenstationen Sichtung der Daten ist nicht trivia! Not-Aus sofortiges Stoppen der normaen Funktion Übergang in einen sicheren Zustand Passagiere müssen aussteigen können 31 32

9 Fakten: Eisenbahn Fakten: Eisenbahn reevant sind unter anderem Geisängen - bestehend aus mehreren Geisstücken - entsprechende Daten z.b. bei Geschwindigkeiten der Loks manche Größen kann man sicherich vernachässigen Verhätnis zu anderen Größen können diese Größen akkumuiert werden - maximae Geschwindigkeit ist gedecket - Bestimmung (= Messung) der maximaen Geschwindigkeit - Unterstützung mehrerer Geschwindigkeitsstufen Hauptaufgabe Latenzen - Besetztmeder, Schranken, Weichen,... Trix-Bus reevante Größen finden wie Verhaten sich diese Größen zu einander was sind bei der Steuerung die zeitkritischen Teie - Übertragungsgeschwindigkeit, Fazit Fazit scheinbare Vorgänge sind physikaisch sehr kompex kompexe physikaische Vorgänge sind mathematisch häufig nicht anaytisch ösbar Vereinfachungen des Modes numerische Lösungsansätze 34 scheinbare Vorgänge sind physikaisch sehr kompex kompexe physikaische Vorgänge sind mathematisch häufig nicht anaytisch ösbar Vereinfachungen des Modes numerische Lösungsansätze Massive Vereinfachungen sind notwendig Was muss man wirkich wissen? Was kann man wissen/messen? Weche Einschränkungen sind damit verbunden? Massive Vereinfachungen sind notwendig Was muss man wirkich wissen? Was kann man wissen/messen? Weche Einschränkungen sind damit verbunden? Entwurf des Echtzeitsystems setzt Vertrautheit mit dem physikaischen Objekt voraus! 35 36