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15.6.2009
Eingebettete SystemeQualität und Produktivität
Prof. Dr. Holger SchlingloffInstitut für Informatik der Humboldt Universität
und
Fraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik
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15.6.2009 Folie 2H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
War wir bislang hatten
1. Einführungsbeispiel (Mars Polar Lander)2. Automotive Software Engineering
• Domänen-Engineering• Modellbasierte Entwicklung
3. Anforderungsdefinition und -artefakte• Lastenheft TSG• Ziele und Szenarien• Strategien
4. Modellierung• physikalische Modellierung• Anwendungs- und Verhaltensmodellierung• Berechnungsmodelle, zeitabhängige & hybride Automaten• Datenflussmodelle (Katze und Maus)
5. Regelungstechnik
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15.6.2009 Folie 3H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
Pendel
• Aufstellen physikalischer Schwingungsgleichungen• Erstellen eines Simulationsmodells (Strecke/Regelung)• Simulation und Validierung des Modells• Codegenerierung
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15.6.2009 Folie 4H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
Schwingungsgleichung Pendel
• Ansatz: Trägheitskraft = Rückstellkraft m*s= -m*g*sin =s/L s+g*sin(s/L)=0
• Anfangsbedingung (0) bzw. s(0)• Linearisierung: für kleine gilt sin
s=(-g/L)* s
• Analytische Lösung oder Simulation
Länge L
Masse m
Auslenkung s
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15.6.2009 Folie 5H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
inverses Pendel
•Modellierung der Strecke mit Wagen und Pendel
http://www-user.tu-chemnitz.de/~beber/DA/Diplomarbeit_IP.pdf
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15.6.2009 Folie 6H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
inverses Pendel
•Wagen: F=U-M*x•Pendel:
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15.6.2009 Folie 7H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
Pendel @ FIRST
•Fehlertolerante Realisierung!
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15.6.2009 Folie 8H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
Crashkurs Regelungstechnik
• Allgemeines Schema eines Regelkreises:
© Prof. Dr.-Ing. Ch. Ament
• Eingebettetes System:
System
Umgebung
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15.6.2009 Folie 9H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
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15.6.2009 Folie 10H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
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15.6.2009 Folie 11H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit
• lineares DGL-System. Sei x der Vektor der Regelgrößen, u der Vektor der Stellgrößen und y ein Vektor von Messgrößen.
• Das System x[t+1]=A*x[t]+B*u[t] ist steuerbar mit Schrittweite n, wenn es zu jedem Wertepaar p, q eine Folge u[0],…,u[n-1] gibt mit p=x[0] und q=x[n] intuitiv: das System lässt sich von p nach q steuern
• Ein System mit x[t+1]=A*x[t]+B*u[t] und y[t+1]=C*x[t]+D*u[t] ist beobachtbar, wenn aus der Steuerfolge u[0],…u[n-1] und der Messwertfolge y[0],…, y[n-1] mit der Schrittzahl N der unbekannte Anfangszustand x[0] bestimmt werden kann intuitiv: der Zustand lässt sich aus dem Verhalten ableiten
Erweiterungen für den kontinuierlichen Fall Charakterisierung mit algebraischen Mitteln
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15.6.2009 Folie 12H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
Reglerklassen
• Proportionaler, integraler und differentialer Anteil bei der Regelung P-Regler: u(t)=k*e(t) I-Regler: u(t)=k*e(t) dt D-Regler: u(t) = k*e(t) PI-Regler: u(t) = k1*e(t) + k2*e(t) dt PD-Regler: u(t) = k1*e(t) + k2*e(t) PID-Regler: u(t) = k1*e(t) + k2*e(t) dt + k3*e(t)
u(t) = KP*[e(t) + 1/TI*e(t) dt + TD *e(t)]
KP: Proportionalbeiwert, TI: Nachstellzeit, TD: Vorhaltezeit
• Ziel: Vermeidung bzw. Dämpfung von Überschwingungen
• „Reiner“ Differenzierer nicht realisierbar (Verzögerung!)
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15.6.2009 Folie 13H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
informell
• PID-Regler: P(proportionaler) Anteil: „Je größer die
Regelabweichung, umso größer muß die Stellgröße sein“
I(integraler) Anteil: „Solange eine Regelabweichung vorliegt, muß die Stellgröße verändert werden“
D(differentieller) Anteil: „Je stärker sich die Regelabweichung verändert, umso stärker muß die Regelung eingreifen“
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15.6.2009 Folie 14H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
PID in Simulink
•Als fester vorgegebener Block verfügbar!
m1 = 2.3 kgk = 250 N/mc = 4.5 N sec/mL0 = 0.1 mx1(0) = L0x1_dot(0) = 0
1s
velocity
1s
position
-K-
k
0.3
desired pos
4.5
c
output
To Workspace
Scope
0.1
L0
-K-
Kp
1
Ki
10
Kd
1s
Integrator
du/dt
Derivative
-K-
1/m1
x_dot xx_ddotpos error f (t)
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15.6.2009 Folie 15H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
Einstellung des Reglers
• Erst den proportionalen Anteil einstellen erhöhen bis leichte Oszillation auftritt
• Dann integralen Teil hochregeln solange bis die Oszillation aufhört
• Dann differentiellen Anteil damit Zielgerade möglichst schnell erreicht wird
Parameter Anstiegszeit Überschwingung
Einschwingzeit Abweichung
P -- + +- -
I -- ++ + 0
D +- -- -- +-
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15.6.2009 Folie 16H. Schlingloff, Eingebettete Systeme
Beispiel Wasserstandsregelung
•Hausaufgabe!