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Simulação e desenvolvimento de algoritmos de
tempo real usando Matlab/Simulink através de
bibliotecas externas
Eloy M. de Oliveira Jr.
Agenda
• Introdução
• Biblioteca True Time
• Algoritmo de Sincronização Desenvolvido
• Desenvolvimento de suas próprias bibliotecas
• Simscape
• Conclusão
INTRODUÇÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO
MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
INTRODUÇÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
Complexidade
– INDUSTRIA 4.0
– SISTEMA CIBERNÉTICOS-FÍSICOS :
» Integra computação, comunicação e controle em tempo real em diferentes níveis de operação,
usando um grande número de atuadores, sensors e controladores implementados em processadores
que se comunicam.
» Demandam alto desempenho, precisão, acuracia, modularidade, integração, dependabilidade,
segurança e outras habilidades.
» Requerem previsibilidade no dominio lógico e no domínio TEMPORAL.
INTRODUÇÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
– INDUSTRIA 4.0
– SISTEMA CIBERNÉTICOS-FÍSICOS :
» Integra computação, comunicação e controle em tempo real em diferentes níveis de operação,
usando um grande número de atuadores, sensors e controladores implementados em processadores
que se comunicam.
» Demandam alto desempenho, precisão, acuracia, modularidade, integração, dependabilidade,
segurança e outras habilidades.
» Requerem previsibilidade no dominio lógico e no domínio TEMPORAL.
INTRODUÇÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
Sistemas Complexos e Altamente Integrados
(SAE-ARP4754a)
– Exemplo: Steering-by-wire
– Sistemas Automotivos
INTRODUÇÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
Fonte:
Authors: Dilger, E.; Führer T. ; Müller, B.
Paper: The X-By-Wire Concept: Time-Triggered
Information Exchange and Fail Silence Support
by new System Services
Site:
http://www.vmars.tuwien.ac.at/projects/xbywire/
projects/new-bosch.htm
– Exemplo: Fly-by-Wire
– Sistemas Aeronáuticos
INTRODUÇÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
Fonte:
CONCORDE FLY-BY-WIRE SYSTEM
Site: http://heritageconcorde.com/?page_id=878
– Exemplo: Orion Spacecraft
– Sistemas Espaciais
INTRODUÇÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
Source:
Orion Mission - http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100040584.pdf
– Exemplo: Cadeia de processo têxtil
– Sistemas Industriais
INTRODUÇÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
Source:
“Cyber-Physical Systems in textile production – the next industrial revolution? “ - Yves-
Simon Gloy, Anne Schwarz, Thomas GrieInstitut für Textiltechnik, RWTH Aachen University,
Aachen, GermanyCorresponding Author. Email: yves.gloy@ita.rwthaachen.de
https://www.textile-future.com/textile-manufacturing.php?read_article=1829
INTRODUÇÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
Domínio
Computacional
Domínio de
Controle
(Físico)
Domínio de
Comunicação
Domínio
Computacional
TRUETIME
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO
MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
• Simulador baseado no Matlab/Simulink para sistemas de controle em tempo real.
• Desenvolvida por Henriksson, Cervin e Arzén (2002) – Universidade de Lund – Suécia;
• Desenvolvida na linguagem C/C++;
• Open Source;
• Integrada ao Matlab/Simulink – Com ela é possível usar outras toolboxes e capacidades do Matlab/Simulink
para o desenvolvimento das simulações.
TRUETIME
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
• Com o TrueTime é possível:
– Simular a execução de tarefas em núcleos (kernel) de tempo real
– Simular a transmissão por redes de comunicação
– Integrar tudo a uma planta dinâmica
• O Simulador inclui ainda:
– Possibilidade de similuar controles complexos e as influencias temporais sobre agendamento de
tarefas, redes de comunicação;
– Possibilidade de escrever tarefas utilizando arquivos .M ou funções C++;
– Usar blocos do Simulink junto aos blocos do truetime
– Simular as redes Ethernet, CAN, TDMA, FDMA, Round Robin, Switched Ethernet, FlexRay and
PROFINET)
– Wireless network block (802.11b WLAN and 802.15.4 ZigBee
– Simulação de dispositivos com bateria, Dynamica Voltage Scaling e relógios locais.
TRUETIME
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
TRUETIME
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO
MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
• Sistema de Controle por Rede
ss
sG

 2
1000
)(
CSMA/CD
Digital PID
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
1) Bias Inicial:
C1: 0;
C2: 0.1 sec;
C3: 0.01 sec;
C4: -0.1 sec;
2) Derivas:
C1: 0;
C2: 1%;
C3: 0.01%;
C4: -0.01%.
3) MMCF:
C1: 1;
C2: 2;
C3: 2;
C4: 2.
• Algoritmo FTM
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Relógio de Referência (segundos)
RelógioLocal(macrotick)
Macrotick
C1
C2
C3
C4
Initial De-synchronization
Initial offsets values:
C1: 0;
C2: 0.1 sec;
C3: 0.01 sec;
C4: -0.1 sec;
Reference Clock (seconds)
LocalClock(macrotick)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Relógio de Referência (segundos)
CorreçãoFTM(segundos)
Algoritmo FTM
C2
C3
C4
Reference Clock (seconds)
FTMCorrection(seconds)
FTM Algorithm
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
Relógio de Referência (segundos)
Diferençamacrotick(segundos)
Diferença Macrotick
C1 - C2
C1 - C3
C1 - C4
C2 - C3
C2 - C4
C3 - C4
Precisão ≈ 50 ms
Reference Clock (seconds)
MacrotickDifference(seconds)
Macrotick Difference
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
• Algoritmo FTM.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Relógio de Referência (segundos)
Controle
Controle PID
Controle
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Relógio de Referência (segundos)
RespostaDinâmica(graus)
Dinâmica
Referência
Resposta
Overshoot > 50%
Reference Clock (seconds) Reference Clock (seconds)
Dynamics PID Controller
Controller
Reference
Response
DynamicResponse
(degree)
Controller
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
• O Algoritmo FTM sincroniza o sistema!
• Em contrapartida degrada a resposta do sistema de controle!
• Causa Principal:
–Viés Inicial do Relógio!
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
STM
NOMO
T1
T4
STM – DEADBEAT CONTROLLER
NOMO - FTM ALGORITHM
NOMO mode -
Algoritmo PReS
• Projeto do Controlador
D(z) μT(z)
-
R(z) E(z) C(z)+
Modelo do RelógioControlador
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
• Modelo de Recorrências do Relógio Clock Model:
MICROTICK (mt)
MACROTICK (MT)
LOCAL TIME (LT)
GLOBAL TIME (GT)
Controlador Deadbeat
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
• Projeto do Controlador
D(z) μT(z)
-
R(z) E(z) C(z)+
Função de Ajuste para modo STM:
u(k): valor de ajuste no instante k;
ρ: deriva do relógio;
μt(0): offset inicial;
e(k): erro entre o relógio local e de referência.
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
• Algoritmo PReS
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-15
-10
-5
0
5
10
Relógio de Referência (segundos)
CorreçãoDeadbeat(segundos)
Deadbeat
C2
C3
C4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Relógio de Referência (segundos)
CorreçãoFTM(segundos)
Algoritmo FTM
C2
C3
C4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Relógio de Referência (segundos)
RelógioLocal(macrotick)
Macrotick
C1
C2
C3
C4
Transição
Reference Clock (seconds)
FTMCorrection(seconds)
FTM Algorithm
Reference Clock (seconds)
DeaheatCorrection
(seconds)
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
• Algoritmo PReS
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Relógio de Referência (segundos)
Controle
Controle PID
Controle
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Relógio de Referência (segundos)
RespostaDinâmica(graus)
Dinâmica
Referência
Resposta
Overshoot << 50%
Reference Clock (seconds) Reference Clock (seconds)
Dynamics
PID Controller
DynamicResponse
(degree)
Controller
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
• Algoritmo PReS
• Melhor Paper Nacional Congresso SAE Brasil 2015
• Apresentado no Congresso Internacional do SAE 2016 – Detroit – MI - EUA
ALGORITMO DESENVOLVIDO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
Em comparação com o algoritmo FTM, ao incluir o modo STM
utilizando o controlador deadbeat, o algoritmo PreS melhora a lei
de controle reduzindo o overshoot sobre a resposta dinâmica.
A New Clock Synchronization Algorithm to Compensate the Initial
De-Synchronization of Clocks Based on a Deadbeat Controller for
Networked Control Systems
Eloy M. Oliveira Jr e Marcelo L. O. Souza
Congresso SAE Brasil 2015
DESENVOLVIMENTO DE SUAS
PRÓPRIAS BIBLIOTECAS
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO
MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
• O Matlab/Simulink permite você criar suas próprias bibliotecas
• Você pode, opcionalmente, inclusive adicionar ao Simulink® Library Browser e usar em seus modelos
quando quiser.
DESENVOLVIMENTO DE SUAS PRÓPRIAS BIBLIOTECAS
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
• Vantagens:
– Reuso de código e simulações.
– Integrar em simulações mais avançadas.
• Desvantagens:
– Geração de Código pode não ser possível
– Você precisa validar o resultado.
DESENVOLVIMENTO DE SUAS PRÓPRIAS BIBLIOTECAS
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
SIMSCAPE
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO
MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
• O Simscape provê uma conjunto de biblioteca de components que cobrem mais de 10 domínios físicos
diferentes;
– Mecânico
– Elétrico
– Hidráulico
– Pneumático,
– Entre outros
• A biblioteca é especialmente projetada para ajudar o usuário a criar components personalizados..
• Todos os components são definidos usando a linguagem Simscape.
• Permite você balancear fidelidade e velocidade de simulação.
• Você pode converter modelos Simscape em Código C, utilizando o Simulink Coder..
SIMSCAPE
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
• Linguagem Simscape:
• Linguagem textual para modelar sistemas físicos
• Contém construções especificas para modelagem física
• Incorpora-se dentro da interface de modelagem Simscape
• Não é focado no desenvolvimento do algoritmo
SIMSCAPE
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
SIMSCAPE
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
CONCLUSÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO
MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
• Os sistemas estão cada vez mais integrando elementos de pelo menos três domínios de conhecimento, tais
como controle, comunicação e computação.
• A implementação distribuída, a integração de sistemas, a complexidade e o aumento do requisito de
confiabilidade tornam relevantes diversos problemas que antes não o eram, demandando o desenvolvimento
de novas tecnologias, técnicas e algoritmos.
• Com isso, vem de encontro com a necessidade de simulações cada vez mais complexas;
• O ambiente Matlab/Simulink esta se tornando cada vez mais uma ótima ferramenta para se fazer a
modelagem e simulação deste tipo de sistema;
CONCLUSÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
• O ambiente Matlab/Simulink esta se tornando cada vez mais uma ótima ferramenta para se fazer a
modelagem e simulação deste tipo de sistema;
• O conjunto de toolboxes e o fácil uso de bibliotecas de terceiros e também de criação de suas próprias
bibliotecas, torna o Matlab/Simulink cada vez mais atrativos;
• O algoritmo desenvolvido, como parte da minha Tese de Doutorado no INPE, só foi possível graças ao uso
da biblioteca TrueTime, desenvolvida pela Universidade de Lund na Suécia.
– Pois requeriu um conjunto de simulações e conhecimento dos três domínios: Controle, Computação e
Comunicação;
• Neste trabalho, explorou-se a sincronização de relógios, mas outras áreas podem ser facilmente exploradas
com a simulação desenvolvida.
CONCLUSÃO
SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS
EXTERNAS
OBRIGADO

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Simulação e desenvolvimento de algoritmos de tempo real usando Matlab/Simulink através de bibliotecas externas

  • 1.
  • 2. Simulação e desenvolvimento de algoritmos de tempo real usando Matlab/Simulink através de bibliotecas externas Eloy M. de Oliveira Jr.
  • 3. Agenda • Introdução • Biblioteca True Time • Algoritmo de Sincronização Desenvolvido • Desenvolvimento de suas próprias bibliotecas • Simscape • Conclusão
  • 4. INTRODUÇÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 5. INTRODUÇÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS Complexidade
  • 6. – INDUSTRIA 4.0 – SISTEMA CIBERNÉTICOS-FÍSICOS : » Integra computação, comunicação e controle em tempo real em diferentes níveis de operação, usando um grande número de atuadores, sensors e controladores implementados em processadores que se comunicam. » Demandam alto desempenho, precisão, acuracia, modularidade, integração, dependabilidade, segurança e outras habilidades. » Requerem previsibilidade no dominio lógico e no domínio TEMPORAL. INTRODUÇÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 7. – INDUSTRIA 4.0 – SISTEMA CIBERNÉTICOS-FÍSICOS : » Integra computação, comunicação e controle em tempo real em diferentes níveis de operação, usando um grande número de atuadores, sensors e controladores implementados em processadores que se comunicam. » Demandam alto desempenho, precisão, acuracia, modularidade, integração, dependabilidade, segurança e outras habilidades. » Requerem previsibilidade no dominio lógico e no domínio TEMPORAL. INTRODUÇÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS Sistemas Complexos e Altamente Integrados (SAE-ARP4754a)
  • 8. – Exemplo: Steering-by-wire – Sistemas Automotivos INTRODUÇÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS Fonte: Authors: Dilger, E.; Führer T. ; Müller, B. Paper: The X-By-Wire Concept: Time-Triggered Information Exchange and Fail Silence Support by new System Services Site: http://www.vmars.tuwien.ac.at/projects/xbywire/ projects/new-bosch.htm
  • 9. – Exemplo: Fly-by-Wire – Sistemas Aeronáuticos INTRODUÇÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS Fonte: CONCORDE FLY-BY-WIRE SYSTEM Site: http://heritageconcorde.com/?page_id=878
  • 10. – Exemplo: Orion Spacecraft – Sistemas Espaciais INTRODUÇÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS Source: Orion Mission - http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100040584.pdf
  • 11. – Exemplo: Cadeia de processo têxtil – Sistemas Industriais INTRODUÇÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS Source: “Cyber-Physical Systems in textile production – the next industrial revolution? “ - Yves- Simon Gloy, Anne Schwarz, Thomas GrieInstitut für Textiltechnik, RWTH Aachen University, Aachen, GermanyCorresponding Author. Email: yves.gloy@ita.rwthaachen.de https://www.textile-future.com/textile-manufacturing.php?read_article=1829
  • 12. INTRODUÇÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS Domínio Computacional Domínio de Controle (Físico) Domínio de Comunicação Domínio Computacional
  • 13. TRUETIME SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 14. • Simulador baseado no Matlab/Simulink para sistemas de controle em tempo real. • Desenvolvida por Henriksson, Cervin e Arzén (2002) – Universidade de Lund – Suécia; • Desenvolvida na linguagem C/C++; • Open Source; • Integrada ao Matlab/Simulink – Com ela é possível usar outras toolboxes e capacidades do Matlab/Simulink para o desenvolvimento das simulações. TRUETIME SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 15. • Com o TrueTime é possível: – Simular a execução de tarefas em núcleos (kernel) de tempo real – Simular a transmissão por redes de comunicação – Integrar tudo a uma planta dinâmica • O Simulador inclui ainda: – Possibilidade de similuar controles complexos e as influencias temporais sobre agendamento de tarefas, redes de comunicação; – Possibilidade de escrever tarefas utilizando arquivos .M ou funções C++; – Usar blocos do Simulink junto aos blocos do truetime – Simular as redes Ethernet, CAN, TDMA, FDMA, Round Robin, Switched Ethernet, FlexRay and PROFINET) – Wireless network block (802.11b WLAN and 802.15.4 ZigBee – Simulação de dispositivos com bateria, Dynamica Voltage Scaling e relógios locais. TRUETIME SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 16. TRUETIME SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 17. ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 18. • Sistema de Controle por Rede ss sG   2 1000 )( CSMA/CD Digital PID ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS 1) Bias Inicial: C1: 0; C2: 0.1 sec; C3: 0.01 sec; C4: -0.1 sec; 2) Derivas: C1: 0; C2: 1%; C3: 0.01%; C4: -0.01%. 3) MMCF: C1: 1; C2: 2; C3: 2; C4: 2.
  • 19. • Algoritmo FTM 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Relógio de Referência (segundos) RelógioLocal(macrotick) Macrotick C1 C2 C3 C4 Initial De-synchronization Initial offsets values: C1: 0; C2: 0.1 sec; C3: 0.01 sec; C4: -0.1 sec; Reference Clock (seconds) LocalClock(macrotick) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Relógio de Referência (segundos) CorreçãoFTM(segundos) Algoritmo FTM C2 C3 C4 Reference Clock (seconds) FTMCorrection(seconds) FTM Algorithm 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 Relógio de Referência (segundos) Diferençamacrotick(segundos) Diferença Macrotick C1 - C2 C1 - C3 C1 - C4 C2 - C3 C2 - C4 C3 - C4 Precisão ≈ 50 ms Reference Clock (seconds) MacrotickDifference(seconds) Macrotick Difference ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 20. • Algoritmo FTM. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Relógio de Referência (segundos) Controle Controle PID Controle 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 Relógio de Referência (segundos) RespostaDinâmica(graus) Dinâmica Referência Resposta Overshoot > 50% Reference Clock (seconds) Reference Clock (seconds) Dynamics PID Controller Controller Reference Response DynamicResponse (degree) Controller ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 21. • O Algoritmo FTM sincroniza o sistema! • Em contrapartida degrada a resposta do sistema de controle! • Causa Principal: –Viés Inicial do Relógio! ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 22. ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS STM NOMO T1 T4 STM – DEADBEAT CONTROLLER NOMO - FTM ALGORITHM NOMO mode - Algoritmo PReS
  • 23. • Projeto do Controlador D(z) μT(z) - R(z) E(z) C(z)+ Modelo do RelógioControlador ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 24. • Modelo de Recorrências do Relógio Clock Model: MICROTICK (mt) MACROTICK (MT) LOCAL TIME (LT) GLOBAL TIME (GT) Controlador Deadbeat ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 25. • Projeto do Controlador D(z) μT(z) - R(z) E(z) C(z)+ Função de Ajuste para modo STM: u(k): valor de ajuste no instante k; ρ: deriva do relógio; μt(0): offset inicial; e(k): erro entre o relógio local e de referência. ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 26. • Algoritmo PReS 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -15 -10 -5 0 5 10 Relógio de Referência (segundos) CorreçãoDeadbeat(segundos) Deadbeat C2 C3 C4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Relógio de Referência (segundos) CorreçãoFTM(segundos) Algoritmo FTM C2 C3 C4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Relógio de Referência (segundos) RelógioLocal(macrotick) Macrotick C1 C2 C3 C4 Transição Reference Clock (seconds) FTMCorrection(seconds) FTM Algorithm Reference Clock (seconds) DeaheatCorrection (seconds) ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 27. • Algoritmo PReS 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Relógio de Referência (segundos) Controle Controle PID Controle 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Relógio de Referência (segundos) RespostaDinâmica(graus) Dinâmica Referência Resposta Overshoot << 50% Reference Clock (seconds) Reference Clock (seconds) Dynamics PID Controller DynamicResponse (degree) Controller ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 28. • Algoritmo PReS • Melhor Paper Nacional Congresso SAE Brasil 2015 • Apresentado no Congresso Internacional do SAE 2016 – Detroit – MI - EUA ALGORITMO DESENVOLVIDO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS Em comparação com o algoritmo FTM, ao incluir o modo STM utilizando o controlador deadbeat, o algoritmo PreS melhora a lei de controle reduzindo o overshoot sobre a resposta dinâmica. A New Clock Synchronization Algorithm to Compensate the Initial De-Synchronization of Clocks Based on a Deadbeat Controller for Networked Control Systems Eloy M. Oliveira Jr e Marcelo L. O. Souza Congresso SAE Brasil 2015
  • 29. DESENVOLVIMENTO DE SUAS PRÓPRIAS BIBLIOTECAS SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 30. • O Matlab/Simulink permite você criar suas próprias bibliotecas • Você pode, opcionalmente, inclusive adicionar ao Simulink® Library Browser e usar em seus modelos quando quiser. DESENVOLVIMENTO DE SUAS PRÓPRIAS BIBLIOTECAS SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 31. • Vantagens: – Reuso de código e simulações. – Integrar em simulações mais avançadas. • Desvantagens: – Geração de Código pode não ser possível – Você precisa validar o resultado. DESENVOLVIMENTO DE SUAS PRÓPRIAS BIBLIOTECAS SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 32. SIMSCAPE SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 33. • O Simscape provê uma conjunto de biblioteca de components que cobrem mais de 10 domínios físicos diferentes; – Mecânico – Elétrico – Hidráulico – Pneumático, – Entre outros • A biblioteca é especialmente projetada para ajudar o usuário a criar components personalizados.. • Todos os components são definidos usando a linguagem Simscape. • Permite você balancear fidelidade e velocidade de simulação. • Você pode converter modelos Simscape em Código C, utilizando o Simulink Coder.. SIMSCAPE SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 34. • Linguagem Simscape: • Linguagem textual para modelar sistemas físicos • Contém construções especificas para modelagem física • Incorpora-se dentro da interface de modelagem Simscape • Não é focado no desenvolvimento do algoritmo SIMSCAPE SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 35. SIMSCAPE SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 36. CONCLUSÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 37. • Os sistemas estão cada vez mais integrando elementos de pelo menos três domínios de conhecimento, tais como controle, comunicação e computação. • A implementação distribuída, a integração de sistemas, a complexidade e o aumento do requisito de confiabilidade tornam relevantes diversos problemas que antes não o eram, demandando o desenvolvimento de novas tecnologias, técnicas e algoritmos. • Com isso, vem de encontro com a necessidade de simulações cada vez mais complexas; • O ambiente Matlab/Simulink esta se tornando cada vez mais uma ótima ferramenta para se fazer a modelagem e simulação deste tipo de sistema; CONCLUSÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS
  • 38. • O ambiente Matlab/Simulink esta se tornando cada vez mais uma ótima ferramenta para se fazer a modelagem e simulação deste tipo de sistema; • O conjunto de toolboxes e o fácil uso de bibliotecas de terceiros e também de criação de suas próprias bibliotecas, torna o Matlab/Simulink cada vez mais atrativos; • O algoritmo desenvolvido, como parte da minha Tese de Doutorado no INPE, só foi possível graças ao uso da biblioteca TrueTime, desenvolvida pela Universidade de Lund na Suécia. – Pois requeriu um conjunto de simulações e conhecimento dos três domínios: Controle, Computação e Comunicação; • Neste trabalho, explorou-se a sincronização de relógios, mas outras áreas podem ser facilmente exploradas com a simulação desenvolvida. CONCLUSÃO SIMULAÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMOS DE TEMPO REAL USANDO MATLAB/SIMULINK ATRAVÉS DE BIBLIOTECAS EXTERNAS