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Centro de Investigaci ó n y Estudios Evanzados del IPN Departamento de Engenier í a El é ctrica Secci ó n de Computaci ó n Roberto M. Linares Zamora Cinvestav-

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Presentación del tema: "Centro de Investigaci ó n y Estudios Evanzados del IPN Departamento de Engenier í a El é ctrica Secci ó n de Computaci ó n Roberto M. Linares Zamora Cinvestav-"— Transcripción de la presentación:

1 Centro de Investigaci ó n y Estudios Evanzados del IPN Departamento de Engenier í a El é ctrica Secci ó n de Computaci ó n Roberto M. Linares Zamora Cinvestav- IPN Desarrollo de una herramienta en Matlab sobre un kernel multitareas para simulación de un sistema de control en tiempo real Tesista: Roberto Manuel Linares Zamora Director de tesis: Dr. Pedro Mej í a Á lvarez Co-Asesor de tesis: Dr. Alberto Soria L ó pez 12 de Octubre de 2004 Tesis:

2 Contenido: Roberto M. Linares Zamora Cinvestav- IPN Marco General Antecedentes Planteamiento del problema Propuesta Objetivo General Objetivos Particulares Metodología Calendario Resultados Esperados Referencias

3 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Marco General (1/5) Cinvestav- IPN Un sistema de tiempo real es un sistema de procesamiento de información el cual tiene que responder a estímulos de entrada generados externamente en un período de tiempo finito y específico Estricto cumplimiento de tiempos, o plazos de respuesta Las tareas son la unidad de cómputo a ser planificada y ejecutada Plazo de respuesta definido por su aplicación Un STR maneja variables de procesos externos (E/S) Concurrencia. El sistema debe resolver distintos problemas a la vez (||) Un STR responde de manera predecible a estímulos externos impredecibles

4 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Marco General (2/5) SISTEMAS DE CONTROL Combinación sus componentes actúan conjuntamente para alcanzar un objetivo particular. Objetivo es el control manual o automático de cierta cantidad o variable física. Entrada: Estímulo, excitación o mandato aplicado para producir una respuesta específica del sistema. Salida: Respuesta real del sistema. Puede coincidir o no con la respuesta del sistema, implícita en la entrada correspondiente Tipo de control: Lazo abierto: Control independiente de la salida y de las variables del sistema (por ejemplo una tostadora). Lazo cerrado: Control dependiente de la salida y/o de las variables del sistema (por ejemplo un sistema de aire acondicionado).

5 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Marco General (3/5) Los recientes sistemas de control son subsistemas de un sistema complejo, donde el componente básico de control es un microprocesador que usa un kernel de tiempo real o un sistema operativo en timepo real.

6 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Marco General (4/5) Las técnicas de tiempo real aún no estan bien definidas en los sistemas de control, ya que los microprocesadores tienen que compartir recursos y no se puede garantizar el tiempo de ejecución de cada tarea.

7 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Marco General (5/5) El dise ñ o de un sistema de control en tiempo real es esencialmente un problema de co-dise ñ o, debido a que las decisiones hechas en tiempo real afectan al dise ñ o de control y viceversa. Esta combinaci ó n de co-dise ñ o crea la posibilidad de desarrollar sistemas m á s integrados, flexibles y din á micos. La integraci ó n de estos dos enfoques requiere de nuevas herramientas para su an á lisis, dise ñ o e implementaci ó n

8 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Antecedentes (1/2) Los sistemas de control en tiempo real son tradicionalmente dise ñ ados en base a dos enfoques de la ingenier í a. La teor í a de control desarrolla modelos para plantas que va a ser controladas por medio del dise ñ o de una ley de control y su prueba en una simulaci ó n. La teor í a de sistemas en tiempo real desarrolla un algoritmo de control para implementar, y configurar el sistema en tiempo real, por medio de la asignaci ó n de prioridades, fin de plazo (deadlines), periodos, etc.

9 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Antecedentes (2/2) SCTR de autos SCTR de plantas eléctricas SCTR aéreos SCTR para plantas nucleares

10 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Definición del problema (1/2) En la mayor parte de los casos el control es ejecutado peri ó dicamente, enfoc á ndose solamente en el dominio del problema sin preocuparse de c ó mo la planificaci ó n afecta al lazo de control. la latencia de entrada y salida el periodo retardo del tiempo de computo

11 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Se requiere de nuevas herramientas para su an á lisis, dise ñ o, simulaci ó n e implementaci ó n. Poco soporte para el manejo de interrupciones. Ambiente grafico del modelo de control y limitado para el manejo de tiempos de ejecuci ó n Manejo de sobrecarga de las tareas, donde se cuestiona ¿ Qu é pasa si el control de tareas no termina a su fin de plazo? Peor caso del tiempo de ejecuci ó n. Definición del problema (2/2)

12 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Trabajo Relacionado (1/2) [Liu and Layland, 1973], suponen que la E/S es representada peri ó dicamente por las funciones del hardware, introduciendo retrasos en todos los lazos cerrados del control sobre la computadora. STRESS [Audsley et al., 1994] y DRTSS [Storch and Liu, 1996], herramientas para la simulaci ó n de la planificaci ó n en tiempo real [Seto et al., 1996], donde la tasa de muestreo de un conjunto de controladores que comparten el mismo CPU, es calculada usando las m é tricas de control est á ndar.

13 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora [Eker, 1999], prototipo de una herramienta desarrollada en Matlab, la cual tenia poco soporte para el manejo de interrupciones. [Palopoli et al., 2000], RTSIM simulador de planificaci ó n en tiempo real, desarrollado en C++. [Roberto Saco, Eduardo Pires, Carlos Godfrid, 2002], laboratorio de control en tiempo real. [A. Cervin, 2003], donde la teor í a de control y la teor í a de sistemas en tiempo real se conjuntan para crear las herramientas TrueTime y Jitterbug. [Raimund Kirner, Roland Lang, 2004], WCET simulaci ó n del peorcaso, Matlab/Simulink. Trabajo Relacionado (2/2)

14 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Propuesta (1/2) La propuesta de esta tesis es el desarrollo de una herramienta visual en Matlab sobre un kernel multitareas para simular sistemas de control en tiempo real. Esta herramienta tiene como objetivo auxiliar el desarrollo de co-diseños de sistemas de control y planificación en tiempo real.

15 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Propuesta (2/2) La parte fundamental del desarrollo de la tesis se enfoca en aprovechar las ventajas de Matlab/Simulink para simular sistemas de control fuera del ambiente de Matlab, que permitan un an á lisis m á s flexible del comportamiento del algoritmo de control y su interacci ó n entre la planificaci ó n y el control de tareas. Funciones de C/C++ Funciones de Matlab Diagramas de bloques de Simulink

16 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Objetivo General Generar una herramienta de software para simular un sistema de control en tiempo real desarrollada en Matlab/Simulink sobre un kernel multitareas.

17 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Objetivos Específicos Desarrollar una conexi ó n entre el c ó digo de Matlab/Simulink y el kernel de tiempo real. Simular un sistema de control en tiempo real aplicando t é cnicas de planificaci ó n de tareas sobre un kernel de tiempo real Ejecutar pruebas de desempe ñ o en varios procesos sobre el kernel de tiempo real, simulando problemas relacionados con la integracion de tiempos en un sistema de control.

18 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Metodología (1/3) La metodolog í a a seguir para el desarrollo de este trabajo de tesis: Recopilaci ó n bibliograf í ca de los art í culos relacionados y revisi ó n del estado del arte. Realizar un estudio de las caracter í sticas de simulaci ó n de procesos de control y tiempo real en Simulink. Identificar herramientas para convertir programas de MATLAB en componentes que puedan ser usados fuera del ambiente de MATLAB. Desarrollar un prototipo experimental con un sistema de control de lazo cerrado sobre el kernel de tiempo real sin algoritmos de planificaci ó n y recopilaci ó n de datos

19 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Metodología (2/3) Realizar pruebas del prototipo con un sistema de control en tiempo real, utilizando los algoritmos de planificaci ó n conocidos y recopilaci ó n de datos. Generaci ó n de la versi ó n de prueba sobre Simulink de la herramienta de simulaci ó n y generaci ó n de reportes. Pruebas de la herramienta de simulaci ó n.

20 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Metodología (3/3) Simular y analizar el peor caso del tiempo de ejecuci ó n para el sistema de control en tiempo real y pruebas finales. Escritura de la tesis. Generar reportes de los resultados obtenidos para publicaciones.

21 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Calendario ActividadesSEPOCTNOVDICENEFEB 1.- Recopilaci ó n bibliograf í ca 2.- Identificaci ó n de herramientas 3.- Generaci ó n del Prototipo 4.- Pruebas con el Prototipo 5.- Generaci ó n de la versi ó n de Prueba 6.- Estudio de PCTE 7.- Pruebas de la herramienta 8.- Escritura de la Tesis Calendario ( ) Periodo (Sep – Feb)

22 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Calendario Calendario (2005) Periodo (Mar - Sep)

23 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Resultados Esperados Del presente trabajo de tesis lo que se pretende obtener: Generar una herramienta para simular un sistema de control de lazo cerrado sobre un kernel de tiempo real. Esta herramienta se podr á ejecutar sobre una m á quina virtual de Tiempo Real (kernel para DOS) con un enfoque de programaci ó n de concurrencia, tratando el problema de exclusi ó n mutua, con soluci ó n mediante sem á foros. Tambi é n generar reportes para publicar en por lo menos en un foro nacional y la revista: Journal of Real Time Systems.

24 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Referencias [1] Johan Eker: A Matllab Toolbox for Real-Time and Control Systems Co- Desing. 6ht International Conference on Real-Time Computing Systems and Applications, Hong Kong, P.R. China, December 1999 [2] Karl-Erik Å rzen, A. Cervin: An Introduction to Control and Scheduling Co-Desing 39 th IEEE Conference on Descision and Control, Sydney, Australia, December 2000 [3] R. Kirner, R. Lang, P. Puschner, C. Temple.: Integrating WCET Analysis into a Matlab/Simulink Simulation Model. 16 th IFAC Workshop on Distributed Computer Systems, Sydney, Australia, November [4] Anton Cervin, Dan Henriksson, Bo Lincoln.: Jitterbug and True Time: Analysis Tools for Real-Time Control Systems.2 nd Workshop on Real-Time Tools, Copenhagen, Denmark, August, 2002

25 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Referencias [5] Roberto Saco, Eduardo Pires, Carlos Godfrid.: Real Time Controlled Laboratory Plant for Control. 32nd ASEE/IEEE Frontiers in Educantion Conference, Boston, MA, November [6] Dan Henriksson, Karl-Erik Å rzen. : On Dynamic Real-Time Scheduling of Model Predictive Controllers. 41 st IEEE Conference on Decision and Control, Las Vegas, Nevada, December [7] Anton Cervin, Dan Henriksson, Bo Lincoln.: Analysis and Simulation of Controller Timing. IEEE Control Systems Magazine [8] Tesis: Ant ó n Cervin, Integrated Control and Real-Time Scheduling. Department of Automatic Contorl Lund Institute of Technology, Lund, April 2003

26 Cinvestav- IPN Roberto M. Linares Zamora Referencias [9] Raimund Kirner, Roland Lang: WCET Analysis for system Modeled in Matlab/Simulink. Vienna University of Technology, Austria 2004 [10] Tesis: Oscar Miranda G ó mez: Kernel de tiempo real para el control de procesos. Maestr í a en Ciencias – CINVESTAV – Departamento de Ingenier í a El é ctrica – Secci ó n de Computaci ó n. Marzo 2004.


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