Projektowanie systemów sterowania z wykorzystaniem środowiska MATLAB & Simulink

Gdy korzystamy z narzędzi MATLAB i Simulink podczas projektowania nowego urządzenia czy systemu nieodłącznie spotykamy się z metodyką Model-Based Design czyli projektowania za pomocą modeli. Metodyka ta pozwala na wykorzystanie jednego, spójnego przekazu na każdym etapie projektowania i testowania naszego rozwiązania. Idea Model-Based Design oznacza ciągłą pracę z modelem jako bazą i środowiskiem naszego pomysłu.

Jak to wygląda w praktyce?

Każdy projekt zaczyna się od pomysłu czyli opisu tego co chcemy zrobić i założeń jak to powinno działać. Opis tego pomysłu i założeń nazywamy wymaganiami formalnymi. Wymagania stanowią dla inżyniera listę życzeń, które nasze urządzenie musi spełniać, by spotkało się z akceptacją klienta. Jest to forma umowy pomiędzy zleceniodawcą, a odbiorcą. Dla inżyniera stanowi o tyle ważny dokument, że pozwala zrozumieć co tak naprawdę ma zbudować. Na podstawie listy wymagań inżynier tworzy specyfikację czyli kolejny dokument, który z grubsza opisuje jak to urządzenie zbudować.

Specyfikacja powinna obejmować trzy istotne elementy:

• dekompozycję –  czyli podział na mniejsze komponenty co znacznie ułatwia późniejsze projektowanie i podział ról w zespole;
• interfejsy – czyli jak użytkownik korzysta z urządzenia, w jaki sposób komunikuje się ono z urządzeniem, ale także interfejsy pomiędzy mniejszymi komponentami;
• metodę realizacji poszczególnych komponentów – czyli opis w jaki sposób powinny być zrealizowane.

Metodyka Model-Based Design zakłada, że już na tym etapie możemy skorzystać modelu Simulinka, aby przedstawić dekompozycję, hierarchię pomiędzy poszczególnymi komponentami, a także by zdefiniować interfejsy.

Kolejnym krokiem po stworzeniu specyfikacji jest realizacja poszczególnych komponentów. Dzięki prawidłowo zrealizowanej dekompozycji i jasno zdefiniowanym interfejsom praca ta może być równocześnie realizowana przez cały zespół inżynierów.

Gdy projektujemy system sterowania zdefiniowane komponenty będziemy mogli zaliczyć do dwóch kategorii:

• elementy obiektu lub środowiska (ang. plant);
• algorytm sterowania (ang. controller).

Dzięki przygotowaniu modelu obiektu będziemy w stanie przeprowadzić symulację całego systemu sterującego i sposobu w jaki oddziałuje on na obiekt przed budową jakiegokolwiek prototypu i nie ponosząc w związku z tym żadnych dodatkowych kosztów.

Po zaimplementowaniu poszczególnych komponentów przechodzimy do ich integracji. Gdy całość systemu działa możemy skorzystać z narzędzi do automatycznej generacji kodu by przenieść algorytm sterowania do budowanego przez nas urządzenia. Cały czas prowadzimy testy implementowanych rozwiązań, by zbadać ich poprawność i skonfrontować je z wymaganiami.

Modelowanie fizyczne

Budowa modelu obiektu sprowadza się głównie do wprowadzenia do Simulinka jego opisu matematycznego. Możemy do tego wykorzystać zarówno równania różniczkowe jak i wykorzystać zaawansowane bloki blocksetów z rodziny Simscape jak SimMechanics, SimElectronics, SimDriveline, SimPowerSystems i SimHydraulics.

Modelowanie obiektu często wiąże się z procesem identyfikacji. Klasyczne modetody identyfikacji zostały zaimplementowane w System Identification Toolbox. Możemy także wykorzystać metody optymalizacji do identyfikacji parametrów modelu o znanej strukturze. Służy do tego narzędzie Parameter Estimation z Simulink Design Optimization. Tworzenie modeli, których zadaniem jest jak najlepsze odzwierciedlanie rzeczywistych zjawisk lub urządzeń nazywamy modelowaniem fizycznym. Większość modeli tego typu będzie symulowana jako modele o czasie ciągłym przy pomocy jednego z wielu solverów numerycznych zaimplementowanych w Simulinku.