Entwicklung einer Plattform zur modellbasierten Regelung auf Basis eines Einplatinencomputers und offenen Softwaretools #1 Worum geht es?

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Hallo zusammen! Mein Name ist Ruo Yi. Ich bin Student in der Fachrichtung Elektro- und Informationstechnik an der TU-Darmstadt. Seit Anfang Januar 2018 schreibe ich meine Masterarbeit im Rahmen des Projekts „OpenAdaptronik“ in Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF. Mein Thema ist „Entwicklung einer Plattform zur modellbasierten Regelung auf Basis eines Einplatinencomputers und offenen Softwaretools“. Von diesem Beitrag an werde ich in den folgenden Tagen die wesentliche Inhalte meiner Masterarbeit über dieses Blog veröffentlichen. Ich hoffe, dass Home-Maker von meiner Arbeitsergebnissen profitieren und damit eine eigne Regelungsplattform mit günstigen elektronischen Komponenten und kostenlosen offenen Software zu Hause basteln können.

Im diesem Beitrag werden der Hintergrund und die Zielsetzung meiner Arbeit vorgestellt.

Hintergrund:

Heutzutage wird modellbasierte Entwicklung als eine wichtige Methode zur Entwicklung von Reglern sowohl in Forschungseinrichtungen und Industrie weitgehend eingesetzt. Auf dieser Grundlage ergeben sich viele Verfahren zur Erhöhung der Effizienz der Reglerentwicklung wie z.B. Hardwware-in-Loop(HIL), Software-in-Loop(SIL) und Rapid-Controller-Portotyping(RCP). Zur modellbasierten Entwicklung steht die Entwicklungsumgebung in der zentralen Lage. Dabei sind die kommerzielle Software MATLAB mit der integrierten Simulationsumgebung SIMULINK und die periphere Produkte von der Firma dSPACE in der Industrie und an Hochschulen weit verbreitet. Die folgende Abbildung zeigt die schematische Darstellung der modellbasierten Entwicklungsumgebung bestehend aus MATLAB/SIMULINK und dSPACE.

 

Unbenannt

Bildquelle:https://www.dspace.com/en/ltd/home/products/systems/functp.cfm

  • Vorteile der bestehenden Entwicklungsumgebung auf Basis Matlab und dSPACE

Erstens, MATLAB/SIMULINK und dSpace-Systeme lassen Ingenieure sich auf ingenieurtechnische Probleme konzentrieren und nicht um das „Coden oder Debuggen“ kümmern. Dafür bietet MATLAB/SIMULINK zahlreiche Befehle, Funktionen und umfangreiche Blockbibliotheken, die Benutzer direkt zur Lösung der mathematischen und ingenieurtechnischen Probleme verwenden können. Dies erleichtert die Arbeit der Ingenieur erheblich. Auch für diesen Zweck bilden dSPACE-Systeme eine praktische Verbindung zwischen dem virtuellen Modell und der Hardware und damit entlastet Ingenieure bei der Umsetzung ihrer technischen Lösungen. Zweitens, die Bedienung der bestehenden Entwicklungsumgebung ist intuitiv und einfach. Die Syntax von MATLAB ist im Vergleich zu anderen Programmiersprache sehr flexibel und einfach. Eine manuelle Deklarierung von Variablem oder Speicherverwaltung ist z.B. nicht nötig. Drittens, MATLAB und SIMULINK zu lernen ist weniger schwierig als andere Programmiersprachen wie z.B. C oder Java. Sie bieten umfangreiche und ausführliche Hilfsdokumentation. In dieser kann man für jeden Befehl oder Funktion detaillierte Erklärungen und Beispiele finden. Dies erleichtert es den Benutzern, die keine Erfahrung mit der Software haben, schnell in die neue Entwicklungsumgebung einzusteigen. Aufgrund der großen Anzahl von Benutzer von MATLAT/SIMULINK gibt es viele online-Foren zur Lehre und Diskussion. Dank den reichhaltigen Online-Ressourcen können Benutzer die Lösung im Internet leicht finden. Viertens, als kommerzielle Software werden MATLAB/SIMULINK und dSPACE System von professionellen Fachleuten gepflegt. Gleichzeitig sorgt eine große Menge an Benutzerfeedback dafür, dass diese Software- und Hardwarehersteller Probleme rechtzeitig behoben werden können. Daher gilt die vorgestellte Entwicklungsumgebung als sehr zuverlässig.

  • Nachteile der bestehenden Entwicklungsumgebung auf Basis Matlab und dSPACE

Obwohl die bestehende Entwicklungsumgebung viele Vorteile besitzt, hat sie auch einige Nachteile aus der Sicht von Maker: Erstens, die ganze Entwicklungsumgebung ist kostenpflichtig. Für private Kunden sind MATLAB und SIMULINK mit dem Preis 154 Euro erhältlich. Im Vergleich dazu ist das dSPACE- System viel teuer und hat keine Version für private Kunden. Ein hoher Preis muss nicht immer ein Nachteil sein, da gewisse Qualität ihren Preis hat, jedoch ist die freie Verfügbarkeit beschränkt. Zweitens, der Source-Code von MATLAB und SIMULINK ist als Geschäftsgeheimnis nicht öffentlich. Benutzer können über die zur Verfügung stehenden Befehle und Blöcke Ergebnisse erhalten, aber kennen den Berechnungsvorgang nicht. Deswegen gibt es kaum Möglichkeiten zur Optimierung eines Befehls oder Blocks. Aus der Perspektive der Wissensübertragung können solche kommerzielle Software die Maker nicht befriedigen.

  • Auslegung einer kostengünstigen Entwicklungsumgebung

Damit private Benutzer einfache Regelungen mit Modellierungswerkzeugen ohne kostenintensive Software und Hardware entwickeln und implementieren können, ist es notwendig, einige Alternativen zu den vorgestellten Bestandteilen der modellbasierten Entwicklungsumgebung zu finden. Hierzu kann dSPACE-Systeme durch einen kostengünstigen Einplatinencomputer und einige selbst erstellte Platinen zur Signalkonditionierung ersetzt werden. Als Alternative zu MATLAB und SIMULINK kann man die offene Software Scilab/Xcos zur Datenverarbeitung und Simulation verwenden. Um die Funktionalität der automatischen Generierung des C-Codes vom Modell zu erhalten, kann die offene Software X2C als eine Erweiterung zu Scilab/Xcos bei der Implementierung der Regelalgorithmen eingesetzt werden. Diese Auslegung wird in dieser Arbeit zur Entwicklung einer kostengünstigen Regelungsplattform umgesetzt.

Ersatz_Matlab

Zielsetzung dieser Arbeit:

Im Rahmen dieser Arbeit soll ein modellbasierte Regelungsplattform auf Basis von quell-offenen Softwaretools und selbst erstellten Hardware entworfen werden, damit man modellbasierte Reglerentwicklung ohne teure kommerzielle Software und Laborgeräte zu Hause umsetzten kann.

Meine Arbeit gliedert sich hauptsächlich in 3 Teile:

  1. Hardware der Regelungsplattform aufbauen und optimieren;
  2. Modellbasierte Entwicklungsumgebung auf Basis Opensource-Software einrichten und optimieren;
  3. Eine aktive Schwingungsdämpfung mit der Regelungsplattform implementieren und an Demonstratoren validieren.

Im nächsten Blog zeigt ich euch die Hardware der Regelungsplattform.

Nächster Beitrag:

Entwicklung einer Plattform zur modellbasierten Regelung auf Basis eines Einplatinencomputers und offenen Softwaretools #2 Hardware der Regelungsplattform aufbauen.

 


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