NI LabVIEW für Rapid Control Prototyping und Hardware-in-the-Loop-Simulation

Dieses Tutorium behandelt die Beschleunigung der Entwicklung modellbasierter Steuer- und Regelsysteme mithilfe von Rapid Control Prototyping und Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL), die mit Hard- und Software von National Instruments umgesetzt werden.

Produktentwicklungsprozess

Abbildung 1 stellt das „V-Diagramm“ dar, das oft zur Beschreibung des Entwicklungszyklus benutzt wird. Mehrere Versionen dieses Diagramms, das ursprünglich für die Abbildung vieler verschiedener Softwareanwendungen konzipiert wurde, stehen für die Beschreibung einer Vielzahl von Produktentwicklungszyklen zur Verfügung. Hier wird ein Beispiel eines Diagramms gezeigt, das den Designprozess von Embedded-Steuer- und -Regelanwendungen beschreibt, wie sie für die Bereiche Automotive, Luft- und Raumfahrt und Militär typisch sind.

 

Das Ziel des Rapid Control Prototyping liegt darin, diesen Prozess so effizient wie möglich zu gestalten, indem die Schritte, die für das Design notwendig sind, minimiert werden. Stellt man sich die x-Achse des Diagramms als die Zeit vor, soll „V“ so klein wie möglich werden, indem die zwei Schenkel im Diagramm angenähert werden, was die Entwicklungszeit verkürzt. Mithilfe der NI-Plattform lassen sich die Rapid-Prototyping- und die HIL-Phase beschleunigen. Zunächst erfolgt jedoch ein kurzer Überblick über die Modellierungs- und Designphase von „V“.

Modellierung und Design

Eine Schlüsselkomponente für die Verkleinerung von „V“ durch das modellbasierte Design besteht darin, so früh wie möglich mit der Entwicklung der Embedded-Steuerung und -Regelung zu beginnen. Bei der Modellierung kann bereits mit der Simulation des Steuer- und Regelverhaltens begonnen werden, wenn die Hardwareprototypen noch gar nicht vorhanden sind. Darüber hinaus können auch Modelle früherer Designs wiederverwendet werden, um den Arbeitsaufwand, den ein neues Modell voraussetzt, weiter zu reduzieren. Stehen ein Prototyp oder bestehende Hardware zur Verfügung, kann die Modellierung durch reale Eingangs- und Ausgangsdaten ergänzt werden, um Modelle mithilfe von Techniken zur Systemidentifizierung herzustellen. Dazu dienen Werkzeuge wie das NI LabVIEW System Identification Toolkit.

Softwarewerkzeuge wie LabVIEW oder MATRIXx bieten eine Reihe anspruchsvoller Werkzeuge für die Entwicklung von Steuer- und Regelanwendungen in einer interaktiven Umgebung, die den Designer bei der schnellen Evaluierung eines Steuer- und Regelsystems unterstützt, ohne dass dafür die Prototyphardware erforderlich ist. Dadurch ist der Anwender in der Lage, Spezifikationen, Anforderungen und Modellierungsfehler sofort zu bestimmen und muss nicht auf die Tests zu einem späteren Zeitpunkt in der Entwicklungsphase warten.

Anwender nutzen mehrere Werkzeuge für die Modellierung und das Design von Steuer- und Regelsystemen. Das LabVIEW Control Design Toolkit von National Instruments nutzt grafische Programmierwerkzeuge zur Entwicklung und Analyse von Steuer- und Regelsystemen. Das NI LabVIEW Simulation Module integriert die Simulation dynamischer Systeme in die LabVIEW-Umgebung. Im Simulationsknoten können lineare, nichtlineare, diskrete und kontinuierliche Regelstrecken sowie Steuer- und Regelsysteme in Form eines Blockdiagramms entwickelt werden. Die Simulation kann dann auf Windows oder Echtzeithardware ausgeführt werden.

Die Produktfamilie NI MATRIXx ist eine umfassende Softwaresuite für die Entwicklung von Steuer- und Regelsystemen. Sie enthält SystemBuild, eine einfach bedienbare grafische Umgebung für die schnelle Modellentwicklung und -simulation. SystemBuild eignet sich hervorragend für die Erstellung und Verwaltung großer, komplexer Modelle.

Neben den Softwarewerkzeugen von National Instruments für Modellierung und Design steht die NI-Plattform Modellen und Programmcode offen, der mit anderer Software erstellt wurde, so z. B. Modellen aus der Softwareumgebung Simulink^® von The MathWorks, Inc., MSC CarSim oder auch manuell in C, Fortran etc. programmiertem Code. Aufgrund der offenen Architektur von NI-Hard- und -Software können Modelle aus fast jeder beliebigen Software instrumentiert werden.

Verbindung von NI LabVIEW und der Software Simulink

Das LabVIEW Simulation Interface Toolkit dient der Anbindung an die Umgebung Simulink. Außerdem ergänzt das Toolkit diese Umgebung um patentierte Werkzeuge für die Benutzeroberfläche zum Zweck der Darstellung, Steuerung und Regelung von Daten in der Simulink-Umgebung. Anwender von Simulink können mithilfe von LabVIEW offline auf einem Desktop Simulationen durchführen oder das dynamische Modell auf ein Echtzeitsystem laden, um dort Rapid Control Prototyping oder HIL-Tests zu realisieren.

Um eine Implementierung in Echtzeit zu erreichen, wird die Software Real-Time Workshop® von The MathWorks, Inc. mit zusätzlichen Komponenten des Simulation Interface Toolkit verwendet. Dabei wird vom Modell Programmcode erzeugt, der dann in Echtzeit ausgeführt werden kann.

Das LabVIEW Simulation Interface Toolkit macht die umfassende Suite der LabVIEW-Funktionen für die Benutzerschnittstelle nutzbar für die Instrumentierung von Simulationsmodellen. Für das anwenderdefinierte Frontpanel lassen sich alle Bedien- und Anzeigeelemente von LabVIEW verwenden, wie etwa Drehknöpfe, Schieberegler, Diagramme, Tasten und LEDs.

Erstellung von LabVIEW-Benutzeroberflächen für Simulationsmodelle

Um das Modell für die Anbindung vorzubereiten, muss lediglich der Block „NI Signal Probe“ auf dem Simulationsdiagramm abgelegt werden. Dieser Block steht in der Umgebung Simulink bereit, nachdem das LabVIEW Simulation Interface Toolkit installiert wurde. Mithilfe des SIT Connection Manager können dann Bedien- und Anzeigeelemente aus LabVIEW jedem Signal oder Parameter des Modells zugeordnet werden.

 

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Nachdem dies geschehen ist, erzeugt LabVIEW automatisch Programmcode, der die Verbindung vom LabVIEW-VI zum Modell aufbaut. Der Anwender kann während der Ausführung die Parameter ändern und die Simulationssignale beobachten.

Im Internet steht eine Multimedia-Demonstration über die Erstellung einer Benutzeroberfläche für ein Simulationsmodell zur Verfügung.

Real-Time-Software

Nach der Softwaresimulation kann zur Echtzeitimplementierung des Modells übergegangen werden. National Instruments bietet vielfältige Echtzeithardware und -software, die sich hervorragend für die deterministische Ausführung eines Modells und die Anbindung an zahlreiche Ein- und Ausgänge eignet.

Das LabVIEW Real-Time Module erweitert LabVIEW um die Fähigkeit, Standard-Echtzeitzielsysteme anzusprechen. Mit LabVIEW Real-Time kann  LabVIEW-Programmcode mit einer hohen Echtzeitleistung mit Zykluszeiten im Bereich von wenigen hundert Mikrosekunden und geringem Jitter ausgeführt werden. Das LabVIEW FPGA Module ermöglicht die Erstellung anwenderdefinierter HIL-Geräte, die sich schnell ändernde Signale erzeugen, wie sie etwa bei Kurbelwellen, Nockenwellen und Wegaufnehmern wie LVDTs auftreten. Mit FPGAs lassen sich auch Signale erfassen und direkt verarbeiten, um PWM-Signale zu modulieren, anwenderdefinierte digitale Protokolle zu dekodieren und analoge Signale zu dezimieren.

Real-Time-Hardware

National Instruments empfiehlt verschiedene Plattformen für HIL- und Rapid-Control-Prototyping-Anwendungen, je nachdem, wie die Anforderungen an Ein- und Ausgänge und Verarbeitung der Applikation aussehen. Die PXI-Plattform von National Instruments, ein Hochleistungssystem für die Prüf- und Automatisierungstechnik, ist ideal für HIL-Anwendungen. Auch ein Standard-PC kann hier als Echtzeitzielsystem dienen. Diese Lösung bietet sich im Forschungslabor für Controller an, die nur eine kleine Anzahl von I/O-Kanälen erfordern. CompactRIO ist eine vielseitige Plattform, die perfekt für die Prototypenerstellung von Steuer- und Regelanwendungen geeignet ist.

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LabVIEW Real-Time
PXI
Desktop- oder Industrie-PC
CompactRIO

Rapid Control Prototyping auf CompactRIO

Da Softwaresimulationen nie allen Verhaltensweisen einer wirklich dynamischen Umgebung gerecht werden können, wird ein Hardwareprototyp entwickelt, der dafür sorgt, dass Steuer- und Regelalgorithmen in Echtzeit getestet werden können. Dieses Rapid Control Prototyping bildet die zweite Phase des V-Diagramms zur Entwicklung von  Steuer- und Regelsystemen. Wie in der Abbildung dargestellt, wird der Controller in einer realen Umgebung geprüft und an die reale oder simulierte Regelstrecke angebunden. Dieser Schritt liefert bereits in einem frühen Stadium des Designprozesses wertvolles Feedback zur Verifizierung und Validierung der Güte des Modells und der resultierenden Entwicklung des Steuer- und Regelsystems. Weitere Optimierungen des Controllers, des Hardwareentwurfs und der Anforderungen können somit vor Vollendung der Entwicklung des Produktionssystems vorgenommen werden.

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Zwar eignet sich jede Echtzeit-Hardwareplattform aus dem Sortiment von NI für die Implementierung eines Prototyps, CompactRIO ist jedoch aufgrund seiner kompakten Größe, Robustheit und Flexibilität besonders dafür prädestiniert. Das Embedded-System CompactRIO enthält einen Echtzeitprozessor, der u. a. Steuer- und Regelalgorithmen deterministisch ausführen und Daten protokollieren sowie auf Webseiten stellen kann. CompactRIO verfügt auch über einen ins Chassis integrierten FPGA, der die für Hochgeschwindigkeits-Signalerfassung und -erzeugung notwendige Flexibilität und Leistung liefert. CompactRIO ermöglicht die Anbindung an reale Signale wie etwa analoge und digitale sowie CAN-, PWM-, MIL-STD-1553- und ARINC-429-Signale unter Verwendung von Standardmodulen.

Diese Kundenlösung beschreibt, wie Drivven Inc. 21 Mannmonate Entwicklungszeit sparen konnte, indem für die Prototypenerstellung der Steuereinheit eines Motorrads CompactRIO eingesetzt wurde.

Echtzeitimplementierung von in Simulink entwickelten Steuer- und Regelmodellen

Mithilfe von Real-Time Workshop und dem Compiler Microsoft Visual Studio sind Anwender in der Lage, aus einem Modell, das in Simulink entwickelt wurde, automatisch eine DLL zu generieren, die von LabVIEW aufgerufen werden kann.

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Der SIT Connection Manager ermöglicht dann die einfache Konfigurierung der realen I/O, welche die Ein- und Ausgänge des Simulationsmodells darstellen werden. NI-Datenerfassungs-, FPGA- und CAN-Geräte können über diese Schnittstelle konfiguriert werden. LabVIEW generiert anschließend Programmcode, der das Modell mit I/O-Daten bedient, sowie Programmcode, der die Schnittstelle zur Regelstrecke darstellt.

Bei der Ausführung des LabVIEW-VIs wird der Code automatisch auf die Echtzeithardware heruntergeladen, so dass das Modell deterministisch ausgeführt wird. Die Benutzerschnittstelle wird über eine Ethernet-Verbindung vom Zielsystem zum Host aktualisiert. Im Folgenden wird dieser Prozess gezeigt.

Eine Online-Demonstration der Implementierung von Simulationsmodellen in Echzeit mithilfe von LabVIEW steht hier zur Verfügung.

Targeting

Im nächsten Schritt wird der Controller auf die Zielhardware implementiert. Diese kann aus einer elektronischen Steuereinheit, einem Standard-Controller und einem Chassissystem wie PXI und CompactRIO oder aus anwenderdefinierter Hardware bestehen. Anwender können, basierend auf dem Modell des Controllers, manuell Programmcode für die Zielsoftware erstellen, Werkzeuge für die automatische Codegenerierung verwenden oder beide Methoden kombinieren, um die gewünschte Implementierung zu erreichen.

HIL-Test mit PXI

Bei HIL-Tests kann der Designer das Echtzeitverhalten und Charakteristiken des endgültigen Systems simulieren, um den Controller des Produktionssystems ohne tatsächliche Hardware oder eine Betriebsumgebung zu verifizieren. Wie in der Abbildung dargestellt, läuft der Steuer- und Regelcode auf dem Zielcontroller, während die Regelstrecke in Echtzeit auf einem Testcomputer simuliert wird.

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Während der Testphase ist es wichtig, den gesamten Funktionsumfang des Controllers zu prüfen. Die Zielhardware kann zwar mit der tatsächlichen Regelstrecke verbunden werden, das Testen mit einer simulierten Regelstrecke wie etwa einem Motor bietet jedoch zahlreiche Vorteile. Ein HIL-Tester ist weit kosteneffektiver und einfacher nachzubilden als ein realer Motor. Der simulierte Motor kann auch zahlreiche Betriebsbedingungen oder auch fehlerhafte Zustände wie das Abwürgen des Motors nachstellen, die mit dem realen Prototypen schwierig zu erzeugen, zu teuer und/oder zu gefährlich wären.

PXI basiert auf dem CompactPCI-Standard und ist die ideale Plattform für HIL-Systeme. Ein typisches System besteht aus Chassis, Controller und den jeweils ausgewählten I/O-Modulen. Der Controller wiederum umfasst Prozessor, Festplatte, Arbeitsspeicher etc. Wird er als Echtzeitsystem genutzt, wird die LabVIEW-Anwendung auf den Embedded-Prozessor des Controllers geladen. Während des Ablaufs greift die Anwendung auf Daten von den I/O-Modulen im System zu. PXI bietet hohe Leistung und kann auf viele Kanäle, d. h. hunderte oder sogar tausende, skaliert werden.

Für PXI-Systeme steht eine Vielzahl von Ein- und Ausgängen zur Verfügung, darunter analoge und digitale I/Os, CAN, PWM, dynamische Signale, Motorsteuerung, Bilddatenerfassung und Module von Drittanbietern. Genau wie die CompactRIO-Plattform können auch FPGA-Module mit LabVIEW ganz individuell programmiert werden. Auch Standardbusse, die in HIL-Systemen zum Einsatz kommen, wie CAN, Ethernet, MIL-STD 1553 und ARINC 429, können gut in PXI-Systeme integriert werden. Da es sich bei PXI um eine offene Architektur handelt, können auch anwenderdefinierte oder Drittanbieter-PXI- oder -PCI-Module problemlos in PXI-Systeme integriert werden.

Architektur der HIL-Simulation

Ein HIL-System kann mehrere Komponenten enthalten. Der Hauptbestandteil ist dabei die Simulation des Regelstreckenmodells, die in Echtzeit ausgeführt wird und die dynamischen Charakteristiken der Regelstrecke simuliert. I/O-Module nehmen die Ausgangssignale des Controllers auf und reagieren mit simulierten Signalen, die von der Regelstrecke zurück zum Controller übertragen werden.

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Mit FPGAs lassen sich anwenderdefinierte I/Os für die Anforderungen der jeweiligen Simulation erstellen. Weitere Bereiche eines HIL-Systems können den Test der Datenprotokollierung sowie die Sequenzierung von Testvektoren umfassen. Zur Vervollständigung des Systems dienen ein Host-PC mit einer Benutzeroberfläche, eine Test-Automatisierungsschnittstelle wie etwa NI TestStand sowie Werkzeuge für die Nachbearbeitung, z. B. NI DIAdem.

 

 

In dieser Kundenlösung wird beschrieben, wie Micronova eine FPGA-basierte innovative HIL-Lösung für einen 12-Zylinder-Einspritzdüsensimulator entwickelt hat.

Partner von National Instruments

Einer der Vorteile der Methodik von National Instruments ist der Fokus auf technologisch fortschrittliche Produkte. Durch das weit reichende Netzwerk von Alliance Partnern und ausgewählten Systemintegratoren können NI und seine Partner umfassende Lösungen für Rapid-Control-Prototyping- und HIL-Anwendungen bieten. Zu den Partnern, die sich auf diese beiden Gebiete spezialisiert haben, gehören MicroNova, Wineman Technologies, Averna sowie KGC.

Darüber hinaus pflegt NI kontinuierlich Produktpartnerschaften, um seinen Kunden offene und flexible Lösungen zur Verfügung stellen zu können. Zu diesen Partnern gehören MSC CarSim und TESIS DYNAware, die Werkzeuge zur Modellierung von Fahrzeugdynamik produzieren, sowie Hersteller von Busschnittstellen wie z. B. Condor Engineering.

Vorteile der LabVIEW-Plattform

LabVIEW bietet eine offene Plattform für alle Anforderungen an Steuer-, Regel- sowie Prüfanwendungen für dynamische Systeme. Mit der NI-Plattform können Anwender die für sie am besten geeignete Designsoftware mit skalierbaren, modularen Hardwareplattformen wählen und so modellbasierte Designs in Echzeit implementieren.

Simulink^® und Real-Time Workshop^® sind eingetragene Warenzeichen von The MathWorks, Inc.