Система прототипирования цифровых систем с моделированием реального времени
Полезная модель относится к области обработки данных для специальных применений и может быть использована для создания систем, предназначенных для быстрого прототипирования цифровых систем управления различными техническими объектами, а также в качестве замены объекта управления его математической моделью используемой в процессе разработки на этапах отсутствия испытательного образца конечного устройства, и эмулирующей поведение проектируемого объекта управления в реальном масштабе времени.
Требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, достигается в устройстве, содержащем содержащая, по крайней, мере один датчик, размещенный на объекте управления, по крайней мере, один вычислительный модуль, включающий набор моделей управления, по крайней мере, один драйвер вычислительного модуля, по крайней мере, один драйвер исполнительного устройства, а также автоматизированное рабочее место, вход-выход которого через интерфейс соединен с входом-выходом соответствующего вычислительного модуля. 1 н.п.ф., 1 ил.
Полезная модель относится к области обработки данных для специальных применений и может быть использована для создания систем, предназначенных для быстрого прототипирования цифровых систем управления различными техническими объектами, а также в качестве замены объекта управления его математической моделью используемой в процессе разработки на этапах отсутствия испытательного образца конечного устройства, и эмулирующей поведение проектируемого объекта управления в реальном масштабе времени.
Известно устройство, содержащее входной блок, принимающий сигналы от датчиков и формирующий двоичный код на своем выходе, выходной блок для записи и хранения полученных значений двоичных кодов, поступающих из многоканального операционного и коммутационно-вычислительного блоков, где выполняются арифметические и логические операции над двоичными кодами, программный блок для хранения программы работы устройства, блок оперативной памяти, блок синхронизации, обеспечивающий устойчивую работу устройства, систему связи для согласования входных и выходных сигналов между соответствующими блоками, логический модуль, обеспечивающий операцию циклического сдвига двоичных кодов, блок выбора программ, состоящий из трех электронных ключей, постоянного запоминающего устройства ПЗУ, многоразрядного счетчика импульсов, дешифратора, элементов И, ИЛИ с соответствующими связями, [RU 2374672, C1, G05B 19/08, 27.11.2009].
Недостатком устройства является его относительно узкие функциональные возможности.
Наиболее близким к предложенному является устройство, содержащее излучатель сигналов (имитатор цели), объект управления, выполненный в виде головки самонаведения (ГСН), вычислительный модуль, выполненный в виде вычислительно-моделирующего устройства, причем, объект управления содержит ЭВМ, а вычислительный модуль включает модели динамики и движения летательного аппарата, движения цели, модели движения гиростабилизированной платформы, управления гиростабилизированной платформой, расчета единичного вектора [RU 2338992, C1, F41G 3/22, 20.11.2009].
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку в устройстве отрабатывается заданный заранее объект управления и не формируются вариации сигнала управления для объекта управления, что не позволяет принимать решения о путях и направления совершенствования объекта управления в режиме его испытаний, в том числе, при ускоренных испытаниях с целью прототипирования цифровых систем управления.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее, по крайней, мере один датчик, размещенный на объекте управления, и, по крайней мере, один вычислительный модуль, включающий набор моделей управления, введены, по крайней мере, один драйвер вычислительного модуля, вход которого соединен с выходом соответствующего ему датчика, а выход - соединен со входом задания сигнала датчика соответствующего ему вычислительного модуля, по крайней мере, один драйвер исполнительного устройства, вход которого соединен с выходом управляющего сигнала соответствующего ему вычислительного модуля, а выход - соединен со входом исполнительного устройства, размещенного на объекте управления, а также автоматизированное рабочее место, вход-выход которого через интерфейс соединен с входом-выходом соответствующего вычислительного модуля.
На чертеже представлена функциональная схема системы прототипирования цифровых систем с моделированием реального времени для частного случая использования одного датчика, одного драйвера вычислительного модуля, одного вычислительного модуля и одного драйвера исполнительного устройства.
Система прототипирования цифровых систем с моделированием реального времени содержит, по крайней, мере один датчик 1, размещенный на объекте 2 управления, и, по крайней мере, один вычислительный модуль 3, включающий набор моделей управления.
Кроме того, система прототипирования цифровых систем с моделированием реального времени содержит, по крайней мере, один драйвер 4 вычислительного модуля, вход которого соединен с выходом соответствующего ему датчика 1, а выход - соединен со входом задания сигнала датчика соответствующего ему вычислительного модуля 3, а также, по крайней мере, один драйвер 5 исполнительного устройства, вход которого соединен с выходом управляющего сигнала соответствующего ему вычислительного модуля 3, а выход - соединен со входом исполнительного устройства 6, размещенного на объекте 2 управления.
Система прототипирования цифровых систем с моделированием реального времени содержит также автоматизированное рабочее место 7, вход-выход которого через интерфейс 8 соединен с входом-выходом соответствующего вычислительного модуля 3.
Поскольку система содержит элементы, охарактеризованные на функциональном уровне, и описываемая форма их реализации предполагает, как правило, использование программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, то ниже представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения таким средством конкретной предписываемой ему в составе данного устройства функции, а также примеры их выполнения на существующей элементной базе.
В частности, в качестве вычислительного модуля 3 может быть использовано техническое решение по патенту RU 92556, представляющее собой многофункциональный высокопроизводительный модуль, основу которого составляет микропроцессор, например, типа Freescale iMX.355 с ядром ARM1136JF-S, работающий на тактовой частоте до 532 МГц.
Работает система прототипирования цифровых систем с моделированием реального времени следующим образом.
Система прототипирования цифровых систем с моделированием реального времени предназначена для разработки сложных технических систем и решения комплексной задачи, требующей решения большого числа инженерных вопросов, таких как определение параметров и структуры системы управления, проектирование алгоритма управления, моделирование критических режимов работы, и пр. Подобные исследования, как правило, связаны с большим объемом испытаний на натурных образцах, что требует их опытного изготовления, что, в свою очередь, увеличивает временные и финансовые ресурсы, затрачиваемые на разработку изделия.
Обычно для сокращения количества натурных испытаний, строятся математические модели изделий и их компонентов, и часть работ проводится с включением разработанных моделей в систему испытательного стенда, что позволяет осуществлять испытания на «виртуальном объекте». Под каждое изделие разрабатывается уникальный испытательный стенд или несколько испытательных стендов, каждый из которых выполняет функцию проверки режимов работы тех или иных компонентов будущего изделия. Создание подобных стендов является также трудозатратным и ресурсоемким процессом.
Предлагаемое техническое решение представляет собой универсальный испытательный стенд, способный выполнять функции эмулятора различных объектов управления и систем управления, при этом, реконфигурация под конкретное изделие достигается путем модификации типового программного обеспечения, а также подключением тех или иных драйверов. Избыточная вычислительная мощность вычислительного модуля и его функциональные возможности, позволяют моделировать полный спектр существующих алгоритмов управления, как в виде открытого контура управления, так и с включением вычислительного модуля в обратную связь контура управления в качестве прототипа системы управления для тестирования тех или иных алгоритмов управления.
Такой универсальный подход позволяет значительно сокращать цикл разработки изделий, что особенно важно в таких отраслях как, автомобильная или рынок мобильной электроники, где цикл обновления модельного ряда сокращен до одного года и менее что требует жесткого сокращения графиков разработки новых изделий.
Такой подход реализуется в предложенной системе следующим образом.
От датчика 1, размещенного на объекте 2 управления (либо его физической или электронной модели), через драйвер 4 на вход вычислительного модуля 3 поступает сигнал, который в драйвере 4 преобразуется в сигнал требуемого вида. В частном случае, например при использовании аналогового сигнала датчика 1, драйвер 4 может быть выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя. Вычислительный модуль 3 включает (запрограммирован) набор моделей управления. В соответствии с используемой моделью управления вычислительный модуль 3 вырабатывает управляющий сигнал, который через драйвер 5, например, выполненный в виде цифро-аналогового преобразователя, поступает на исполнительное устройство 6, например, аналогового типа для управления объектом 2.
Кроме того, из вычислительного модуля 3 сигнал поступает через интерфейс 8 на средства отображения автоматизированного рабочего (АРМ) 7, которое, в частном случае, может быть выполнено в виде компьютера с монитором.
На мониторе АРМ 7 отображается текущее состояние объекта 2 в составе соответствующих характеристик (параметров).
При работе драйверов и вычислительного модуля в реальном масштабе времени, т.е. с сохранением времени формирования управляющего воздействия на объект и реализации этого воздействия в темпе реального времени в системе моделируется реальное время от формирования и отработки управляющего воздействия. Автоматически или по команде с АРМ 7 в вычислительном модуле 3, являющимся универсальным средством, может быть использована иная модель управления, т.е. иной алгоритм формирования управляющего сигнала.
Это позволяет вводить изменения в объект управления при его проектировании с целью улучшения его параметров.
Кроме того, в качестве объекта управления может быть использована его электронная модель, а драйверы 4 и 5 могут работать с иной тактовой частотой, например, повышенной, так же, как и вычислительный модуль 3. Это позволяет формировать, отрабатывать и вырабатывать сигналы управления также с повышенной частотой, что реализует испытания в повышенном темпе времени и сокращать время испытаний.
В случае недостаточной вычислительной мощности одного вычислительного модуля для формирования отработки и выработки сигнала конкретного алгоритма управления, система предусматривает установку одного и более дополнительных вычислительных модулей, работающих параллельно.
Система также предусматривает удаленное реконфигурирование вычислительных модулей за счет чего достигается возможность удаленного использования испытательных стендов. В этом случае, автоматизированное рабочее место оператора 7 может быть подключено к системе посредством удаленной связи, в частности, посредством сети Интернет. Такое решение позволяет сократить затраты, связанные с трансфертом задействованных специалистов на период проведения испытаний.
Для проведения комплексных испытаний изделий в системе предусмотрен пакетный запуск сценариев моделирования, обеспечивающих отработку требуемых режимов согласно планам разработки и испытаний изделия, и гарантирующих сравнимость получаемых в каждом тесте результатов.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства достигается требуемый технический результат, поскольку в предложенном устройстве, в отличие от известного, формируются вариации сигнала управления для объекта управления, что позволяет принимать решения о путях и направления совершенствования объекта управления в режиме его испытаний, в том числе, при ускоренных испытаниях с целью прототипирования цифровых систем управления.
Система прототипирования цифровых систем с моделированием реального времени, содержащая, по крайней мере, один датчик, размещенный на объекте управления, и, по крайней мере, один вычислительный модуль, включающий набор моделей управления, отличающаяся тем, что введены, по крайней мере, один драйвер вычислительного модуля, вход которого соединен с выходом соответствующего ему датчика, а выход соединен со входом задания сигнала датчика соответствующего ему вычислительного модуля, по крайней мере, один драйвер исполнительного устройства, вход которого соединен с выходом управляющего сигнала соответствующего ему вычислительного модуля, а выход соединен со входом исполнительного устройства, размещенного на объекте управления, а также автоматизированное рабочее место, вход-выход которого через интерфейс соединен с входом-выходом соответствующего вычислительного модуля.
