O. H. REICHOW1*; A. K. B. RAIZER1, R. TRENTINI¹
1Instituto Federal de Santa Catarina – Câmpus Jaraguá do Sul (Rau) *rodrigo.trentini@ifsc.edu.br
RESUMO: Este resumo apresenta-se uma técnica de simulação em tempo real chamada Hardware-in-the-Loop (HiL), utilizada no desenvolvimento e teste em tempo real de sistemas embarcados complexos, em que um sistema físico real é modelado e substituído por uma representação matemática e simulado computacionalmente, controlado por um algoritmo embarcado em um hardware. Compreendem este trabalho a implementação do modelo do sistema software Labview, emulação do sistema na placa dedicada myRIO, implementação do algoritmo de controle no microcontrolador STM32, aquisição dos sinais através de uma placa de aquisição de dados (DAQ), comparação dos sinais resultantes do HiL com a simulação feita no Simulink.
Palavras-chave: Hardware-in-the-loop, myRIO, STM32. Instituição de fomento: IFSC
1 INTRODUÇÃO
Um dos aspectos críticos em qualquer projeto de engenharia é o tempo de término. Atrasos são comuns, e ocorrem por variados motivos: demora na entrega de equipamentos, ferramentas e/ou insumos, representação matemática não fiel ao modelo real, ou até no pior dos casos, aparecimento de problemas que não haviam sido percebidos antes da montagem do protótipo. Com o intuito de detectar problemas antes da montagem física, e também de acelerar o tempo de projeto como um todo, a simulação é uma importante ferramenta para o projetista (Pazin Filho, 2007). A simulação Hardware-in-the-Loop (HiL), é uma técnica utilizada para o desenvolvimento e teste em sistemas embarcados. Ela proporciona uma plataforma eficaz, adicionando a complexidade da planta, sob controle da plataforma utilizada (Ledin, 1999). O comportamento da planta é incluído por meio de uma representação matemática de todos os sistemas dinâmicos presentes conhecida como “simulação da planta”. O sistema embarcado utilizado interage com essa simulação da planta.
Existem diversas plataformas para realizar a simulação HiL. Neste trabalho escolheu-se a plataforma myRIO, que é uma placa de avaliação embarcada em tempo
real desenvolvida
pela National Instruments, sendo direcionada para estudantes (Liyanage, 2016). Para utilizar a myRIO, é requerido o software LabVIEW, que é um software desenvolvido pela mesma empresa, que facilita a interação virtual de hardwares, possibilitando a análise de dados e o processamento de sinais de forma mais eficiente. Neste, é construída toda a simulação da planta, a qual é processada pela myRIO. A simulação HiL, pode ser vista na Figura 1.
Figura 1 - Simulação Hardware-in-the-loop da planta de 1ª ordem
O sistema simulado neste trabalho é uma planta de primeira ordem genérica. Esta planta precisa ser discretizada, ou seja, é necessário transformar o modelo no domínio do tempo contínuo para um modelo em tempo discreto. Para o controle da planta, foi desenvolvido um controlador PI, cuja implementação foi realizada em um microcontrolador STM32103C8T6 na placa de desenvolvimento BluePill. Este microcontrolador é baseado na arquitetura ARM, fabricado pela empresa STMicroelectronics. O algoritmo de controle foi desenvolvido no CubeIDE, plataforma livre de desenvolvimento, depuração e gravação de microcontroladores da STMicroelectronics. Os resultados são adquiridos por um dispositivo de E/S multifunção DAQ NI USB-6210, também da National Instruments.
Para comprovar os resultados obtidos, estes são comparados com a simulação do modelo do sistema via Simulink, conhecida como Model-in-the-Loop (MiL).
Para a elaboração da representação matemática via software, foi utilizada a extensão MyRIO Toolkit 2019. O diagrama pode ser montado conforme a Figura 2.
Figura 2 - Diagrama elaborado no LabVIEW
Sendo os blocos Sinal de Controle e Sinal de Saída provenientes do STM32, os quais são saída e entrada do microcontrolador, respectivamente. Já os blocos DAQ Controle e DAQ Saída são apenas sinais para aquisição de dados, a qual é feita pela NI USB-6210. O bloco Planta de 1ª ordem é onde está montada a planta discreta de primeira ordem. Anterior ao bloco Sinal de Saída existe um bloco para inicializar a saída em 0.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O resultado obtido pelo controle em HiL se aproximou do resultado obtido pela simulação do modelo feita integralmente no Simulink, conhecido também como MiL, conforme mostra a Figura 3, onde a curva em azul mostra a simulação HiL e a curva em vermelho é a simulação MiL realizada no Simulink. Pode-se perceber que algumas tendências e comportamentos esperados foram mantidos. No entanto, o sistema simulado HiL não apresentou sobressinal. Isso ocorreu principalmente devido ao sinal de controle PWM ser filtrado analogicamente a posteriori. Além disso, o sistema HiL apresenta pequenas oscilações, devido aos ruídos existentes nas conexões elétricas, os quais não existem na simulação MiL.
O que fica mais evidente da diferença entre as curvas, é que há um atraso do sistema HiL na subida no início do experimento. Esse é um resultado muito interessante pois demonstra o efeito que mesmo pequenos atrasos podem causar no sistema quando
o controlador está embutido em hardware real ao invés de ser simulado computacionalmente. Esses atrasos ocorrem no início da simulação porque há uma diferença de tempo entre o momento que o modelo da planta na placa MyRIO começa a executar e, o algoritmo de controle embarcado no STM32, começa a atuar. Este atraso, o filtro do PWM e os ruídos reais das conexões são os principais responsáveis pela diferença de comportamento entre as simulações HiL e MiL.
Figura 3 - Comparação HIL x Simulink (MIL)
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O objetivo de controlar a planta de primeira ordem, simulada em uma placa myRIO, com um controlador PI implementado em um microcontrolador STM32, foi alcançado, o que é comprovado pelos resultados obtidos, que se aproximam muito do resultado esperado, conforme a simulação via Simulink. Isso comprova que a técnica HiL mostrou-se eficaz, e que é possível consolidar resultados práticos com sistemas emulados em tempo real.
Disponível em: https://www.revistas.usp.br/rmrp/article/view/312. Acesso em: 7 jun. 2021. LEDIN, J. A. Hardware-in-the-loop simulation. Embedded Systems Programming, v. 12, p. 42–62, 1999.