Chi opera in campo elettronico o dell’automatica spesso segue metodi di progettazione che impiegano modelli matematici dei circuiti o dei sistemi sotto osservazione. Le moderne tecniche di progetto basate sull’uso sistematico dei modelli dinamici per l’analisi ed il progetto dei sistemi di controllo vanno sotto il nome di “Model Based Design” o “Model Based System Engineering”. La simulazione dei sistemi dinamici è stata presentata in vari articoli in cui sono stati mostrati degli strumenti software dedicati come, ad esempio, il Simulink. Abbiamo visto come e soprattutto perché simulare il comportamento di un sistema. In questo articolo vedremo una particolare forma di simulazione legata ai tempi di calcolo ed all’uso che se ne può fare in campo ingegneristico, soprattutto per lo sviluppo di centraline di controllo o sistemi embedded.
SIMULAZIONI REAL TIME
La caratteristica principale che andremo ad indagare in questo articolo è l’esecuzione “in tempo reale”, o “real time”, della simulazione. Tipicamente siamo interessati a simulare un sistema per indagarne il comportamento e verificare, ad esempio, se un circuito è dimensionato correttamente o se il controllore soddisfa le specifiche. Quanto tempo il calcolatore impiega per effettuare la simulazione, ovvero i calcoli coinvolti, non è in generale di particolare importanza. Tuttavia esistono delle applicazioni in cui è importante che le variabili simulate evolvano nello stesso tempo che impiegherebbero nella realtà. Facciamo attenzione che "tempo reale" non significa "veloce", ma solo che i tempi di simulazione devono essere comparabili con quelli del sistema. Ad esempio se voglio simulare un forno che impiega venti minuti per raggiungere la temperatura desiderata, allora la simulazione deve durare proprio venti minuti! Con la temperatura simulata che assume gli stessi valori che assumerebbe la temperatura reale al variare del tempo. Chiaramente il problema della velocità si pone per quei sistemi che hanno dinamiche veloci, come gli azionamenti elettronici, in cui l'apertura o chiusura di un transistor dura pochi microsecondi.
CICLO DI SVILUPPO DI UN SISTEMA DI CONTROLLO EMBEDDED
Una procedura molto usata in ambito industriale per la progettazione di un sistema di controllo, è il cosiddetto “Ciclo-V” mostrato in Figura 1. La procedura prevede cinque fasi operative:
- progettazione del controllo: a partire dalle specifiche viene definita la legge di controllo;
- prototipazione: la strategia di controllo viene validata preliminarmente utilizzando le tecniche di prototipazione rapida;
- generazione del codice: a partire dai modelli sviluppati nelle prime due fasi, vengono generati i codici di controllo destinati alle corrispondenti unità (target reale, generalmente denominata ECU, Electronic Control Unit);
- hardware in the loop testing: il controllore una volta implementato sul dispositivo hardware reale (la ECU), viene testato in un ambiente real-time, mentre il processo da controllare è in parte o completamente simulato via software;
- calibrazione: sulla base delle verifiche effettuate si imposta il set di parametri di controllo che ottimizzano le prestazioni.
Figura 1: Schema del “Ciclo-V”
La fase di controllo (testing) è indispensabile per la rilevazione di eventuali malfunzionamenti e difetti ed è tra le fasi più critiche. Generalmente, testare un sistema vuol dire inserirlo nel suo ambiente di lavoro verificando che le funzionalità e le prestazioni siano conformi alle specifiche di progetto. Tale approccio comporta che il sistema sia pronto e funzionante [...]
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I tool che si trovano in commercio permettono di migliorare decisamente il time-to-market nello sviluppo di sistemi embedded. Matlab fa molto bene la sua parte con l’utilizzo di simulink che sta cominciando a prendere forma anche nell’analisi p-spice dove altri programmi (vedi orcad) hanno un vasto mercato.