Centro de Investigaci

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Centro de Investigación y Estudios Evanzados del
IPNDepartamento de Engeniería EléctricaSección
de Computación
Tesis
Desarrollo de una herramienta en Matlab sobre un
kernel multitareas para simulación de un sistema
de control en tiempo real
Tesista Roberto Manuel Linares Zamora Director
de tesis Dr. Pedro Mejía Álvarez Co-Asesor de
tesis Dr. Alberto Soria López 12 de Octubre de
2004
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Roberto M. Linares Zamora
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Contenido

• Marco General
• Antecedentes
• Planteamiento del problema
• Propuesta
• Objetivo General
• Objetivos Particulares
• Metodología
• Calendario
• Resultados Esperados
• Referencias

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Marco General (1/5)
Un sistema de tiempo real es un sistema de
procesamiento de información el cual tiene que
responder a estímulos de entrada generados
externamente en un período de tiempo finito y
específico

• Estricto cumplimiento de tiempos, o plazos de
  respuesta
• Las tareas son la unidad de cómputo a ser
  planificada y ejecutada
• Plazo de respuesta definido por su aplicación
• Un STR maneja variables de procesos externos
  (E/S)
• Concurrencia. El sistema debe resolver distintos
  problemas a la vez ()
• Un STR responde de manera predecible a estímulos
  externos impredecibles

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Marco General (2/5)

• SISTEMAS DE CONTROL
• Combinación sus componentes actúan conjuntamente
  para alcanzar un objetivo particular.
• Objetivo es el control manual o automático de
  cierta cantidad o variable física.

Salida Respuesta real del sistema. Puede
coincidir o no con la respuesta del sistema,
implícita en la entrada correspondiente
Entrada Estímulo, excitación o mandato aplicado
para producir una respuesta específica del
sistema.

• Tipo de control
• Lazo abierto Control independiente de la salida
  y de las variables del sistema (por ejemplo una
  tostadora).
• Lazo cerrado Control dependiente de la salida
  y/o de las variables del sistema (por ejemplo un
  sistema de aire acondicionado).

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Marco General (3/5)

• Los recientes sistemas de control son subsistemas
  de un sistema complejo, donde el componente
  básico de control es un microprocesador que usa
  un kernel de tiempo real o un sistema operativo
  en timepo real.

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Marco General (4/5)

• Las técnicas de tiempo real aún no estan bien
  definidas en los sistemas de control, ya que los
  microprocesadores tienen que compartir recursos y
  no se puede garantizar el tiempo de ejecución de
  cada tarea.

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Marco General (5/5)

• El diseño de un sistema de control en tiempo real
  es esencialmente un problema de co-diseño, debido
  a que las decisiones hechas en tiempo real
  afectan al diseño de control y viceversa.
• Esta combinación de co-diseño crea la
  posibilidad de desarrollar sistemas más
  integrados, flexibles y dinámicos.
• La integración de estos dos enfoques requiere de
  nuevas herramientas para su análisis, diseño e
  implementación

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Antecedentes (1/2)

• Los sistemas de control en tiempo real son
  tradicionalmente diseñados en base a dos enfoques
  de la ingeniería.
• La teoría de control desarrolla modelos para
  plantas que va a ser controladas por medio del
  diseño de una ley de control y su prueba en una
  simulación.
• La teoría de sistemas en tiempo real desarrolla
  un algoritmo de control para implementar, y
  configurar el sistema en tiempo real, por medio
  de la asignación de prioridades, fin de plazo
  (deadlines), periodos, etc.

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Antecedentes (2/2)

• SCTR de autos
• SCTR de plantas eléctricas
• SCTR aéreos
• SCTR para plantas nucleares

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Definición del problema (1/2)

• En la mayor parte de los casos el control es
  ejecutado periódicamente, enfocándose solamente
  en el dominio del problema sin preocuparse de
  cómo la planificación afecta al lazo de control.
• la latencia de entrada y salida
• el periodo
• retardo del tiempo de computo

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Definición del problema (2/2)

• Se requiere de nuevas herramientas para su
  análisis, diseño, simulación e implementación.
• Poco soporte para el manejo de interrupciones.
• Ambiente grafico del modelo de control y limitado
  para el manejo de tiempos de ejecución
• Manejo de sobrecarga de las tareas, donde se
  cuestiona Qué pasa si el control de tareas no
  termina a su fin de plazo?
• Peor caso del tiempo de ejecución.

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Trabajo Relacionado (1/2)

• Liu and Layland, 1973, suponen que la E/S es
  representada periódicamente por las funciones del
  hardware, introduciendo retrasos en todos los
  lazos cerrados del control sobre la computadora.
• STRESS Audsley et al., 1994 y DRTSS Storch and
  Liu, 1996, herramientas para la simulación de la
  planificación en tiempo real
• Seto et al., 1996, donde la tasa de muestreo de
  un conjunto de controladores que comparten el
  mismo CPU, es calculada usando las métricas de
  control estándar.

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Trabajo Relacionado (2/2)

• Eker, 1999, prototipo de una herramienta
  desarrollada en Matlab, la cual tenia poco
  soporte para el manejo de interrupciones.
• Palopoli et al., 2000, RTSIM simulador de
  planificación en tiempo real, desarrollado en
  C.
• Roberto Saco, Eduardo Pires, Carlos Godfrid,
  2002, laboratorio de control en tiempo real.
• A. Cervin, 2003, donde la teoría de control y
  la teoría de sistemas en tiempo real se conjuntan
  para crear las herramientas TrueTime y Jitterbug.
• Raimund Kirner, Roland Lang, 2004, WCET
  simulación del peorcaso, Matlab/Simulink.

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Propuesta (1/2)

• La propuesta de esta tesis es el desarrollo de
  una herramienta visual en Matlab sobre un kernel
  multitareas para simular sistemas de control en
  tiempo real. Esta herramienta tiene como objetivo
  auxiliar el desarrollo de co-diseños de sistemas
  de control y planificación en tiempo real.

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Propuesta (2/2)

• La parte fundamental del desarrollo de la tesis
  se enfoca en aprovechar las ventajas de
  Matlab/Simulink para simular sistemas de control
  fuera del ambiente de Matlab, que permitan un
  análisis más flexible del comportamiento del
  algoritmo de control y su interacción entre la
  planificación y el control de tareas.

• Funciones de C/C
• Funciones de Matlab
• Diagramas de bloques de Simulink

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Objetivo General

• Generar una herramienta de software para simular
  un sistema de control en tiempo real desarrollada
  en Matlab/Simulink sobre un kernel multitareas.

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Objetivos Específicos

• Desarrollar una conexión entre el código de
  Matlab/Simulink y el kernel de tiempo real.
• Simular un sistema de control en tiempo real
  aplicando técnicas de planificación de tareas
  sobre un kernel de tiempo real
• Ejecutar pruebas de desempeño en varios procesos
  sobre el kernel de tiempo real, simulando
  problemas relacionados con la integracion de
  tiempos en un sistema de control.

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Metodología (1/3)

• La metodología a seguir para el desarrollo de
  este trabajo de tesis
• Recopilación bibliografíca de los artículos
  relacionados y revisión del estado del arte.
  Realizar un estudio de las características de
  simulación de procesos de control y tiempo real
  en Simulink.
• Identificar herramientas para convertir programas
  de MATLAB en componentes que puedan ser usados
  fuera del ambiente de MATLAB.
• Desarrollar un prototipo experimental con un
  sistema de control de lazo cerrado sobre el
  kernel de tiempo real sin algoritmos de
  planificación y recopilación de datos

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Metodología (2/3)

• Realizar pruebas del prototipo con un sistema de
  control en tiempo real, utilizando los algoritmos
  de planificación conocidos y recopilación de
  datos.
• Generación de la versión de prueba sobre Simulink
  de la herramienta de simulación y generación de
  reportes.
• Pruebas de la herramienta de simulación.

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Metodología (3/3)

• Simular y analizar el peor caso del tiempo de
  ejecución para el sistema de control en tiempo
  real y pruebas finales.
• Escritura de la tesis.
• Generar reportes de los resultados obtenidos para
  publicaciones.

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Calendario
Calendario (2004-2005) Periodo (Sep Feb)
Actividades SEP OCT NOV DIC ENE FEB
1.- Recopilación bibliografíca            
2.- Identificación de herramientas            
3.- Generación del Prototipo            
4.- Pruebas con el Prototipo            
5.- Generación de la versión de Prueba            
6.- Estudio de PCTE            
7.- Pruebas de la herramienta            
8.- Escritura de la Tesis            
             
             
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Calendario
Calendario (2005) Periodo (Mar - Sep)
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Resultados Esperados

• Del presente trabajo de tesis lo que se pretende
  obtener
• Generar una herramienta para simular un sistema
  de control de lazo cerrado sobre un kernel de
  tiempo real. Esta herramienta se podrá ejecutar
  sobre una máquina virtual de Tiempo Real (kernel
  para DOS) con un enfoque de programación de
  concurrencia, tratando el problema de exclusión
  mutua, con solución mediante semáforos.
• También generar reportes para publicar en por lo
  menos en un foro nacional y la revista
• Journal of Real Time Systems.

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Referencias
1 Johan Eker A Matllab Toolbox for Real-Time
and Control Systems Co-Desing. 6ht
International Conference on Real-Time Computing
Systems and Applications, Hong Kong, P.R. China,
December 1999 2 Karl-Erik Årzen, A. Cervin
An Introduction to Control and Scheduling
Co-Desing 39th IEEE Conference on Descision and
Control, Sydney, Australia, December 2000 3
R. Kirner, R. Lang, P. Puschner, C. Temple.
Integrating WCET Analysis into a Matlab/Simulink
Simulation Model. 16th IFAC Workshop on
Distributed Computer Systems, Sydney, Australia,
November 2000. 4 Anton Cervin, Dan Henriksson,
Bo Lincoln. Jitterbug and True Time Analysis
Tools for Real-Time Control Systems .2nd
Workshop on Real-Time Tools, Copenhagen, Denmark,
August, 2002
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Referencias
5 Roberto Saco, Eduardo Pires, Carlos
Godfrid.Real Time Controlled Laboratory Plant
for Control . 32nd ASEE/IEEE Frontiers in
Educantion Conference, Boston, MA, November 2002.
6 Dan Henriksson, Karl-Erik Årzen. On
Dynamic Real-Time Scheduling of Model Predictive
Controllers. 41st IEEE Conference on Decision
and Control, Las Vegas, Nevada, December
2002. 7 Anton Cervin, Dan Henriksson, Bo
Lincoln. Analysis and Simulation of Controller
Timing . IEEE Control Systems Magazine
2003. 8 Tesis Antón Cervin, Integrated
Control and Real-Time Scheduling. Department of
Automatic Contorl Lund Institute of Technology,
Lund, April 2003
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Referencias
9 Raimund Kirner, Roland Lang WCET Analysis
for system Modeled in Matlab/Simulink. Vienna
University of Technology, Austria 2004 10
Tesis Oscar Miranda Gómez Kernel de tiempo
real para el control de procesos. Maestría en
Ciencias CINVESTAV Departamento de Ingeniería
Eléctrica Sección de Computación. Marzo 2004.
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