Implementierung komplexer Steuerungssysteme mit LabVIEW Real-Time

Author(s):
Marin Baird - TRW Aeronautical Systems Group

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW

The Challenge:
Präzise Implementierung komplexer Steueralgorithmen, die im Matrixx-Format spezifiziert sind.

The Solution:
Konvertierung der Steueralgorithmen nach LabVIEW und anschließende Ausführung mit LabVIEW Real-Time.

Realisierung

TRW Aeronautical Systems ("Lucas Aerospace") ist ein führendes internationales Unternehmen, das weltweit fortschrittliche technologische Systeme, Produkte und Dienstleistungen im Luftfahrtsektor anbietet. In Birmingham sind wir beim Entwurf und der Produktion von Motorensteuerungssystemen, im Besonderen von Tanksystemen, Pumpen und linearen Stellgliedern, beteiligt.

Im Flugzeug steuern wir unsere hydromechanischen Systeme über den so genannten Full Authority Digital Electronic Controller (FADEC). Da aber während der Entwicklung und bei Tests oft kein FADEC verfügbar ist, müssen wir für jedes System ein spezielles Steuerungssystem entwickeln und bauen.

Hydromechanische Systeme werden immer komplexer, die Anforderungen an ihre Leistungsfähigkeit wächst ständig an und die Entwickler benötigen Steuerungssysteme, die genau das System des Flugzeugs simulieren, so dass die Funktion des Systems getestet werden kann, lange bevor ein FADEC zur Verfügung steht. Eine analoge Lösung ist nicht länger möglich.

Die Testaufbauten wurden mit Hilfe von Datenerfassungs-/(DAQ-) und Steuergeräten von National Instruments konstruiert, die mit LabVIEW programmiert wurden. Unsere neuen Testgeräte wurden auch so entwickelt, dass sie lediglich mit einer DAQKarte und LabVIEW lauffähig sind. Ursprünglich war geplant, LabVIEW für unsere Steuerungsaufgabe einzusetzen, doch da damals ein deterministisches Zeitverhalten bei sehr kurzen Zyklen nicht möglich war, mussten wir nach einer anderen Lösung suchen.

Genau zu diesem Zeitpunkt kam LabVIEW Real-Time von National Instruments auf den Markt.

Der Steueralgorithmus

Da wir LabVIEW schon erfolgreich für mehrere andere Projekte eingesetzt hatten, kannten wir dieses Produkt bereits sehr gut. Dennoch entwarfen wir unsere Steuerungssysteme alle mit MATRIXx. Die Steueralgorithmen wurden dort ähnlich wie in LabVIEW grafisch und mit Hilfe von funktionalen Blöcken beschrieben, die über Datenpfade verbunden sind. Genauso wie bei den LabVIEW-VIs stellt jeder Block eine Funktion oder eine Subroutine dar.

Für die Konvertierung musste jede Matrixx-Funktion und Subroutine genau in LabVIEW nachgebildet werden. Die meisten Matrixx-Funktionen haben eine äquivalente Funktion in LabVIEW, allerdings gab es auch einige Blöcke mit Laplace- und ZTransformationen, bei denen die Lösung nicht ganz so einfach war.

Implementierung des Systems

Wir verwendeten die PCI-7030/6040E - eine DAQ-Karte der RT-Serie, die mit einem AMD486DX5-Prozessor ausgestattet ist. Der komplette Algorithmus benötigt auf dieser Karte der RT-Serie 330 ms pro Durchlauf. Als wir jedoch noch die Ein- und Ausgabe hinzufügten, stieg die Laufzeit über den von uns geforderten Wert von 2 ms. Deshalb setzten wir die Prioritäten für alle VIs auf Subroutine und ließen das VI der höchsten Ebene mit der zeitkritischen Priorität laufen, um die Zeit für einen Durchlauf zu reduzieren. So konnten wir die Abtastrate mit einem Hardware-Timing genau auf 500 Hz setzen.

Als Nächstes entwarfen wir das LabVIEW-Programm, das als Schnittstelle zu dem RT-System agiert und normal auf einem PC ausgeführt wird. Die Kommunikation zwischen den beiden Systemen findet über einen gemeinsamen Speicher von 1 kB statt.

Durch den Einsatz eines Teils des gemeinsamen Speichers als zirkulären Puffer kann die DAQ-Karte der RT-Serie bei jedem Durchlauf, also alle 2 ms, Daten lesen und schreiben, während das Programm mit der Benutzerschnittstelle auf dem PC verschieden große Speicherbereiche lesen und schreiben kann, sobald es dazu bereit ist. Durch das Anzeigen der Daten aus dem Speicherbereich konnte eine ausgezeichnete Echtzeit-Anzeige geschaffen werden, die der Anwender jederzeit stoppen und weiterlaufen lassen kann, um detailliertere Informationen über das Testsystem zu bekommen.

Ergebnisse

Mit LabVIEW Real-Time steht uns ein leistungsfähiges Werkzeug zur Verfügung, mit dem wir in sehr kurzer Zeit Steuerungssysteme aufbauen können. Zudem können wir sehr schnell neue Tests entwerfen und die Steuerparameter mit einigen wenigen Handgriffen ändern. Mit LabVIEW steht uns nun ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem wir nicht mehr tagelang an einem System herumbasteln müssen, das schließlich nur ungefähre Resultate liefert, sondern mit dem wir innerhalb von ein bis zwei Tagen ein neues Programm erstellen können, das akkurate Ergebnisse bringt.

Nähere Informationen erhalten Sie bei: Martin Baird TRW Aeronautical Systems Group Shaftmoore Lane Hall Green Birmingham B28 8SW, EnglandTel.:(++44)121-707-7111 Fax: (++44)0121-706-9622 E-Mail: martin.baird@lucasvarity.com

 

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