SISTEMAS DE CONTROLE POR COMPUTADOR EM TEMPO REAL

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1 SISTEMAS DE CONTROLE POR COMPUTADOR EM TEMPO REAL Max Mauro Dias Santos Professor do Curso de Computação - Sistemas de Informação Unileste-MG. Doutor em Engenharia de Produção UFSC. Marcelo Vieira Côrrea Professor do Curso de Computação - Sistemas de Informação Unileste-MG. Doutor em Engenharia Elétrica UFMG. Fabrício de Souza Fernandes Mestrando em Engenharia Elétrica UFMG. Flávio dos Santos Sant Anna Graduando do Curso de Computação - Sistemas de Informação Unileste-MG. RESUMO Este trabalho possui dois objetivos primordiais. Aplicar as técnicas de escalonamento de Tempo Real em um sistema de controle e escalonar tarefas de processos com dinâmicas diferentes. No intuito de atingir o primeiro objetivo simulamos um processo utilizando somente um controlador PID em seguida o mesmo processo foi simulado utilizando as técnicas de escalonamento em Tempo Real. Com base nos resultados fez-se uma comparação dos mesmos verificando que o controle em Tempo Real foi executado mais rápido e que o processo com dinâmicas diferentes podem ser escalonados sem que haja interferência entre os mesmos. Palavras-chave: Escalonamento em Tempo Real, controlador PID. ABSTRACT This work possesses two primordial objectives. To compare and To analyze a system of conventional control being used controlling PID with the one system of control using PID using techniques of scheduling in Real Time and to schedule tasks of processes with different dynamic. In intention to reach the first objective we simulate a process using a conventional controller PID is after that the same process was simulated using the techniques of scheduling in Real Tim. On the basis of the results became a comparison of the same ones verifying that the control in Real Time was executed fast more. Similar to reach according to objective the scheduling of two different processes was simulated using Real Time and was evidenced that and possible it schedules them without that it has interference between the same ones. Key-words: Real Time, Scheduling, PID control, Matlab/Simulink

2 64 INTRODUÇÃO Com a introdução de computadores nas indústrias e a invasão dos microprocessadores em carros, eletrodomésticos, aviões e outros, surgiu a necessidade de se criar sistemas que cumpram as exigências dos equipamentos sem comprometer seu funcionamento. E foi a partir desta necessidade que foram surgindo os Sistemas de Controle em Tempo Real, estes por sua vez têm o papel de executar tarefas com requisitos temporais de forma confiável. A teoria de controle existe há vários anos e tem consolidado grandes avanços tecnológicos ao longo do tempo. Para se controlar um processo é necessário obter um modelo matemático que atenda suas especificações. Com a utilização dos computadores nos controles de processos os cálculos passaram a integrar os sistemas. Contudo estes modelos não conseguem prever situações que na prática podem prejudicar as ações de controle (Ogata, 1998). Em alguns processos críticos o controle deve ser executado em um período prédeterminado atendendo aos requisitos temporais dos mesmos. E foi partir desta necessidade que as técnicas de Tempo Real foram inseridas nos sistemas de controle. Estas por sua vez gerenciam as tarefas que serão executadas pelo processador, dando maior prioridade para as atividades mais críticas. Os Sistemas de Controle em Tempo Real (SCTR) tem por objetivo executar uma ação de controle obedecendo aos requisitos temporais. Para este tipo de sistema o cálculo do tempo de entrada e saída do controlador é fundamental para prever o deadline do sistema, que por sua vez determina o tempo máximo em que um controlador deve atuar. As técnicas de Tempo Real não estão ligadas somente ao controle principal, também podem estar ligadas à comunicação de computador e processo e podem ser utilizadas na otimização de recursos computacionais. ESTUDO DE CASO CONTROLE EM TEMPO REAL A utilização do computador em atividades de controle traz grandes benefícios tais como precisão, maior facilidade em resolver cálculos complexos, melhora a interface com o usuário e além de tudo pode-se gerenciar e supervisionar processos à distância. A estrutura física necessária para interligar um processo em malha fechada a um computador é dada por conversores Digital para Analógico (D-A) e Analógico para Digital (A-D). O D-A tem o papel de transformar bytes em sinais analógicos e o A-D faz a operação inversa.

3 65 Contudo os controladores atuais não são capazes de determinar o tempo exato em que uma tarefa deve ser executada, não há um controle dentro do domínio de tempo. Em sistemas de controle onde há a necessidade de se prever o momento da execução de uma atividade aplicase as técnicas de Tempo Real, estas são capazes de escalonar tarefas conforme as necessidades temporais das atividades em execução. Em Oliveira, Carissimi & Toscani (2002) lê-se que um sistema de tempo real é dito ser previsível ( predictable ) no domínio lógico e no temporal quando, independentemente de variações ocorrendo a nível de hardware (i.e. desvios do relógio), da carga e de falhas, o comportamento do sistema pode ser antecipado, antes de sua execução é com este fator que podemos determinar o deadline para uma tarefa. As técnicas de escalonamento possibilitaram a aplicação do conceito tempo real conforme Farines, Fraga & Oliveira (2000) onde afirmam, sistemas onde as noções de tempo e de concorrência são tratadas explicitamente, conceitos e técnicas de escalonamento formam o ponto central na previsibilidade do comportamento de sistemas em tempo real. FIGURA 1 Sistema de Tempo Real (Farines, Fraga & Oliveira, 2000) Esta revisão, que diz respeito a sistemas de controle e de Tempo Real, é de fundamental importância. Nas próximas seções serão apresentados os procedimentos e resultados que envolvem aplicação das técnicas de Tempo Real à controle de processos. PROCEDIMENTOS O modelo matemático e a simulação do processo térmico são apresentados nesta seção.

4 66 Apresentação do modelo matemático do processo térmico. O processo térmico onde se obteve o modelo matemático tem a seguinte estrutura: um tubo metálico com 10 cm de diâmetro interno, 12 cm de diâmetro externo e 18,3 cm de altura, construído com chapas de aço com espessura igual a 1 mm. O elemento de aquecimento interno é uma resistência de 100W. O forno não é isolado termicamente, de modo que variações na temperatura ambiente afetam o seu comportamento dinâmico (Fernandes, 2004). Para obtenção da função de transferência foi necessário que o forno ficasse ligado por várias horas e que fosse submetido a interferências internas e externas, tais como variações no sinal de entrada e redução de temperatura forçada. Durante este período todos os dados são coletados pelo LABVIEW e gravados e arquivo (*.txt). Os dados gerados no processo são analisados com o auxilio do software MatLab, a fim de identificar o modelo matemático, desta forma tem-se a função de transferência G(s) demonstrada abaixo (Fernandes, 2004). 2 0,83 ( ) = s G s e 140s + 1 (1) Simulação do controle do processo térmico Para realizar a simulação dos processos em tempo real, foi necessário simular o processo térmico utilizando blocos de controle digital do Simulink a fim de obter um resultado que possa ser comparado ao controle de tempo real. Na simulação foi necessário determinar as constantes do controlador PID, devido estar trabalhando com um processo térmico, as variáveis assumiram os seguintes valores: P = 60, I= 3, D = 0. FIGURA 2 Diagrama de simulação do forno no MatLab

5 67 Na FIG. 2, está representado o processo térmico utilizando um controlador PID e tendo como sinal de entrada um degrau. Simulação do controle do processo em Tempo Real A simulação dos processos utilizando Tempo Real foi baseada em (Cervin, 2003), neste trabalho foram utilizados três processos de dinâmica idêntica. A partir do bloco do Simulink True Time Kernel apresentado na seção anterior, foi possível simular dois processos de dinâmica diferente em Tempo Real. Para simulação foi necessário determinar as prioridades entres os processos, já que os mesmos são diferentes. O algoritmo de escalonamento utilizado foi o de Taxa Monotônica, neste a prioridade de escalonamento é definida pelo usuário. O argumento utilizado para determinar a ordem de escalonamento foi a dinâmica dos processos, como o processo do forno tem a dinâmica lenta, este teve a maior prioridade, já que necessita de maior capacidade de processamento. O motor, sendo um processo de dinâmica rápida, teve menor prioridade, pois quando acionado, seu controle é feito rapidamente, sem prejudicar o controle do forno. O tempo de simulação foi determinado pelo processo térmico, que necessita de mais tempo para que o controle seja executado, desta forma necessitou-se de 200 segundos para efetuar a mesma. FIGURA 3 Simulação do forno em paralelo com o motor em Tempo Real

6 68 Na FIG. 3, no bloco computador existem cinco entradas, sendo que três recebem o sinal de entrada degrau e as outras servem para fechar a malha. Internamente a este bloco existe o True Time Kernel que é responsável pelo escalonamento das tarefas de controle. FIGURA 4 Estrutura interna do bloco computador da Figura 3 A FIG. 4, apresenta a expansão do bloco computador apresentado na FIG. 3, neste as entradas são multiplexadas e convertidas de analógico para digital e na saída faz-se à operação contrária, como temos dois processos e o canal de saída é único há a necessidade de demultiplexar a mesma. O Schedule exibe como o escalonamento foi feito. O algoritmo de controle fica interno a este bloco. RESULTADOS Nesta seção será apresentado o resultado obtido através da simulação realizada na seção anterior. Simulação de controle do processo térmico Simulando o processo térmico em malha fechada utilizando o PID, obtivemos um resultado que servirá de comparativo para próxima seção, o experimento ocorreu sobre a base de tempo de 200 segundos devido à dinâmica do mesmo. Nota-se na FIG. 5, que o sistema se estabilizou com 80 segundos aproximadamente.

7 69 FIGURA 5 - Saída do processo térmico em malha fechada utilizando PID Simulação de controle do processo em Tempo Real Conforme simulação na seção anterior, o forno e o motor foram simulados concorrendo pela mesma CPU, isto foi possível devido a utilização do True Time Kernel que faz o escalonamento entre tarefas de acordo com as prioridades que foram definidas. Nesta simulação o forno utilizou os mesmos parâmetros utilizados na seção anterior. A base de tempo utilizado foi 200 segundos sendo que o processo térmico estabilizou-se com 40 segundos. Devido o motor ser um processo de dinâmica rápida, este se estabilizou rapidamente mesmo tendo prioridade menor que o forno. Como os processos concorriam pelo mesmo processador a base de tempo foi a mesma do forno e o sinal de saída do forno estabilizou com 1,5 segundo de simulação conforme FIG. 6.

8 70 FIGURA 6 Saída do processo térmico simulado em Tempo Real FIGURA 7 - Saída do motor simulado em Tempo Real Nota-se na FIG. 8, que devido a utilização do algoritmo de Taxa Monotônica e a prioridade maior foi definida para o forno, em nenhum momento o controle do forno foi interrompido e o escalonamento do motor foi preemptado sempre que o forno necessitava de utilizar o processador, por isso o sinal de saída do forno no escalonador não é continuo.

9 71 FIGURA 8 Saída do escalonador apresentado na FIG 4. Com o resultado obtido na simulação de processos em Tempo Real, demonstra-se que a utilização de técnicas em Tempo Real faz com que as atividades de controle se tornem mais eficientes, devido à preocupação do escalonador em liberar o processador conforme a necessidade do processo e de acordo com a prioridade da tarefa. O resultado obtido demonstra que dois modelos diferentes podem ser simulados utilizando um único escalonador. Esse fato abre espaço para uma nova discussão: O projeto de uma plataforma de controle em Tempo Real que comunique processos reais.

10 72 CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÃO Este trabalho apresentou dois estudos distintos. O primeiro diz a respeito à aplicação de técnicas de Tempo Real em sistemas de controle, com o objetivo de garantir que tarefas de controle sejam executadas em um determinado período dando maior confiabilidade ao sistema. Com este intuito realizou-se um estudo de quais os algoritmos de Tempo Real poderiam ser utilizados para escalonar tarefas de controle dando ênfase para dinâmica dos processos. O segundo estudo, diz respeito ao escalonamento de processos com dinâmicas diferentes. Inicialmente caminhou-se no sentido de sabermos como um processo comporta na simulação convencional utilizando controlador PID. Com base neste resultado, simulamos o mesmo processo junto a outro com dinâmica diferente utilizando as técnicas de escalonamento em Tempo Real a fim de avaliarmos o comportamento dos mesmos. O resultado obtido mostra que dois processos com dinâmicas diferentes podem ser escalonados, isto dependendo da prioridade, que deve ser definida a cada um, pois dois processos críticos não podem ser escalonados em conjunto, considerando que ambos poderão concorrer pelo mesmo ciclo de processamento, o que poderá ocasionar o travamento do computador. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CERVIN, Anton. The real-time control systems simulator: reference manual. Lund, Sweden: Lund Institute of Technology, Department of Automatic Control, (Technical report, LUTFD2/TFRT7592SE) FARINES, Jean Marie; FRAGA, Joni da Silva; OLIVEIRA, Rômulo Silva. Sistemas em tempo real. São Paulo: USP, IME, Escola de Computação, p. FERNANDES, Fabrício Souza. Implementação de um sistema de aquisição de dados para modelagem e controle de processos. Coronel Fabriciano: Unileste-MG, (Relatório de estágio) OGATA, K. Engenharia de controle moderno. 3.ed. Rio de Janeiro: Prentice Hall do Brasil, p. OLIVEIRA, Rômulo; CARISSIMI, Alexandre; TOSCANI, Simão. Organização de sistemas operacionais convencionais e de tempo real. In: CONGRESSO DA SOCIEDADE BRASILEIRA DE COMPUTAÇÃO, 22., 2002, Florianópolis, SC. Anais. Florianópolis: SBC, (Disponível em CD-ROM)