IMPLEMENTAÇÃO E AVALIAÇÃO DE SISTEMAS DE CONTROLE VIA REDES
BASEADOS NO PROTOCOLO CAN – CONTROLLER AREA NETWORK
Eduardo Paciência Godoy 1, Bruno N. Bragato 1, Luciano C. Lulio, Arthur Jose Vieira Porto 1, Ricardo Y. Inamasu 2
1
Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos - USP, São Carlos, Brasil
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
2
Embrapa Instrumentação Agropecuária, São Carlos, Brasil, [email protected]
Resumo: Sistemas de controle via redes (NCS – Networked
Control Systems) representam uma inovadora abordagem
para aplicação de sistemas de controle que utilizam redes
industriais. Este trabalho investiga o desenvolvimento de
NCS via rede CAN (Controller Area Network) discutindo
implementações de hardware e software e apresentando os
principais conceitos dessa tecnologia. Resultados obtidos a
partir de dois NCS implementados permitem avaliar o
desempenho desses sistemas sob diferentes configurações e
comprovar a importância do período de amostragem em seu
desempenho.
Palavras chave: sistemas de controle via redes (NCS),
controlador PID discreto, máquina de estado
1. INTRODUÇÃO
informação através da rede. Este tipo de implementação em
sistemas industriais, onde as malhas de controle são
fechadas sob uma rede de comunicação, como mostrado na
Figura 1, tem sido denominada de Sistema de Controle via
Redes (NCS - Networked Control System) [1].
Processo 1
Atuadores
1
msg
Processo n
Sensores
1
Atuadores
n
msg
msg
Sensores
n
msg
Rede de Controle
Controlador 1
Controlador n
Figura 1. Estrutura de um sistema de controle via redes (NCS)
As arquiteturas tradicionais de comunicação e controle
ponto-a-ponto, implementadas nos sistemas industriais nos
últimos tempos, são compostas por cabeamento conectando
o computador ou dispositivo central de controle a cada
sensor e atuador do sistema. Este tipo de controle tradicional
e centralizado, no entanto não atende os novos requisitos de
desenvolvimento de sistemas de controle como
modularidade, controle descentralizado, facilidade de
diagnóstico e baixo custo [1].
Nos sistemas industriais atuais, a introdução de
arquiteturas de redes de controle baseadas em barra-mento
ou fieldbus podem melhorar a eficiência, a flexibilidade, e a
confiabilidade do sistema como um todo, reduzindo o tempo
e os custos de instalação e manutenção [2]. Essa tecnologia
de redes de controle fieldbus, com suas vantagens, foi
rapidamente absorvida para satisfazer as necessidades de
comunicação entre sistemas e equipamentos aplicados em
automação e controle.
Desenvolvimentos recentes de sistemas de controle
distribuído, onde sensores, atuadores e controladores são
conectados por uma rede de comunicação, demonstram o
surgimento de uma nova abordagem para a utilização de
redes industriais. Nessa abordagem, o controlador e a planta
ficam fisicamente alocados em locais separados e são
conectados por uma rede de comunicação formando uma
malha de controle remota. O sinal de controle é enviado para
o atuador através de uma mensagem encaminhada via rede,
enquanto o sensor amostra a saída da planta, e retorna a
informação para o controlador, também transmitindo a
Ainda que os NCS apresentem diversas vantagens sobre
as arquiteturas tradicionais de controle, a inclusão da rede de
comunicação no controle em malha fechada torna o projeto
e o desenvolvimento deste tipo de sistema ainda mais
complicado [3]. Referência [4] afirma que os atrasos de
comunicação encontrados em NCS dependem do protocolo
de comunicação escolhido e de parâmetros de configuração
da rede de comunicação. Entre esses parâmetros podem ser
citados a velocidade de transmissão (largura de banda), o
tamanho das mensagens de dados, os períodos de
amostragem dos dispositivos e a porcentagem de mensagens
perdidas. Referência [5] afirma que a arquitetura do NCS e o
sistema operacional utilizado também são afetam a
composição dos atrasos de comunicação. Outro critério
muito importante em relação NCS diz respeito ao
cumprimento do requisito temporal de cada mensagem
(deadline), ou seja, as mensagens têm que ser transmitidas
corretamente em um tempo limitado e menor que seu
período de amostragem. Caso as mensagens não sejam
transmitidas ou o sistema apresente um alto valor para seu
tempo de transmissão, sobreposição e perdas de mensagens
podem ocorrer deteriorando o desempenho do NCS [6].
Esses fatores acabam por definir as características desses
atrasos como sendo constantes ou variantes no tempo.
O NCS necessita amostrar e transmitir as informações
através de mensagens na rede, de acordo com um período de
amostragem apropriado para alcançar o desempenho
requerido. No entanto, se esse período de amostragem é
1
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Implementação e Avaliação de Sistemas de Controle via Redes Baseadas no Protocolo CAN – Controller Area Network
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mensagem deste ponto, sem ter que reiniciá-la. Isto é
realizado pelo processo de arbitragem bit a bit não
destrutivo, ou lógica "E" por fios, quando duas ou mais
ECUs iniciam a transmissão simultaneamente. Cada bit
transmitido é comparado, sendo que o dominante sobrepõe o
recessivo.
Dentre as especificações do protocolo CAN em relação à
camada de enlace de dados, estão os formatos existentes do
quadro de dados. São definidos dois formatos de mensagem,
onde a única diferença está no tamanho do identificador,
sendo CAN 2.0 A Standard (ID 11 bits) e CAN 2.0 B
Extended (ID 29 bits) especificados segundo a Figura 2.
maior (ou mais rápido) do que a largura de banda disponível
na rede de comunicação, a rede se torna sobrecarregada,
originado atrasos de comunicação adicionais e causando
erros na transmissão das mensagens [6].
Referência [7] apresenta uma revisão sobre as principais
contribuições e tendências no desenvolvimento da área de
NCS. As pesquisas atuais em NCS têm focado
principalmente duas linhas de trabalho. Uma na parte
relacionada com a análise da influência de fatores inerentes
a NCS (atrasos de comunicação, etc.) no desempenho e
estabilidade do sistema [8], bem como o desenvolvimento
de ferramentas para simulação desses sistemas [9]. E outra
no desenvolvimento de metodologias de projeto e controle
de NCS, para compensar os efeitos dos atrasos de
comunicação melhorando o desempenho e garantindo a
estabilidade do sistema [10], [11].
Nesse trabalho é investigado o desenvolvimento de NCS
com redes CAN, apresentando os principais conceitos dessa
tecnologia e discutindo sobre as implementações de
hardware e software definidas e realizadas. Os resultados
desse trabalho permitem avaliar o desempenho de NCS
sistemas sob diferentes configurações e comprovar a
importância do período de amostragem em seu desempenho.
Control
Field
Arbitration Field
Bus
Idle
S
S I
O Identifier R D
F
R E
Bits
1
11
1 1
Extended
Identifier
18
Data Field
R
T r1 r0 DLC
R
1 1 1
Identifier - 11 bits
CAN 2.0A
or
Identifier - 29 bits
CAN 2.0B
4
ACK
Field
CRC
Field
Data Field
CRC
A
C
K
E
O
F
InterMission
64
15
1 1 1
7
3
Bit Stuffing
Delimiters
CRC, ACK
Figura 2. Formatos do Quadro de Dados de Mensagem CAN
2. SISTEMAS DE CONTROLE VIA REDES (NCS)
2.1. Implementação dos NCS via Redes CAN
2.1. Protocolo CAN – Controller Area Network
Para a realização dos experimentos realizados neste
trabalho, foram implementados dois NCS sendo um para
controle de velocidade de motores DC e outro de controle de
nível de um reservatório. O esquemático de montagem
utilizado nos experimentos é mostrado na Figura 3. Cada
NCS é composto pelo controlador, implementado no
desktop e pelo conjunto sensor, planta e atuador,
implementados em um módulo de controle construído.
O CAN é um dos protocolos de comunicação mais
aplicados em sistemas de controle distribuído, sendo
utilizado em diversas áreas como robótica, automação da
manufatura, controle de processos e eletrônica embarcada e
através de variados padrões como DeviceNet, CANOpen,
J1939 e SDS. Entre os fatores que justificam essa grande
utilização do CAN estão seu baixo custo de
desenvolvimento, vasta disponibilidade de dispositivos
(microcontroladores, DSPs) com controladores CAN
embarcados e características interessantes como acesso
priorizado à rede de comunicação, robusto método de
controle de erros e arbitragem não destrutiva que
determinam sua grande aceitação no meio industrial e
acadêmico.
De acordo com [12], CAN é um protocolo de
comunicação digital serial, onde a comunicação de dados é
baseada em mensagens formadas por quadros de bits com
determinada função. Entre esses quadros de bits, existe o
campo identificador (identifier) que caracteriza e define a
prioridade de cada mensagem. O valor do identificador de
uma mensagem CAN é exclusivo e quanto mais baixo seu
valor, maior a prioridade da mensagem. Os sinais elétricos
digitais do CAN são representados pelo nível recessivo
(nível lógico 1) e nível dominante (nível lógico 0), sendo
eles sinais diferenciais entre os dois fios do barramento.
O mecanismo de acesso ao meio é fundamentado no
conceito CSMA/CD com NBDA (Carrier Sense Multiple
Access / Collision Detection with Non-Destructive Bitwise
Arbitration), o que significa que as ECUs (electronic control
units) CAN possuem acesso ao barramento com prioridades
determinadas. Ao verificar o status do barramento, as ECUs
iniciam a transmissão de suas mensagens. De acordo com o
valor do identificador, a ECU com a mensagem de
prioridade menor cessa sua transmissão e a ECU com a
mensagem de maior prioridade continua enviando sua
Figura 3. Esquemático de Montagem do Experimento com NCS com
Rede CAN
O módulo de controle de nível de reservatório, mostrado
na Figura 4, é constituído por dois tanques, sendo o primeiro
graduado (cm), mais alto e com uma torneira para alteração
da vazão de saída de água para o segundo tanque. Uma
eletrobomba de água para enchimento do reservatório opera
como atuador, um sensor de pressão da Freescale Modelo
MPX5010 é utilizado para medição do nível de água no
reservatório e o acionamento da eletrobomba é feito a partir
de um drive PWM.
O objetivo deste NCS é a realização de experimentos de
controle do nível de água do reservatório superior numa
localização (referência em cm) definida pelo usuário e sob
diferentes vazões de saída de saída de água do mesmo.
2
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Figura 5. Módulo de Controle de Velocidade de Motor para Utilização
com NCS via Rede CAN
Os sinais de entrada (sinal de controle PWM para
acionamento do motor DC) e saída (medição da velocidade
de rotação do motor através do encoder ou retransmissão
analógica 0-5V de velocidade) do sistema são transmitidos
através da rede CAN, sendo que a integração do módulo de
controle à rede CAN é realizada por uma interface CAN
(ECU).
2.3. Desenvolvimento de Hardware do NCS
Figura 4. Módulo de Controle de Velocidade de Motor para Utilização
com NCS via Rede CAN
Pesquisas recentes sobre modelagem de NCS têm sido
realizadas utilizando de modelos baseados em tempo
contínuo e tempo discreto. No entanto, é necessária e mais
realista, a utilização do ponto de vista de modelagem
discreta a partir do momento que na operação de um NCS,
os sinais ou informações (do sensor, controlador) são
amostrados e então transmitidos numa rede de comunicação
[13]. Para modelos contendo estruturas no tempo discreto,
muitos pesquisadores assumem que a rede de comunicação
possui sincronismo e que os sensores, controladores e
atuadores possuem o mesmo período de amostragem.
Neste trabalho, cada NCS implementado apresenta a
estrutura mostrada na Figura 6. Uma unidade de controle ou
ECU [14] baseada em um microcontrolador PIC18F258 é
responsável pela aquisição de dados (sensor), atuação na
planta (atuador) e pela comunicação com a rede CAN.
Assim, o sensor e o atuador estão alocados fisicamente em
conjunto com a planta. O controlador do NCS se encontra
fisicamente separado da planta e é implementado utilizando
de computadores desktop. Esse controlador utiliza uma
placa com interface PCI para comunicação com a rede
CAN.
Os sinais de entrada (sinal de controle PWM para
acionamento da eletrobomba) e saída (medição de nível do
reservatório do sensor de pressão) do sistema são
transmitidos através da rede CAN, sendo que a integração
do módulo de controle à rede CAN é realizada por uma
interface CAN (ECU).
O módulo de controle de velocidade, mostrado na Figura
5, é constituído por um motor DC Motron Modelo M910 de
24V e 43W, um encoder incremental Hohner de 600 pulsos
por revolução para medição da posição, um drive de
acionamento PWM, um circuito eletrônico de leitura do
encoder, um display digital com 4 dígitos para apresentação
da velocidade do motor em RPM e um disco inercial para
aplicação de cargas ao eixo do motor.
O objetivo deste NCS é a realização de experimentos de
controle de velocidade do motor numa referência (em RPM)
definida pelo usuário e sob diferentes cargas aplicadas ao
sistema.
3
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2.4. Desenvolvimento de Software do NCS
Planta – Tempo Contínuo
u
Em cada um dos NCS implementados, o sensor
periodicamente realiza a medição da planta (período de
amostragem – h) e envia a informação através de mensagens
na rede CAN para o controlador. Após o recebimento da
mensagem, o controlador calcula o sinal de controle através
do algoritmo de controle configurado e envia a informação
pela rede CAN para o atuador. O atuador então recebe a
mensagem e atua na planta do sistema. Tanto o controlador
como o atuador acabam funcionando baseado em evento.
Todos os sistemas de controle em malha fechada dos NCS
estão compartilhando recursos de banda da rede CAN e
também recursos de processamento (CPU) dos desktops.
O desenvolvimento do software embarcado nos
microcontroladores das ECUs dos NCS foram
desenvolvidos em linguagem C através do ambiente de
desenvolvimento Mplab com Compilador C18 da
Microchip. O software dos controladores, implementados
nos computadores através do ambiente de desenvolvimento
LabVIEW da National Instruments, utilizam um padrão de
projeto baseado em máquinas de estado. Essa técnica facilita
o desenvolvimento de código e fornece uma arquitetura de
desenvolvimento para o controlador do NCS que pode ser
facilmente expandida [16]. A máquina de estados
implementada possui 8 estados (Inicialização, SeleçãoNCS,
Monitoramento, RecebimentoMSG, DeterminaçãoNCS,
Controle, EnvioMSG e Parada) mostrados na Figura 7, cada
um com uma finalidade especifica para o funcionamento do
controlador.
y
Atuador - ZOH
Sensor – Período de
Amostragem (h) (TPRE)
(TPOST)
Alocados fisicamente em conjunto - ECU
msg
(TBUS)
(TWAIT)
Rede Industrial - CAN
(TWAIT)
Controlador
em Desktop
(TPRE)
(TBUS)
msg
(TPOST)
Controlador – Tempo Discreto
(Atraso de Comunicação na Rede Tdelay= Tpre+Twait+Tbus+Tpost)
Sinal Contínuo
Sinal Digital
Figura 6. Estrutura de Implementação de um NCS
De acordo com a Figura 6, o processo a ser controlado
(ou planta) é admitido ser contínuo no tempo e o atuador
possui um segurador de ordem zero (ZOH – zero order
hold) que armazena o último sinal de controle amostrado até
a chegada do próximo valor ou até o próximo período de
amostragem. A rede de comunicação do NCS é então usada
para transmissão de medidas de saída da planta para o
controlador, fazendo com que a planta seja medida de
acordo com um período de amostragem (h). Esta
discretização dos sinais acaba motivando o desenvolvimento
e a aplicação de controladores baseados no tempo discreto.
O funcionamento do controlador do NCS pode ser baseado
em tempo (time driven) ou baseado em eventos (event
driven). Assim um novo sinal de controle pode ser calculado
a cada intervalo de tempo com um período de amostragem
constante ou um novo sinal de controle é calculado
imediatamente após o recebimento, através de uma
mensagem na rede, de uma nova medida da saída da planta
pelo sensor.
A troca de informações através dos dispositivos do NCS
(sensor, controlador, atuador) origina uma transmissão de
mensagens (msg) na rede de comunicação. A necessidade
dessa transmissão de mensagens impõe atrasos de
comunicação (Tdelay) adicionais na rede CAN do NCS.
Esses atrasos de comunicação na rede, descritos em [15],
dependem de uma série de fatores relacionados, por
exemplo, ao hardware e software dos dispositivos e a rede
de comunicação utilizada no NCS e muitas vezes podem ter
características variantes no tempo. O período de
amostragem (h) também representa um importante
parâmetro no desenvolvimento do NCS. De acordo com a
teoria de controle digital, um período de amostragem deve
ser definido o mais rápido (ou de valor pequeno) possível
para obter um desempenho de controle melhor e uma
dinâmica do sistema mais próxima a de um sistema contínuo
no tempo. No entanto, em NCS um período de amostragem
muito rápido pode acarretar alta carga e tráfego de
mensagens na rede, aumentando o risco de
congestionamento de mensagens e originado atrasos de
comunicação maiores e consequentemente uma degradação
do desempenho do NCS. Portanto o atraso de comunicação
e o período de amostragem em NCS são parâmetros de
configuração inter-relacionados e que necessitam ser
balanceados para atingir a estabilidade e desempenho
requeridos pelo NCS [6].
4
1
2
5
3
8
7
6
Figura 7. Fluxograma de Operação da Máquina de Estado do
Controlador do NCS via Rede CAN
1. Inicialização: estado responsável pela configuração e
inicialização da rede CAN e dos dispositivos conectados;
2. SeleçãoNCS: estado responsável pela seleção de qual
(is) NCS será controlado por aquele controlador;
3. Monitoramento: estado responsável por monitorar a
interface de usuário e a rede CAN, indicando a alteração de
parâmetros e a presença de mensagens CAN disponíveis na
fila de recebimento;
4. RecebimentoMSG: estado responsável pelo
recebimento e decodificação da mensagem CAN nos
campos e informações requeridos (identificador e dados);
5. DeterminaçãoNCS: estado responsável por identificar
as mensagens CAN recebidas, verificando se elas serão
usadas no controle de algum dos NCS selecionados
previamente (estado 2) para o controlador;
6. Controle: estado responsável por utilizar a informação
recebida do sensor e calcular o novo valor para o sinal de
controle, respectivamente para todos os NCS selecionados
previamente para o controlador. O cálculo do sinal de
controle é realizado a partir de algoritmos de controle que
podem ser carregados ou desenvolvidos pelo usuário;
7. EnvioMSG: estado responsável pela transmissão das
mensagens CAN, contendo as informações do sinal de
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integral. A Figura 8 apresenta um esquemático do
controlador PID definido.
controle
a
ser
implementado
pelos
atuadores,
respectivamente para todos os NCS selecionados para o
controlador;
8. Parada: estado responsável por finalizar a operação do
controlador e enviar mensagens CAN de parada de execução
para todos os NCS em operação.
r
B
O software baseado em máquina de estados
desenvolvido para o controlador do NCS fornece uma
configuração bastante flexível, pois pode ser utilizado (ou
replicado) em outros controladores para NCS com pequenas
alterações. Além disso, essa configuração de software
fornece também facilidade para inserção de novos NCS que
serão desenvolvidos (através da configuração dos estados de
4 a 7 para lidar com o novo NCS) e para testar diferentes
algoritmos de controle desenvolvidos especificamente para
NCS (através da inclusão dos algoritmos de controle
desenvolvidos na lista de opções utilizada no estado
Controle).
ep

y
.
-1
. .
C


ed
Kp /Ti
up
Kp
s.K p .Td
s.T
1 d
N

ud
1/s

v
ui
e=r-y
atuador
-

u
+
es
1/Tt
Figura 8. Estrutura do Controlador PID Discreto para as Malhas de
Controle da Plataforma
A equação 1 apresenta o algoritmo de implementação do
controlador PID discreto projetado.
3. EXPERIMENTOS REALIZADOS
e( k )  r ( k )  y ( k )
3.1. Projeto do Controlador PID Discreto
e p ( k )  B.r ( k )  y ( k )
A literatura sobre projeto de controladores para NCS
geralmente tem focado nos atrasos de comunicação da rede
e em metodologias para lidar com esses atrasos de forma a
garantir a estabilidade e o desempenho do NCS. Os
controladores propostos nesta área diferem em diversos
aspectos e ainda não existe uma solução padrão que possa
ser utilizada [13]. Uma questão bastante estudada
ultimamente é a arquitetura do controlador escolhido. Uma
revisão de algumas metodologias de controle é apresentada
em [10].
A maioria das abordagens descritas nesses trabalhos
apresenta soluções complexas, com algoritmos que
necessitam de grande capacidade de processamento e muitas
vezes utilizam informações sobre a rede de comunicação e
seus atrasos de comunicação, que são difíceis de serem
obtidos. Estes fatores acabam por tornar a aplicabilidade
dessas metodologias de controle na indústria tanto quanto
questionável [13]. Este fato tem norteado o desenvolvimento
de controladores para NCS com estruturas e algoritmos
simples e de fácil implementação. Dependendo da planta a
ser controlada e dos requisitos de controle a serem
alcançados, muitas vezes controladores bastante conhecidos
como PID podem compensar os efeitos degenerativos da
rede e dos atrasos de comunicação [17].
Neste trabalho é proposto o desenvolvimento e testes de
um controlador PID para NCS com redes CAN. Esse
controlador deve considerar todas as particularidades
presentes no NCS como saturação de atuadores e períodos
de amostragem compatíveis com o hardware utilizado.
Assim, foram projetados controladores PID discreto com
aproximação derivativa (backward diference), ponderação
de referência (setpoint weighting e reference off), filtragem
da ação derivativa e anti-windup (back-calculation) da ação
ed ( k )  C .r (k )  y ( k )
u p ( k )  K p .e(k )
u i ( k )  u i (k  1) 
u d (k ) 
K p .h
Ti
e( k ) 
K p .h
Tt
es ( k  1)
(1)
K pTd N
Td
ed (k )  ed (k  1)
u d (k  1) 
Td  Nh
Td  Nh
u PID (k )  u p (k )  u i (k )  u d (k )
Neste trabalho, o controlador PID discreto definido
utiliza um tempo de amostragem (h), um valor de N=10 para
a constante de filtragem da ação derivativa, B = 1 e C = 0
para as constantes de ponderação de referência e o
parâmetro Tt igual a Tt  Ti .Td para controladores PID e
igual a Ti para controladores PI.
3.2. Avaliação do Desempenho dos NCS Implementados
Nos experimentos realizados com os dois NCS
implementados, foram utilizados os seguintes parâmetros de
configuração: velocidade de transmissão de dados na rede
CAN de 250kbits/s, tamanho de mensagens de dados de até
4 bytes, período de amostragem das mensagens de 100ms
(0,1s).
Para utilização do controlador PID discreto projetado
para utilização nos NCS implementados, é necessário definir
os ganhos do controlador necessários para atingir os
requisitos de operação desejados. Para auxiliar nesta tarefa,
foi utilizado o método de sintonia de controladores baseado
na curva de resposta do sistema definido por Ziegler-
5
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Eduardo P. Godoy, Bruno N. Bragato, Luciano C. Lulio, Arthur J. V. Porto, Ricardo Y. Inamasu
Nichols (ZN). E após uma parametrização inicial, os valores
dos ganhos foram manualmente definidos até a obtenção dos
resultados requeridos.
Os ganhos determinados para o controlador PI utilizado
no NCS de controle de velocidade foram Kp=0,136 e
Ti=1,33 com o método de ZN e Kp=0,06 e Ti=0,65 após
refinamento manual. A Figura 9 apresenta a comparação dos
resultados entre as respostas do NCS para os métodos de
sintonia utilizados. A partir da análise do gráfico percebe-se
que o método de sintonia ZN pode ser utilizado para projeto
e definição de controladores PID para aplicação em NCS ou
como base inicial para posterior refinamento manual,
conforme realizado neste trabalho.
rápida e o NCS de controle de nível um sistema com
dinâmica lenta.
Os gráficos das Figuras 10 a 12 apresentam os resultados
para os experimentos realizados com os dois NCS
implementados, no qual foi alterado o valor de período de
amostragem (h) e também o valor do atraso de comunicação
(d), avaliando a influência dessas alteração no desempenho
do NCS.
velocidade do Motor DC - w (rad/s)
50
Resposta ao Degrau - NCS Controle de Velocidade
60
Velocidade do Motor DC - w (rad/s)
50
40
40
30
Setpoint
h=10ms
h=50ms
h=100ms
h=200ms
h=500ms
20
10
30
0
20
0
1
2
3
4
5
Time (s)
6
7
8
9
0
1
2
3
4
5
6
Tempo (s)
7
8
9
10
Figura 10. Desempenho do NCS de Controle de Velocidade para
Diferentes Períodos de Amostragem de Mensagens
Setpoint
PID Sintonia Manual
PID Sintonia Ziegler-Nichols
10
0
Resposta ao Degrau - NCS Controle de Velocidade
60
10
Resposta ao Degrau - NCS Controle de Velocidade
80
Figura 9. Comparação do Desempenho do NCS de Controle de
Velocidade para Métodos de Sintonia do PID
Velecidade do Motor DC - w (rad/s)
70
Para o NCS de controle de nível foi definido após
aprimoramento com sintonia manual, um controlador PI
com ganhos Kp=10 e Ti=0,55.
Um dos maiores desafios no desenvolvimento de NCS
com rede CAN se encontra no fato de que diversos
parâmetros de configuração podem influenciar no
desempenho e na estabilidade do NCS. Entre esses
parâmetros podem ser citados a velocidade de transmissão
de dados na rede CAN, a taxa de utilização da rede CAN, o
esquema de prioridades definidos para as mensagens, os
atrasos de comunicação, taxa de utilização do processador, o
período de amostragem das mensagens na rede e a perda ou
erro na transmissão de mensagens na rede [4].
De acordo com os resultados, obtidos através de
simulações, apresentados num trabalho anterior dos autores
[18], foi constatado que o período de amostragem das
mensagens representa o parâmetro mais significativo que
pode afetar o desempenho de um NCS via rede CAN. Neste
trabalho [18], os autores afirmam também que a influência
deste parâmetro e dos atrasos de comunicação está atrelada
ao tipo de dinâmica (rápida ou lenta) do sistema, sendo os
NCS com dinâmica rápida, fortemente afetado por esses
parâmetros e os NCS com dinâmica lenta menos sensíveis a
variação desses parâmetros.
De forma a verificar essas constatações obtidas, foram
realizadas neste trabalho diversos experimentos com os dois
NCS implementados. É importante citar que o NCS de
controle de velocidade representa um sistema com dinâmica
60
50
40
30
Setpoint
h=100ms
h=100ms
h=250ms
h=500ms
h=500ms
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
Tempo (s)
7
e d=0ms
e d=100ms
e d=250ms
e d=250ms
e d=500ms
8
9
10
Figura 11. Desempenho do NCS de Controle de Velocidade para
Diferentes Períodos de Amostragem de Mensagens e Atrasos de
Comunicação
A partir dos resultados das Figuras 10 e 11 pode-se
confirmar a veracidade das constatações citadas. Na Figura
10, que apresenta o resultado do NCS de controle de
velocidade (que representa um NCS de dinâmica rápida), a
influência do período de amostragem no desempenho do
NCS é grande. Observando o gráfico, pequenas variações no
período de amostragem (relativamente ao valor inicial
h=100ms) afetam fortemente o desempenho desse NCS,
tendendo a torná-lo mais oscilatório. Juntamente com o
período de amostragem, o aumento dos atrasos de
comunicação, mostrado na Figura 11, tende a deteriorar o
desempenho desse NCS, podendo levá-lo a instabilidade. O
6
Proceedings of the 9th Brazilian Conference on Dynamics Control and their Applications
Serra Negra, SP - ISSN 2178-3667
183
desempenho de NCS com redes CAN. Permitiu também
avaliar a resposta dos NCS de acordo com a operação sob
diferentes períodos de amostragem e atrasos de
comunicação, o que acabou comprovando uma constatação
anterior dos autores de que a influência do período de
amostragem depende da dinâmica do NCS. NCS com
dinâmica mais rápida são mais afetados por variações no
período de amostragem e atrasos de comunicação enquanto
NCS com dinâmica lenta são menos afetados.
Adicionalmente os resultados obtidos permitem validar a
implementação dos módulos e dos NCS propostos e afirmar
que a aplicação de NCS com redes CAN é viável.
NCS de controle de velocidade foi simulado para valores de
período de amostragem (h) de até 500ms.
Resposta ao Degrau - NCS Controle de Nível
10
9
Nivel do Tanque - h (cm)
8
7
6
5
4
Setpoint
h=100ms
h=200ms
h=500ms
h=1000ms
h=2000ms
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
Tempo (s)
60
70
AGRADECIMENTOS
A FAPESP (Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de
São Paulo) pelo apoio a este trabalho.
80
REFERÊNCIAS
90
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Figura 12. Desempenho do NCS de Controle de Nível para Diferentes
Períodos de Amostragem de Mensagens
Por outro lado, a influência do período de amostragem
em NCS com dinâmica lenta é menor. Isso pode ser
verificado a partir do gráfico da Figura 12 que apresenta os
resultados para o NCS de controle de nível. O efeito no
desempenho do NCS é menor para grandes variações no
período de amostragem. Atente para o fato de que o NCS de
controle de nível foi simulado para valores de período de
amostragem de até 2s (relativamente ao valor inicial
h=100ms). Verificou-se também que o NCS com dinâmica
lenta é menos sensível aos atrasos de comunicação na rede.
Portanto, para NCS com dinâmica lenta, grandes variações
no período de amostragem e nos atrasos de comunicação são
necessárias para deteriorar o desempenho do NCS e torná-lo
instável.
4. CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou a implementação e avaliação do
desempenho de NCS baseados em redes CAN. De acordo
com a implementação de hardware definida, o
desenvolvimento de novos NCS se torna mais simples, fácil
e de baixo custo. A utilização da teoria de máquinas de
estado na implementação de software facilitou o
desenvolvimento de código e forneceu uma configuração
bastante flexível para os NCS implementados, possibilitando
a expansão do controlador (adição de mais NCS) e a
inserção de novos algoritmos de controle para serem
testados em NCS.
Controladores PID foram projetados para os NCS, de
acordo com os requisitos reais de implementação dos NCS
construídos como saturação de atuadores, velocidade da
rede CAN e período de amostragem dos hardwares
utilizados nas ECUs das malhas de controle. A análise dos
resultados permitiu evidenciar que o período de amostragem
das mensagens é um dos principais parâmetros que afetam o
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Proceedings of the 9th Brazilian Conference on Dynamics Control and their Applications
Serra Negra, SP - ISSN 2178-3667
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Implementação e Avaliação de Sistemas de Controle via Redes Baseadas no Protocolo CAN – Controller Area Network
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