Distributed Real-‐Time Control Systems

4 downloads 91 Views 2MB Size Report
Distributed Real-‐Time Control. Systems. Lecture 1. IntroducAon to the Module. SCDTR ... Digital Control of Dynamic Systems, 3rd Ed., G. Franklin, J. Powell, M.
Distributed  Real-­‐Time  Control   Systems   Lecture  1   Introduc:on  to  the  Module     SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

1  

Contacts   •  Lectures:    

•  Labs:  

Alexandre  Bernardino    

    [email protected]  

  Ext:  2293     SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

João  Paulo  Neto         [email protected]­‐id.pt     Tel:  213100315  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

2  

Module  Organiza:on   •  Lectures  :    

–  Tuesdays  9:30h-­‐11:00,  EA5   –  Wednesdays,  11:00h-­‐12:30h,  EA4  

•  Lab  Sessions:    

–  Mondays,  8:00h,  9:30h  and  11:00h,  LSDC2,  Torre  Norte,  Piso  5  

•  Project:  

–  Groups  of  3  students.  Excep:onally  4,  with  extra  work.  

•  Assessment:   –  –  –  – 

Lab  performance:  20%   Mid-­‐term  demo  (28  Oct)    :    20%   Final  demo(16  Dec)  :    30%   Project  Report  (30  Dec)  :  30%  

SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

3  

Background  

Control     Engineering  

Computer     Engineering  

Real  Time  Systems  for  Control  

•  Control  theory   •  C  programming   SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

4  

Syllabus   •  Embedded  and  Real-­‐Time  Systems   •  Prac:cal  Digital  Control     •  C++  programming   •  Real-­‐Time  Programming  Pacerns   •   Mul:-­‐Tasking  /  Concurrency  /  Synchroniza:on   •   Inter-­‐Process  Communica:on  

•  Control  Networks   •  Distributed  Control  and  Op:miza:on   SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

5  

Bibliography   •  Online  Contents  (Course  Web  Page)  

–  Slides  Handouts,  Lab  documenta:on,  Third  party  resources  

•  Reference  Books   –  Thinking  in  C++,  2nd  Ed.,  Bruce  Eckel,  Pren:ce  Hall,  2000   –  Arduino  Cookbook,  2nd  Ed.,  Michael  Margolis,  O’Reilly  Media,  2011   –  Digital  Control  of  Dynamic  Systems,  3rd  Ed.,  G.  Franklin,  J.  Powell,  M.   Workman,  Adison-­‐Wesley,  1997.  

SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

6  

What  are  Real-­‐Time  Systems?   “A  real-­‐&me  system  is  a  type  of  hardware  or  so1ware  that  operates  with  a   &me  constraint”,  From  Wha:s.com,  April  2008.    

•  Real-­‐Time  systems:  must  produce  correct  responses  within  a   definite  :me  limit.  If  :me  bounds  are  exceeded,  then   performance  degrada:on  and/or  malfunc:on  results.   –  Hard  Real  Time:    it  is  impera:ve  that  the  response  to  a  s:mulus  is   given  within  a  specified  :me  interval.   –  Soi  Real  Time:  deadlines  are  important  but  the  system  s:ll  func:ons   if  they  are  not  completely  sa:sfied.  

•  Common  Fallacies:   –  Real-­‐Time  is  equivalent  to  processing  speed.   –  Rapid  execu:on  allows  real-­‐:me.   SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

7  

Examples   •  Soi  Real  Time:   –  WWW  Browsers   –  Graphical  User  Interfaces  

•  Hard  Real  Time:     –  Telephone  Communica:ons   –  Bank  Check  Deposit  system  (depends  on  countries)  

•  Not  Real  Time   –  Soiware  Compila:on   –  Public  Administra:on  Services  (depends  on  countries)   SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

8  

Safety-­‐Cri:cal  Systems   •  A  system  is    Safety-­‐Cri:cal  if  its  failure  may   risk  human  lives.     –  an  airplane  control  system   –  nuclear  power  plant  control  system.  

•  Safety-­‐Cri:cal  Systems  must  consider  hard   real-­‐:me  constraints.    

SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

9  

Example   •  Ground-­‐Based  Augmenta:on  System  

SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

10  

What  are  Distributed  Control  Systems?   "A  distributed  control  system  (DCS)  refers  to  a  control  system  usually  of  a   manufacturing  system,  process  or  any  kind  of  dynamic  system,  in  which  the  controller   elements  are  not  central  in  locaBon  (like  the  brain)  but  are  distributed  throughout  the   system  with  each  component  sub-­‐system  controlled  by  one  or  more  controllers.  The   enBre  system  of  controllers  are  connected  by  networks  for  communicaBon  and   monitoring“.     From  Wikipedia,  the  free  encyclopedia,  27/08/2008  

•  Challenges  

•  Advantages   –  Modular  organiza:on   –  Manegeable  complexity   –  Programming  and   maitaining  small   components   –  More  resilient  to  failures   –  Easier  upgrades     SCDTR  2013/2014   -­‐  Lecture  1  

–  Communica:on  between   modules   –  Synchroniza:on  between   modules   –  Maintain  system  coherence   –  Distribute  processing      

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

11  

Examples   •  Industry  Automa:on  :  Belt  type  furnace.  

SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

12  

Examples   •  Automo:ve  Industry  :  Vehicle  control  and     automa:on  

SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

13  

Examples   •  Humanoid  Robot  iCub  (www.icub.org)   –  Complex  Hardware  Architecture  –  many  types  of  sensors  (cameras,  mics,  imu,   posi:on,  tac:le,  force),  actuators  (53  DC  motors),  networks  (CAN-­‐BUS,   Ethernet,  USB,  FireWire,…).   –  Complex  Soiware  Architecture  –  processing  power  requirements  demand   several  computers.  

 

SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

14  

•  Autonomous  Underwater  Vehicle    (AUV)  control:   –  –  –  – 

Process  control.    Process  Interface.    Monitoring  Communica:ons.    Data  Communica:ons  

Network  (Ex.  CAN  Bus)  

Examples   A/D  

Sensors  

Computer  

Process  

D/A  

Actuators  

“ Infante” SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

15  

The  Prac:cal  Project   •  A  distributed  ligh:ng  control  system.   PC  

PC  

PC  

Micro  Controller  

Micro  Controller  

Micro  Controller  

Presence   Sensor  

High   Power  LED  

Light   Sensor  

SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

Presence   Sensor  

High   Power  LED  

Light   Sensor  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

Presence   Sensor  

High   Power  LED  

Light   Sensor  

16  

Project  Phases   •  Implementa:on  divided  in  2  phases:  

–  Embedded  System  Programming  and  Local  Control   •  •  •  • 

Arduino  Programming.   Sensing  and  Actua:on.   Digital  Controller  Implementa:on.   Serial  Communica:ons.  

–  Distributed  System  Programming  and  Global  Control:   •  •  •  •  • 

PC  programming  in  C++.   Concurrent  and  real-­‐:me  primi:ves.   Inter-­‐process  communica:on.   Ethernet  Communica:ons.   Centralized  and  Distributed  Op:miza:on.  

SCDTR  2013/2014  -­‐  Lecture  1  

A.  Bernardino,  C.  Silvestre,  IST  -­‐  ACSDC  

17