Controller implementation using analog reconfigurable hardware (FPAA)

This Thesis has the main target to make a research about FPAA/dpASPs devices and technologies applied to control systems. These devices provide easy way to emulate analog circuits that can be reconfigurable by programming tools from manufactures and in case of dpASPs are able to be dynamically reconfigurable on the fly. It is described different kinds of technologies commercially available and also academic projects from researcher groups. These technologies are very recent and are in ramp up development to achieve a level of flexibility and integration to penetrate more easily the market. As occurs with CPLD/FPGAs, the FPAA/dpASPs technologies have the target to increase the productivity, reducing the development time and make easier future hardware reconfigurations reducing the costs. FPAA/dpAsps still have some limitations comparing with the classic analog circuits due to lower working frequencies and emulation of complex circuits that require more components inside the integrated circuit. However, they have great advantages in sensor signal condition, filter circuits and control systems. This thesis focuses practical implementations of these technologies to control system PID controllers. The result of the experiments confirms the efficacy of FPAA/dpASPs on signal condition and control systems.

Fractional order modelling of fractional-order holds

Discrete time control systems require sample- and-hold circuits to perform the conversion from digital to analog. Fractional-Order Holds (FROHs) are an interpolation between the classical zero and first order holds and can be tuned to produce better system performance. However, the model of the FROH is somewhat hermetic and the design of the system becomes unnecessarily complicated. This paper addresses the modelling of the FROHs using the concepts of Fractional Calculus (FC). For this purpose, two simple fractional-order approximations are proposed whose parameters are estimated by a genetic algorithm. The results are simple to interpret, demonstrating that FC is a useful tool for the analysis of these devices.

An embedded 1149.4 extension to support mixed-signal debugging

Debugging electronic circuits is traditionally done with bench equipment directly connected to the circuit under debug. In the digital domain, the difficulties associated with the direct physical access to circuit nodes led to the inclusion of resources providing support to that activity, first at the printed circuit level, and then at the integrated circuit level. The experience acquired with those solutions led to the emergence of dedicated infrastructures for debugging cores at the system-on-chip level. However, all these developments had a small impact in the analog and mixed-signal domain, where debugging still depends, to a large extent, on direct physical access to circuit nodes. As a consequence, when analog and mixed-signal circuits are integrated as cores inside a system-on-chip, the difficulties associated with debugging increase, which cause the time-to-market and the prototype verification costs to also increase. The present work considers the IEEE1149.4 infrastructure as a means to support the debugging of mixed-signal circuits, namely to access the circuit nodes and also an embedded debug mechanism named mixed-signal condition detector, necessary for watch-/breakpoints and real-time analysis operations. One of the main advantages associated with the proposed solution is the seamless migration to the system-on-chip level, as the access is done through electronic means, thus easing debugging operations at different hierarchical levels.

Aplicação das FPAA na realização de sistemas de ordem fraccionária

Esta tese de dissertação tem como principal objetivo a implementação de controladores fracionários utilizando diapositivos analógicos FPAA (Field Programable Analog Array). Embora estes dispositivos já não sejam um tecnologia recente, não tiveram grande aceitação comercial, daí não ter sido grande a sua evolução nesta última década. Mas para a elaboração de alguns circuitos analógicos, nomeadamente filtros, amplificadores e mesmo controladores PID (Proporcional-Integrativo-Derivativo) analógicos torna-se numa ferramenta que pode facilitar o projeto e implementação. Para a realização deste estudo, utilizou-se a placa de desenvolvimento da Anadigm AN231K04-DVLP3 juntamente com o software disponibilizado pela mesma empresa, o AnadigmDesigner2. Para a simulação e observação dos resultados foi utilizada a DAQ (Data Acquisition) Hilink da Zelton juntamente com o software Matlab. De forma a testar a implementação dos controladores fracionários nas FPAA foram realizados alguns circuitos no software e enviados para a FPAA comparando os resultados obtidos na simulação com os visualizados no osciloscópio. Por último foi projetado um controlador PIlDm recorrendo aos métodos de aproximação inteira descritos neste documento implementados na FPAA recorrendo ao uso de filtros de primeira e segunda ordem.

Reconfiguração e desenvolvimento do sistema de controlo de um AGV

O veículo guiado automaticamente (AGV) adquirido pelo Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) tem vindo a ficar obsoleto devido ao hardware, que nos dias de hoje começa a dar sinais de falhas bem como falta de peças de substituição, e ao software, sendo o PLC (Programmable Logic Controller) usado muito limitado quanto às suas funções de controlo, ficando as principais tarefas de controlo do AGV a cargo de placas eletrónicas de controlo. Para promover o controlo autónomo do AGV, foi decidido retirar toda a parte de hardware que detinha o controlo do mesmo e passou a ser um novo PLC, com maior capacidade de processamento, a executar todo o tipo de controlo necessário ao funcionamento do mesmo. O hardware considerado apenas incluí, de forma resumida, os motores responsáveis pelo movimento e direção, placa de controlo de potência dos motores, placa de interface entre as saídas digitais do PLC e as entradas da placa de controlo de potência dos motores e os demais sensores necessários à deteção de obstáculos, fins de curso da direção, sensores dos postos de trabalho e avisadores de emergência. Todo o controlo de movimento e direção bem como a seleção das ações a executar passou a ficar a cargo do software programado no PLC assim como a interação entre o sistema de supervisão instalado num posto de controlo e o PLC através de comunicação via rádio. O uso do PLC permitiu a flexibilidade de mudar facilmente a forma como as saídas digitais são usadas, ao contrário de um circuito eletrónico que necessita de uma completa remodelação, tempo de testes e implementação para efetuar a mesma função. O uso de um microcontrolador seria igualmente viável para a aplicação em causa, no entanto o uso do PLC tem a vantagem de ser robusto, mais rápido na velocidade de processamento, existência de software de interface de programação bastante intuitivo e de livre acesso, facilidade de alterar a programação localmente ou remotamente, via rádio, acesso a vários protocolos de comunicação robustos como Modbus, Canbus, Profinet, Modnet, etc., e acesso integrado de uma consola gráfica totalmente programável. iv É ainda possível a sua expansão com adição de módulos de entradas e saídas digitais e/ou analógicas permitindo expandir largamente o uso do AGV para outros fins. A solução está a ser amplamente testada e validada no Laboratório de Automação (LabA) do Departamento de Engenharia Mecânica do ISEP (Instituto Superior de Engenharia do Porto), permitindo a otimização dos sistemas de controlo de direção bem como a interatividade entre o PLC e o programa de interface/supervisão do posto de trabalho.

Automatização de sistema de medição múltiplo de ensaio de manómetros analógicos

A dissertação em apreço resultou da necessidade em otimizar os recursos técnicos, mas sobretudo humanos, afetos às verificações de instrumentos de medição, no âmbito do Controlo Metrológico Legal. Estas verificações, realizadas nos termos do cumprimento das competências outrora atribuídas à Direção de Serviços da Qualidade da então Direção Regional da Economia do Norte, eram operacionalizadas pela Divisão da Qualidade e Licenciamento, na altura dirigida pelo subscritor da presente tese, nomeadamente no que respeita aos ensaios efetuados, em laboratório, a manómetros analógicos. O objetivo principal do trabalho foi alcançado mediante o desenvolvimento de um automatismo, materializado pela construção de um protótipo, cuja aplicação ao comparador de pressão múltiplo, dantes em utilização, permitiria realizar a leitura da indicação de cada manómetro analógico através de técnicas de processamento de imagem, função esta tradicionalmente efetuada manualmente por um operador especializado. As metodologias de comando, controlo e medição desse automatismo foram realizadas através de um algoritmo implementado no software LabVIEW® da National Intruments, particularmente no que respeita ao referido processamento das imagens adquiridas por uma câmara de vídeo USB. A interface com o hardware foi concretizada recorrendo a um módulo de Aquisição de Dados Multifuncional (DAQ) USB-6212, do mesmo fabricante. Para o posicionamento horizontal e vertical da câmara de vídeo USB, recorreu-se a guias lineares acionadas por motores de passo, sendo que estes dispositivos foram igualmente empregues no acionamento do comparador de pressão. Por último, procedeu-se à aquisição digital da leitura do padrão, recorrendo à respetiva virtualização, bem como a uma aplicação desenvolvida neste projeto, designada appMAN, destinada à gestão global do referido automatismo, nomeadamente no que se refere ao cálculo do resultado da medição, erro e incerteza associada, e emissão dos respetivos documentos comprovativos.