Çevrimiçi Donanım Benzetimi için Yeni bir Yazılım Paketi: Cadmus

Transkript

1 Çevriiçi Donanı Benzetii için Yeni bir Yazılı Paketi: Cadus Serdar Üşenez 1, Rasi Aşkın Dilan 2, Ulaş Yaan 3, Barış Raıp Mutlu 4, Melik Dölen 5, Ahet Buğra Koku 6 Makina Mühendisliği Bölüü Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara 1 serdar.usenez@ail.co 2 adilan@etu.edu.tr 3 uyaan@etu.edu.tr 4 brutlu@ail.co 5 dolen@etu.edu.tr 6 kbura@etu.edu.tr Özetçe Bu akalede ayrık zaanlı kontrol teorisi üzerine verilen derslerdeki teorik bililerin uyulaaya konulasına dair bir Evdeki Laboratuvar yöntei dahilinde öğrencilere sunulabilecek, erçek doğrulukla benzeti erçekleştiren Cadus adlı yazılı paketi tanıtılıştır. Öğrenciler sahip oldukları bililer ışığında, ikrodenetleyici içeren bir donanı üzerinde bir denetleyici erçeklerler. Bunu yazılıla haberleştirerek tasarladıkları denetleyicinin başarıını özlee ve iyileştire ikanına sahip olurlar. Bu sayede öğrencilerin donanılı laboratuvarlara ihtiyaç duyaksızın; bililerini uyulaa, özlee ve ilerlete fırsatını yakalayıp, ördükleri eğitiden azai verii alaları ükün olur. Anahtar Sözcükler: Kontrol Eğitii, Ayrık Zaanlı Kontrol, Çevriiçi Donanı Benzetii, Evdeki Laboratuvar 1. Giriş Ayrık zaanlı kontrol sisteleri üzerine verilen derslerde, öğrencilerin aldıkları teorik bilileri özüseeleri için çeşitli sistelerde kullanılak üzere denetleyiciler tasarlaaları ve bunları (ükünse erçek sistelere uyulayarak) sınaaları istenir. Böylece, öğrencilerin kontrol edilen sistein davranışını ayrıntılarıyla kavrayarak, tasarı sürecinde tercih edilen yöntelerin ve yapılan varsayıların sonuca etkilerini öreleri ükün olur. Gerçek uyulaalar üzerine yapılan çalışalar aracılığıyla söz konusu yetilerin kazandırılası hiç şüphesiz ki en eçerli eğiti tekniğidir. Ancak bu yöntein pratik olarak uyulanabilirliği pek yoktur. Herşeyden önce, söz konusu sisteler eğiti kuruundaki laboratuvarlara alınaayacak özelliklerde (boyut, ürültü, titreşi, zehirli adde salıı, vs.) veya aliyette olabilir. Bunun yanı sıra çözülee aacıyla sistein içerisinde erçekleşen olaylarla ilili veri toplaak, çok sayıda duyucunun uyun şekilde yerleştirilesini erektiren zorlu bir süreçtir. Bu sorunlar aşıldığı takdirde dahi, ardışık eğiti-öğreti dönelerinde aynı sistein sürekli kullanıı dersin eliştirilebilesi açısından tercih edileyebilir. Bu duruda he eldeki sistein uyun şekilde değerlendirilesi, he de yeni bir sistein bulunarak kullanıa hazırlanası ereği ortaya çıkaktadır. Bu yöntedeki bir diğer sıkıntı ise, çeşitli sebeplerle laboratuvar ekipanının kullanı dışı kalası duruunda bütün çalışaların ertelenek zorunda kalasıdır. Laboratuvarda bütün ideal şartlar oluşturulsa bile, öğrencilerin söz konusu sistei belirli bir zaan dilii içinde kullanaları erekeceğinden, kazanabilecekleri deneyi yapılan harcaalara öre çok sınırlı kalacaktır. Bu akalede, (ayrık zaanlı) kontrol sisteleri üzerine verilen derslerle ilili bahsediliş olan sıkıntıları aşak üzere eliştiriliş yeni bir benzeti yazılıı tanıtılaktadır. Makalenin ikinci kısında, ilili alanda yapılış çalışalar kısaca özetleniştir. Üçüncü kısıda, söz konusu yazılıın kullanıldığı evdeki laboratuvar kavraı tartışılıştır. Dördüncü bölüde, akalede bahsi eçen yöntein pilot uyulaası anlatılış ve elde edilen sonuçlar inceleniştir. Son kısıda ise tartışa ve sonuçlar bulunaktadır. 2. Mevcut Çalışaların İncelenesi Çeviriiçi Donanı Benzetii, (ÇDB, Hardware-in-the- Loop Siulation ) esas itibariyle eliştiriliş bir donanıın (bilisayarda benzetii yapılan) sanal bir siste üzerinde sınanasını sağlayan öneli bir tekniktir. Bu nedenle tasarı problelerine çözüler eliştirilesi aşaasında; kontrol ühendisliğinde söz konusu teknik oldukça sık olarak kullanılır [1-2]. Geride bıraktığıız 30 sene boyunca çeşitli füze üdü sistelerinin denenesi sırasında da yayın bir şekilde ÇDB nin kullanıldığı örülüştür [3-6]. ABD de Idaho Üniversitesi nde karaşık trafik durularının incelenesi sırasında sadece bilisayar benzetiinin yeterli oladığı örülüş, ÇDB nin kullanılasıyla erçek trafik denetleyicileri ile etkileşen benzeti ortaının daha büyük başarı sağladığı anlaşılıştır [7]. ABD de yapılan başka bir araştırada da trafik odeli eliştirek için ÇBD kullanıından bahsediliştir. Modeller eliştirilirken dış kontrol teçhizatı ile etkileşiin ÇBD sayesinde erçek zaanlı odele çok yaklaştığı bu nedenle de odel eliştire sırasında kolaylık sağladığı belirtiliştir. [8]. İniltere nin Jauar firası çeşitli üniversitelerle ortak yürüttüğü çalışalarda ÇDB yi otoobillerinin çeşitli otoatik kontrol sistelerini eliştirek için kullanılış.

2 Geliştirilen odel erçek zaanlı koşacak şekilde değiştiriliş ve benzeti erçek bir araç donanııyla erçekleniştir. Siste verii nedeniyle daha sonra Jauar fabrikalarından bir kaçına da uyarlanışlardır. [9]. Diğer taraftan, Kanada nın Uluslararası Uzay İstasyonu için eliştirdiği robot kolun tasarıı sırasında ÇDB den yararlanılış ve uzay koşullarının benzetii yapılarak tasarıın büyük veri ve az aliyetle yapılası sağlanıştır [10]. Bunun haricinde; ÇDB, Hollanda da Delft Üniversitesi nde erçekleştirilen bir araştıra sırasında uzasal kısıtlı sürekli dinaik sistelerin doğasının daha iyi anlaşılasını sağlaak aacıyla kullanılıştır. [11]. Bütün bunların yanı sıra, dünyanın çeşitli üniversitelerinde kontrol sisteleri tasarıı ve erçekleştirii üzerine projelerde de ÇDB kullanılaktadır. Laboratuvar olanağı kısıtlı kurularda ise öğrencilerin ilisini canlı tutak ve aynı zaanda deneysel bir eğiti ortaı sunak aacıyla ÇDB projelerde kullanılaya başlanıştır [1], [7]. Araştıra kurularında yapılan çalışalar ile yüksek lisans ve doktora çalışalarının yanı sıra, lisans ve yüksek lisans seviyesinde verilen bazı kontrol ve odellee teelli derslerde de ÇDB kullanılaktadır. Utah Üniversitesi nde verilekte olan ECE5320 kodlu Mechatronics dersi ile ECE7330 kodlu onlinear and Adaptive Control dersi dahilindeki laboratuvar deneyleri sırasında, ÇDB çeşitli doğrusal olayan sistelerin test edilesinde ve bu sistelere uyun çeşitli kontrol sisteleri eliştirilesinde kullanılaktadır. Bu derslerde kurulan ÇDB uyulaası bir düzenek ve kurulan düzeneğe uyulanan kontrolcünün tepkisinin MATLAB / Siulink aracılığıyla rafiksel olarak ifade edilesinden ibarettir [12]. Benzer olarak, Texas Üniversitesi Makina ve Havacılık Bölüü nde bazı kontrol derslerinde dinaik siste çözüleesi ve kontrol yönteleri eliştirilesinden sonra, bunların sonuçlarının değerlendirilesi için ÇDB kullanılıştır. Manyetik levitasyon cihazı ile birleştiriliş ÇDB uyulaasını Introductory Control dersine uyulayan yazarlar, öğrencilerin kontrolcülerini değerlendiren bir donanı benzetii karşısında heyecanlandıklarını ve derse olan ililerinin arttığını belirtişlerdir. Bu uyulaada da benzeti sonuçları sadece MATLAB / Siulink aracılığıyla rafikler üzerinden örüntülenektedir [13]. 3. Geliştirilen Yönte 3.1. Evdeki Laboratuvar Denetleyiciler üzerine verilen (lisans veya yüksek lisans) derslerin etkinliğinin arttırılabilesi için, eğiti faaliyetlerinin birçok eniş çaplı laboratuvar çalışasıyla desteklenesi erekektedir. Diğer taraftan, en eniş ikanlara sahip eğiti kuruları bile, en iyi şartlar altında öğrencilerine birkaç alışıldık deney düzeneği ile çok sınırlı bir zaan diliinde çalışa yapa fırsatı tanıyabilektedirler. Evdeki Laboratuvar (veya Cepteki Laboratuvar ) kavraı, böylesi sorunların üstesinden elek aacıyla ortaya atılıştır [14]. Bu yöntede öğrenciler tasarladıkları denetleyicilerini, erçek sistee bağlaak yerine, sistein dinaiğini ileri derecede taklit edebilecek bir bilisayar sisteine bağlarlar. ÇDB, teelde denetlenen sistein bir benzetiini yapan üçlü bir bilisayar ve denetleyici cihazla bu bilisayar arasında yer alan bir arayüzden oluşaktadır. Esas itibariyle bu benzeti, sistein davranışını betileyen diferansiyel denklelerin uyun sayısal yönteler aracılığıyla çözülesiyle erçekleşir. Denetleyici tarafından bakıldığında, erçek sistee bağlanış olak ile benzeti bilisayarının arayüzüne bağlanak arasında teelde bir fark bulunaaktadır. Öğrenciler denetleyicilerini bahsedilen arayüze bağlayarak birçok koşulun benzetiini yapabilir ve çok sayıda sınaayı kolaylıkla erçekleştirebilirler. Bu sınaalar esnasında siste paraetrelerinin zaan içinde değişii, doğrusal olayan eleanlar, bozucular, ürültü, çeşitli eleanlarının arızalanası ibi birçok duruun benzetiinin yapılası ükündür. Bu sayede öğrenciler erçek dünyada ortaya çıkabilecek her türlü etki ve sorunla karşı karşıya elebilecek ve bunlar üzerinde çalışa ikanı bulacaktır. Bu ikanların yanı sıra, yeni bir siste üzerinde çalışılak istendiğinde bu sistei betileyen denkle ve paraetrelerin ilili yazılıa tanıtılası yeterlidir. Çevriiçi Donanı Benzetii nin, Evdeki Laboratuvar fikrine uyarlanası üç değildir. Halihazırda piyasada bulunan birtakı ateatik yazılı paketleri (örneğin; Matheatica, MATLAB / Siulink) zaten diferansiyel denkle çözüü, sonuçların örselleştirilesi, bilisayar ile çeşitli donanılar arasında iletişi sağlaak ibi ikanları sunaktadır. Yazılı ve donanı alanlarında erekli düzenleeler yapıldığı taktirde, bu paketler vasıtasıyla ÇDB yapılabilesi ükündür. Diğer taraftan, kullanıcı dostu bir ÇDB ortaının böylesi paketlerle yaratılası oldukça zordur. Ayrıca bu yazılılar he çok pahalıdır, he de elde edilen ürünlerin bilisayarlar arasında taşınabilirliği oldukça düşüktür Önerilen Tüleşik Siste Bu akalede, sözü edilen sorunların üstesinden elebilek için, ÇDB erkezli bir evdeki laboratuvar yöntei üzerine kurulu, tüleşik bir siste önerilektedir. Bu sistein oluşturulasındaki teel aaç; öğrencilere laboratuvar ortaı dışında; kendi proraları (ve öğrene hızları) uyarınca çalışa ikanı vererek, denetleyici tasarıına yoğunlaşalarını sağlaaktır. Bu bağlada, denetlenecek dinaik sistelerin benzetilerinin yapılabildiği bir ÇDB yazılıı ( Cadus ) eliştiriliştir. Öğrenciler, kendilerine sunulan bir eliştire kartı üzerinde uyulaasını yaptıkları denetleyiciyi seri port üzerinden bilisayara bağlayarak, benzetii yapılan siste ile haberleşektedir. Bu haberleşenin öğrenci tarafından erçeklenebilesi için kullanılan protokolü açıklayan beleler ve bu protokolün kullanıını sağlayacak yazılı kütüphaneleri öğrencilere sağlanaktadır. Kontrol edilekte olan sanal sistein davranışı, yazılı üzerinde 3 boyutlu katı odeller aracılığıyla erçekçi olarak örüntülenekte olup, arzu edildiği takdirde sistein öneli duru değişkenleri de yine bu yazılı aracıyla (sayısal olarak veya rafik üzerinde) izlenebilektedir. Ayrıca dışarıdan değiştirilebilesi istenen siste paraetrelerinin (bozucular, ürültü, yükler vb.) değerleri yazılı aracılığıyla ayarlanabilektedir. Bu ereçler aracılığıyla öğrenciler, denetleyicilerini sınaa, ince ayarlaa ve eniyileştire çalışalarını erçekleştire ikanına sahip olaktadırlar. Ders eğiteninin eliştiriliş olan denetleyicileri değerlendiresi, yine bu yazılı aracılığıyla olaktadır. Cadus yazılıı C# proralaa dili kullanılarak, Microsoft.ET Fraework yazılı ortaı üzerinde, Microsoft Windows XP ve Microsoft Windows Vista işleti

3 sistelerinde işleyebilecek biçide eliştiriliştir. Çeşitli bililerin sunulası ve alınasında işleti sisteine has kullanıcı arayüzü forları kullanılış olup, 3 boyutlu katı odellee Manaed DirectX rafik kütüphanesi aracılığıyla erçekleştiriliştir. Bu orta ve kütüphanelerin kullanıı, hedefleniş işleti sistelerini kullanan farklı bilisayarlar arasında yazılıın taşınabilirliğini arttırıştır [15-16]. Cadus yazılıının işlev şeası Şekil 1 de örülebilir. Benzetii yapılacak olan sistein ateatiksel odeli, sistee ait sabitler, kullanıcı seçenekleri ve yazılı paraetreleri yazılıın bili katanını oluşturur. Benzeti katanında sistein dinaik odelini kullanarak, duru değişkenlerini saptayan sayısal çözüleyici yordalar bulunur. Sistee ait iriş ve çıkışlar, duru değişkenlerinden elde edilerek, ilili yazaçlara aktarılır. PC / denetleyici arayüzü üzerinden, ilili denetleyici donanıın okua/yaza erişiine sunulur. Sistein duru değişkenleri, aynı zaanda örsellee katanına iletilerek üç boyutlu ve rafik örsellee için kullanılıp, arzu edildiği takdirde çözülee için bilisayarın sabit diskine kaydedilir. Bili Kullanıcı Tercihleri Kullanıcı Girişleri Siste Modeli Yazaçlar Diferansiyel Denkle Çözücü Yordalar Duru Değişkenleri Girişler Benzeti Çıkışlar PC/Denetleyici Arayüzü RS-232 Şekil 1: Cadus un işlevsel şeası Görsellee 3B Model Grafikler Veri Kaydı Denetleyici Donanı Denetleyici aloritaların eliştirilesi aacıyla öğrencilere tedarik edilen kart, üzerinde PIC 16F877A ikrodenetleyici taşıyan, düşük aliyetli bir karttır (Şekil 2). Bu kart seri port (RS-232 protokolü) üzerinden kişisel bilisayarlar ile iletişi kurabilektedir. Kart üzerinde; bir düğe, iki adet potansiyoetre, LED ibi çeşitli eleanlar bulunakta olup, bunlardan eri bildiri ve hata ayıklaa aaçlı olarak faydalanılabilektedir. Diğer taraftan, ikrodenetleyicinin sahip olduğu bütün iriş ve çıkışlara kartın iki yanındaki dişi soketler aracılığıyla kolayca erişek ükündür. Bu eliştire kartı öğrencinin teel ihtiyaçları düşünülerek tasarlanış olup, ciddi bir elektronik devre bilisine sahip oladan da öğrencinin rahatlıkla denetleyici aloritasını eliştirebilesini sağlaaktadır. Sunuluş olan sistein, çeşitli yazılı paketleriyle erçeklenebilir uadillerine kıyasla en öneli özelliği, 3 boyutlu katı odellee ile benzetii yapılan sistein örselleştirilesidir. Bu sayede denetleyicinin sınanası, siste paraetrelerinin sayısal değerlerinin (veya bu değerlerden elde edilecek rafiklerin) izlenesinin ötesine eçektedir. Öğrenci, sistei, erçek bir laboratuvarda özleyebileceği ibi incelee ikanı bulaktadır. Hatta erçekte çeşitli sebeplerle (yağlaa, yalıtı, üvenlik vb.) kapalı eoetride bulunan bileşen ve sistelerin (dişli ve Şekil 2: PIC 16F877A ikrodenetleyici barındıran eliştire kartı aktarı kutuları, içten yanalı otorlar, çaaşır akineleri vb.), istenen parçalarının şeffaflaştırılası veya taaen örünez kılınasıyla iç işleyişlerinin österilesi de ükündür. Bu özellikler sayesinde he benzeti süreci öğrencinin sebep ve sonuçlarıyla örerek kavrayıp yorulayabileceği bir hale elekte, he de öğrencinin ilisi canlı tutulabilektedir. Denetlenen sistein yanı sıra, öğrencinin kullanacağı ikrodenetleyicilerin de bilisayarlı benzetiinin yapılası ükündür [17-18]. Ancak sunuluş olan yöntede, denetleyici donanıın benzetiinden özellikle kaçınılış ve erçek bir ikrodenetleyicinin kullanıı önörülüştür. Bundaki teel aaç, tedarik edilen eliştire kartı sayesinde, öğrencinin bir denetleyicinin prototipinin oluşturulasında karşılaşacağı elektronik eleanlarla tanışasının sağlanasıdır. Öğrenci bu eleanların kullanıında karşılaşılabilecek çeşitli durulardan bu sayede haberdar kılınaktadır. Böylece eğitiin fiziksel uyulaalardan ta anlaıyla kopası enelleniş olaktadır. 4. Yöntein Pilot Uyulaası 4.1. Uyulaa Projesi Bu akalede sunulan yöntein pilot uyulaası, eğiti-öğreti yılı bahar döneinde, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği bölüünün ME 534 (Bilisayarla Makina Denetii) dersinde final projesi olarak erçekleştiriliştir. Bu projede öğrencilerden alçak bir yörünede seyreden bir iletişi uydusunu takip etesi istenen bir anten çanağının iki eksenli hareket denetiinin yapılası isteniştir. Anten, yükseklik ve aziut eksenlerinde birer servo otora ve otorlardan istenen torku (belirli hız sınırlaaları dahilinde) üretecek otor sürücülerine sahiptir. Ayrıca uydunun herhani bir anda antene öreceli konuunu hesaplayabilen bir seyrüsefer bilisayarı ile uydudan alınan sinyalin ücünü ölçen bir alacın evcut olduğu varsayılıştır (Şekil 3). Bu sistelerden elen bili ve antenin her iki eksendeki açısal konuu, PC arayüzünde tanılanış 16 bitlik yazaçlar üzerinden sunuluştur. Öğrencilerden bu bilileri kullanarak, bir kontrol dönüsü içinde otor sürücüleri için tork koutlarını (yine 16 bitlik veriler halinde) üreteleri beklenektedir. Antenin bulunduğu ortada bozucu olarak azai hızı 30/s ye kadar çıkarılabilen rüzar evcuttur. Ayrıca, otor-anten bağlantı ekanizasındaki dişlilerde boşluk bulunakta olup, her iki eksende kuru ve viskoz sürtünelerin etkili olduğu

4 varsayılaktadır. Bu şartlar altında antenin, belli hata toleranslarını aşadan, iki dakikalık seyri boyunca uyduyu takip etesini sağlaak ciddi bir kontrol ühendisliği probleidir. Böylesi (ideal olayan) şartlar, öğrenciyi klasik denetleyici aloritaların ötesine eçeye ve daha elişiş yönteleri araştırarak erçekleeye teşvik etektedir. Denetleyici Donanı Yüksek-BG seri iletişi Seri İletişi Arayüzü T T R R U Servo-otoru ve Sürücü Servo-otoru ve Sürücü İstasyonun Seyrüsefer Bilisayarı Motor Torku Motor Torku Mekanik Sistei Alacı Mekanik Sistei Alacı Anten Aziutu Anten Yüksekliği Şekil 3: Uyulaa projesindeki anten sisteinin fonksiyonel blok diyaraı Benzetide kullanılan odellerden de kısaca bahsedilecek olursa; antende her iki eksen (aziut ve yükseklik) için de (tahvil oranı olan) birer dişli kutusunun kullanıldığı kabul edildiğinden, aşağıdaki differansiyel denkleler, 1 J T T (1) J b T sn( ) T T (2) c ilili ekseninin hareketini tanılaaktadır. Burada J ve J sırasıyla otorun ve anten ili üzerine indireniş kütle atalet oentlerini [k 2 ]; ve, otorun ve antenin açısal konularını [rad]; T dişli kutusu çıkış torkunu []; T otor tarafından üretilen oenti; T c anten ilindeki kuru sürtüne oentini []; T d rüzarın anten ili üzerinde yaratış olduğu bozucu oenti []; b viskoz sürtüne katsayısını [/(r/s)] ifade etektedir. Dişli kutusunda boşluk bulunduğu varsayıldığından, T dişli kutusunun iriş ve çıkış ili arasındaki konu farkının bir fonksiyonudur: T k( k( 0, h), h), ( ( Burada, h (> 0) dişli kutusundaki boşluğu [(µ)rad]; k (> 0) teas halinde olan dişlerin eşdeğer rijitliğini tesil eden bir katsayıdır (elastikiyet katsayısının tersidir) Uyulaa İçin Geliştirilen Yazılı Cadus yazılıının erken bir örneği, Bölü 4.1 de açıklanan uyulaa projesinde kullanılak üzere özelleştiriliştir. Bu sürüde, öğrencilere yardıcı olak aacıyla, rafik kullanıcı arayüzünde; anten duru bililerinin yanında uydunun erçek konuu ve antene uyulanan bozucu tork büyüklükleri ibi birtakı öneli bililer de yer alaktadır. d ) ) h h h (3) Bununla beraber, benzetide elde edilen veriler he rafikler aracılığıyla betilenir, he de daha sonra analiz için bir bilisayar dosyasına kaydedilir. Benzeti süresince antenin üç boyutlu iesiyle bunun iki teel düzlee izdüşüü kullanıcı arayüzünde örüntülenir. Ayrıca, bu örüntü üzerinde yer alan ileçler uydunun antene öre konuunu da österirler. Rüzarın şiddeti ve yönünü österen bir rüzar ülü de antenle beraber örüntülendiğinden, rüzarın antene olan etkisinin daha rahat anlaşılabilesi ükün olaktadır. Dikkat edilirse, öğrencinin elindeki eliştire kartı sınırlı kaynaklara sahiptir ve kontrol dönüsü içinde yer alan hesapları erçek zaanlı olarak yapaaz. Bunun yerine, arayüze bağlı donanıından elen koutlar (tork kout yazaçlarına yapılan yaza işlei), benzetiin öğrenci tarafından seçilen örneklee zaanı kadar ilerletilesini sağlar. Bunun arkasından benzeti duraklatılır ve denetleyici donanıdan elecek olan bir diğer kout seti beklenir. Sonuçta, iki kout arasında eçen süre erçekte ne olursa olsun, benzeti belirleniş örneklee süresine öre yürütülür. Böylece öğrencinin eliştire kartının yarattığı kısıtlaalardan bir ölçüde kurtulası sağlanarak, eliştirdiği aloritaya ve onun başarıına odaklanası sağlanır. Şekil 4 te österildiği üzere; yazılı üç fordan oluşaktadır. Benzetiin başlatılıp durdurulabildiği ana forda ( Main ); anten ve uydunun konu bililerinin yanı sıra rüzar (bozucu) duruu ve benzeti süresi ibi öneli değerler österilir. Ayrıca bu forda sunulan seçeneklerle, kullanıcının benzetii istediği bir zaan aralığı için erçekleştiresi ükün kılınıştır. Geliştire sürecini kolaylaştırak için, sadece istenen bir eksenle çalışa ikanı da öğrencilere sunulaktadır. Ayarlar ( Settins ) forunda RS-232 iletişiine dair birtakı paraetreler sunuluştur. Bunun yanında, benzetiin (daha önce bahsedildiği üzere) erçek zaanlı işleeyen bir denetleyiciyle uyulu çalışabilesi için, denetleyicinin örneklee periyodu bu for üzerinden yazılıa bildirilir. Yine bu forda, benzetide elde edilen verilerin bilisayarın sabit diskine kaydedilesiyle ilili ayarlar evcuttur. Burada hani duru değişkenlerinin sabit diske yazılacağı, oluşturulacak dosyanın adı ve bu dosyaya yazı biçii (foratı) belirtilebilir. Bunların yanı sıra, takip edilen uydunun yörünesine ait paraetreler (yükseklik, uydu antenle aynı boyladan eçerken anten ile arasındaki enle farkı, yörünenin anten enleini kese açısı) yine bu ekrandan değiştirilebilir. Ayrıca, antenin eksen kontrolünü erçekleştiren otorlara bağlı olan dişli kutularındaki boşluğun büyüklüğünü ikroradyan cinsinden belirleek de ükündür. Görüntülee ( View ) ekranında ise benzetide kullanılan duru değişkenlerinin zaan içinde değişii österilir. Bu forda her iki eksen için ikişer rafik bulunaktadır. İlk rafik, uydunun ve antenin o eksendeki konularını österektedir. İkinci rafik ise ilili eksende uyulanan otor torku ile rüzar tarafından o eksene uyulanan bozucu torku tesil etektedir. Bu ekrandaki beşinci bir rafikte ise, o anda anten tarafından alınakta olan takip işareti, erili cinsinden österilektedir. Daha yakından incelee için, her rafikte istenen böleye yakınlaşak ükündür. Söz konusu bütün rafikler benzeti esnasında sürekli olarak üncellenir ve arzu edilen herhani bir anda öğrenci tarafından izlenebilir. Yazılı içerisinde, anten, her iki eksen ve bunlara ait denetleyiciler tek bir sınıf ( class ) altında toplanarak

5 odelleniştir. Bu sınıf, otor ve rüzarın oluşturduğu torkları hesaplayarak, zaanın da bir fonksiyonu olan duru denklelerini (adi diferansiyel denkle setlerini) iyi bilinen sayısal tülevlee yönteleriyle çözerek, ilili eksenlerdeki açısal konuları elde eder. Bir uydunun istenen bir yörüneye yerleştirilesi için ereken hesaplaaların karaşıklığı nedeniyle, uydu, anten ibi bir dinaik siste olarak odelleneiştir. Bunun yerine, dünya etrafındaki hareketi dairesel kabul edilerek; basit kineatik bağıntılar aracılığıyla antene öre konuu (yükseklik ve aziut açıları) zaanın bir fonksiyonu olarak hesaplanır. Yazılı, esas itibariyle, bilisayarda iki bağısız izlek ( thread ) yürütektedir. Birinci izlekte, bölü 3.2 de anlatılış olan benzeti ve yazaçlar katanlarına dair işleler yürütülektedir. Benzetiin başlatılasıyla beraber denetleyici donanıdan (seri port aracılığıyla) elecek olan koutlar beklenir. Bu koutlar alındığında benzeti, seçiliş olan örneklee süresi kadar ilerletilir. Ardından başa dönülerek denetleyiciden elecek sonraki sinyaller beklenir. İkinci izlek ise, yine bölü 3.2 de anlatılış olan örsellee katanına dair işlelerden soruludur. Kullanılış olan bu çok izlekli ( ultithreaded ) yapı sayesinde, erçekleştirile hızı rafik donanıına son derece bağlı olan (dolayısıyla yüksek süratle erçekleştirilesi her bilisayarda sağlanaayan) örsellee işlelerinin, benzeti işlelerinin önünü tıkaası enelleniştir. Kullanılan yazılıın bir diğer özelliği de çalıştırıldığı bilisayar üzerinde etkin bir internet bağlantısı bulunduğu takdirde; belirli aralıklarla derse ait Web sitesine bağlanarak üncelliğini teyit edebilesidir. Böylece, yazılı daha üncel bir sürüün varlığını öğrendiğinde; kullanıcıyı bu konuda uyararak, yeni sürüün indirilebileceği bir web sayfasına bağlana seçeneği sunar. Dersi veren öğreti üyesi veya araştıra örevlileri tarafından yapılacak herhani bir değişiklik, böylece en çabuk biçide öğrencilere ulaştırılabilektedir Uyulaa İçin Geliştirilen Arayüz Protokolü Daha önce belirtildiği üzere, öğrencilerin eliştirdikleri denetleyiciler ile Cadus arasında 16-bit (2 bayt) uzunluğunda verilerin aktarıı söz konusudur. Bu sabit veri uzunluğu sayesinde, eliştire kartındaki ikrodenetleyici üzerinde hızlı çalışacak ve düşük bellek kullanacak bir iletişi protokolü oluşturuluştur. Bu protokolü erçekleştiren CCS C kaynak kodları da öğrenciye sağlanıştır [20]. Burada, denetleyicinin erişiine açık olan PC yazaçlarına okua ve yaza işleleri, CCS C nin seri port yerleşik yordaları vasıtasıyla erçekleştirebilektedir: void ReadReister(int8 id, int16 *data) { putc(97 + id); *data = etc(); *data <<= 8; *data += etc(); } void WriteReister(int8 id, int16 *data) { putc(65 + id); putc((int8)(*data >> 8)); putc((int8)(*data)); } Şekil 4: Pilot uyulaa yazılıının forları Diferansiyel denkle çözücü yordalar, yazılı içerisinde ayrı bir sınıf altında yer alır ve belirli bir şablona uyun fonksiyonları kabul edecek şekilde tasarlanıştır. Bu şablona uyun olak kaydıyla; herhani bir dereceden duru denklei (veya denkleleri) çözücü yordalara sunularak ilili değişkenlerinin (aziut ve yükseklik açıları ile bunların zaana öre türevleri) çözülesi ükündür. Halihazırda böylesi denklelerin çözülesi aacıyla 4. dereceden sabit adılı Rune-Kutta yöntei kullanılaktadır [19] Uyulaa Sonuçları Pilot çalışa sonunda, ilili dönede dersi alış olan öğrencilere bir anket uyulanarak; ÇDB nin başarısı sorulanıştır. Bu bölüde anket sonuçlarının değerlendirilesi ve akabinde ÇDB uyulaasının eğiti alanındaki etkilerinden bahsedilecektir. Uyulaanın yapıldığı dönede dersi alan 20 öğrenciden 14 ü ankete katılış olup, bunlardan biri lisans, 9 u yüksek lisans, 4 tanesi ise doktora öğrencisidir. Dersi daha önce alan iki öğrenciden ayrıca söz konusu uyulaanın yapıldığı final projesiyle önceki yıllardaki projeleri karşılaştırılaları da isteniştir. Ankete katılan öğrencilerin büyük bölüü (%78.6) ÇDB uyulaasının derse etkisini çok olulu olarak değerlendiriş; 11 öğrenci tasarlanan denetleyicilerin

6 (MATLAB / Siulink ibi) salt sayısal bir benzeti yerine; 3 boyutlu rafiklerle örselleştiriliş erçekçi bir benzeti kullanılarak değerlendirilesinin çok daha akılda kalıcı olduğunu vurulaışlardır. 10 öğrenci denetleyiciyi eliştirirken böylesi bir benzetiden yararlananın hata ayıklaa ve denetleyicilerin ince ayarları konusunda iyi bir yönlendirici olduğunu belirtişlerdir. Öğrencilerin %57.1 lik bir kısı, uyulaanın final projesi sürecini daha keyifli ve cazip kıldığını düşünektedir. Dersi daha önce alış olan iki öğrenciden biri ÇDB uyulaasının derse yaklaşıını olulu olarak etkilediğini belirtiştir. Benzer bir uyulaanın öğrencilerin eğitileri sırasında aşina olduğu bir yazılı paketi olan MATLAB ile erçekleştirilesi duruunda öğrencilerin %42.9 u böyle bir uyulaanın daha başarılı olacağını düşünürken, %35.7 si yapılış uyulaanın daha olulu olduğunu ifade etişlerdir. Burada önele vurulanası ereken nokta; projenin uyulaası esnasında yazılıda birtakı hatalar ile karşılaşılış olduğudur. Bu hatalar doğrultusunda öğrenciden yazılı kullanıının iyileştirilesine yönelik birçok öneri ve eri bildiri eliştir. Dolayısıyla, proje uyulanırken, üncelleniş yazılı sürüleri öğrenciye dinaik olarak sunuluştur. Bu uyulaanın olusuz olduğunu düşünen öğrenciler de dahil olak üzere; 10 öğrenci, hataları ayıklanış bir Cadus sürüünün proje başında sağlanası duruunda, fikirlerinin çok daha olulu yönde değişeceği şeklinde örüş bildirişlerdir. Son olarak öğrencilerin büyük bir çoğunluğu (%92.9), ÇDB ve benzeri uyulaaların kontrol tasarıı ve siste odellee teelli dersler ve uyulaalarda kullanıının süreci kolaylaştıracağı ve kaynakların daha verili kullanılasına olanak sağlayacağını düşünektedir. Öğrencilere yapılan anket ve ilili öğreti üyelerinin değerlendireleri sonucu olarak; ÇDB nin örnek verdiğiiz kontrol dersinde uyulanasının olulu tepkiler aldığı ve eğiti alanında uyulanasının büyük potansiyele sahip olduğu örülektedir. 5. Tartışa ve Sonuçlar Kontrol sisteleri üzerine verilen eğitii iyileştirek ve veriini arttırak aacına yönelik olarak, bu akalede bir ÇDB yazılıı tanıtılıştır. İleride bir paket prora haline etirilesi düşünülen bu yazılı halen eliştire aşaasında olup, değişikliklere açıktır. Pilot uyulaa, öğrencilerin 2 eksenli bir uydu anteninin kontrol çevrii (32-bitlik kayar-noktalı aritetik) işlelerini 19 ila 25 ilisaniye içinde erçekleştirdiklerini österiştir. Bu da doğal olarak, PIC 16F877A yerine daha fazla kaynağa sahip ikrodenetleyicilerin (PIC 18F4520 veya PIC 18F4550 ibi) kullanılası ereğine işaret etektedir. Bu sayede öğrencilerin çok daha karaşık sisteler için denetleyiciler eliştirilelerinin önü açılış olacaktır. İletişi için Evrensel Seri Veriyolu (USB) kullanıına eçilerek daha büyük bir bantenişliği ve odern ev bilisayarlarıyla daha iyi uyululuk sağlanası hedeflenektedir. Burada vurulanası ereken çok öneli bir nokta da eliştirilen Cadus yazılıının; donanıdan bağısız olarak çalıştığı erçeğidir. İlili seri haberleşe protokolüne uyulduğu sürece, yazılı herhani bir denetleyici donanıla beraber uyulu olarak çalışacaktır. Pilot uyulaa için ortaya konuş olan özelleştiriliş yazılı üzerinde, benzetiin erçekleştire süresini ölçek aacıyla, çeşitli duru denkleleri ve benzeti eleanları kobinasyonlarıyla deneeler yapılıştır. Bu deneelere dair ayrıntı ve sonuçlar Tablo 1 de sunuluştur. Bu tablodaki sonuçlar incelendiğinde, pilot projede eliştiriliş olan yazılıın bir benzeti dönüsünü 181µs ila 582µs arasında kapatabileceği örülektedir. Bu biliden yola çıkılarak, söz konusu pilot proje bağlaında, örneklee süresi 1 ilisaniye olan bir denetleyici için erçek zaanlı bir benzetiin yapılası ükündür. Ancak, bu sonuçlar Cadus yazılıının nihai sürüüyle ilili yalnızca bir ön fikir verebilektedir. Daha yüksek dereceli duru denklelerinin yahut (bilisayarlar tarafından hesaplanası külfetli olan) trionoetrik / loaritik / üstel fonksiyonların kullanıını erektiren benzetilerde; söz konusu sürelerin büyük değişiklik östereceği açıktır. Bu noktada kullanılan proralaa dili, yazılı ortaı ve işleti sisteine has yöntelerin ve eniyileştirelerin kullanıı araştırılalıdır. Bunların yanı sıra, erçek zaanlı icrayı taahhüt eden işleti sistelerinin ve donanı iarilerinin de incelenesi erekektedir. Bu konularla ilili diğer ayrıntılar, bu akalenin kapsaı dışında kaldığından burada yer verileektedir. Tablo 1: Benzeti Süreleriyle ilili Sonuçlar Süreler (ilisaniye) Bilisayar A B C D A: Benzeti yapılaz (iletişi ve diğer işlelerden elen ek yükün ölçüü) B: Yalnızca tek eksende anten benzetii C: Yalnızca iki eksende anten benzetii D: İki eksende anten, uydu ve rüzar benzetii PC 1: Intel Core 2 Duo 3.00GHz 6MB önbellekli işleci, 2GB bellek, VIDIA GeForce 9600GT rafik kartı, Microsoft Windows Vista işleti sistei PC 2: Intel Core Duo 2.00GHz 2MB önbellekli işleci, 1GB bellek, VIDIA GeForce Go 7400 rafik kartı, Microsoft Windows XP işleti sistei Yakın bir elecekte, Cadus benzeti yazılıının daha odüler bir yapıya kavuşturulası ve istenen herhani bir dinaik siste (robot/otoasyon, üreti, havacılık/uzay, otootiv, savuna, vb.) için biçilendirilebilesi hedeflenektedir. Son halinde yazılı; benzeti, örsellee, kayıtlaa ve iletişi işlelerini yürüten bir teel yazılı olarak düzenlenecektir. Bu teele, benzetii yapılan sistele ilili denkleler, değişkenler ve örsel nesneleri içeren odüller eklenecektir. Ayrıca, eğiticinin istediği siste odüllerini rahatlıkla üreterek öğrencilerine sunakta kullanabileceği bir tasarı yazılıı da bu paketin tüleşik bir parçası olacaktır. Bu yazılı, sistei tanılayan değişken ve denklelerin basit ancak etkili bir proralaa dili aracılığıyla belirtilesine olanak tanıyacaktır. Görselleenin erçekleştirilebilesi için ise basit eoetrik şekillerin (priza, küre, silindir vs.) kullanıının yanı sıra, yayın bilisayarlı rafik ve çizi proralarınca beniseniş dosya biçilerinden odellerin alınası da ükün olacaktır. Böylece eğiten, halihazırda sahip olduğu (veya çeşitli kaynaklardan edinebileceği) odellerin yanı sıra, kendi yaratacağı odelleri de örselleede kullanabilecektir. Bu odellerin çeşitli özelliklerinin (konu, büyüklük vb.) yine proralaa dili aracılığıyla siste değişkenlerine bağlanasıyla sistein örselleştirilesi erçekleştiriliş olacaktır.

7 Cadus üzerinde erçekleştirilesi olası bir diğer değişiklik, yazılıın desteklediği işleti sistelerinin çeşitlendirilesidir. Yayın olarak kullanılan Linux ve UIX tabanlı işleti sistelerinin desteklenesi, bu işleti sistelerini tercih eden öğrencilerin de bu yazılıı kullanabilelerini sağlayacaktır. Bu duruda halihazırda var olan.et Fraework ihtiyacının ortadan kaldırılası ve örselleştire için farklı rafik kütüphanelerinin kullanıına eçilesi erekecektir. Bu akalede sunuluş olan Çevriiçi Donanı Benzetii ve Evdeki Laboratuvar yöntei sayesinde öğrenciler erçek bir laboratuvarın ekansal ve zaansal kısıtlaalarından kurtarılarak taaen kendi kullanılarına ayrılış, sanal bir laboratuvara bireysel olarak sahip olabileceklerdir. Bu yolla öğrencilerin kontrol üzerine alış olduğu eğitiin pekiştirilesi hiç şüphesiz ki kolaylaşacaktır. Denetleyici tasarıı sırasında yapılası olası hatalar (yanlış denetleyici tasarıı, uyun olayan paraetre seçii, ölçeklendire yanlışları, vs) sonucunda sistee ve/veya insanlara zarar vere olasılığı kalkacaktır. Böylece, bu ibi durularda laboratuvar çalışalarının sekteye uğraasının da önüne eçilecektir. Gerçek bir sistein satın alınası, kullanıa hazırlanası ve bakıının yanı sıra olası tair ihtiyaçları da böylece ortadan kaldırılış olacağından eğiti kuruunun üzerinden öneli bir ali yük kaldırılış olacaktır. Bütün bu olulu elişeler, kontrol üzerine verilen derslerin verililiğini ve öğrencilerin bu derslerden sağladığı faydayı arttıracaktır. 6. Teşekkür Bu akalenin yazarları; sunulan yöntein eliştirilesinde ve uyulanasında eeği eçen herkese, özellikle de yılı bahar döneinde ME 534 Coputer Control of Machines dersini alan ODTÜ Makina Mühendisliği Bölüü öğrencilerine içtenlikle teşekkür ederler. 7. Kaynakça [1] W. Grea, Hardware-in-the-loop siulation and its application in control education, 29 th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference, San Juan, Puerto Rico, s:12b6 7-12b6 12, [2] M. Bacic, On hardware-in-the-loop siulation, Proceedins of the 44 th IEEE Conference on Decision and Control, and the European Control Conference, Seville, Spain, s: , [3] M. E. Sisle and E. D. McCarthy, "Hardware-In-The-Loop Siulation For An Active Missile", Siulation, Cilt: 39, Sayfa: , [4] M. Bailey and J. Doerr, "Contributions of hardware-inthe-loop siulations to avy test and evaluation", Proceedins Of The Society Of Photo-Optical Instruentation Enineers (SPIE), Cilt: 2741, Sayfa: 33-43, [5] H. Euchi and T. Yaashita, "Benefits of HWIL siulation to develop uidance and control systes for issiles", in Technoloies For Synthetic Environents: Hardware-In The-Loop Testin V, Cilt: 4027, Sayfa: 66-73, Proceedins Of The Society Of Photo-Optical Instruentation Enineers (SPIE), [6] J. S. Cole and A. C. Jolly, "Hardware-in-the-loop siulation at the US Ary Missile Coand", in Technoloies For Synthetic Environents: Hardware-In- The-Loop Testin, Cilt: 2741,Sayfa: Proceedins Of The Society Of Photo-Optical Instruentation Enineers (SPIE), [7] R. B. Wells, J. Fisher, Y. Zhou, B. K. Johnson, M. Kyte, Hardware and Software Considerations for Ipleentin Hardware-in-the-Loop Traffic Siulation, Industrial Electronics Society, 27th Annual Conference of IEEE, Denver, Colorado, A.B.D. s: , [8] D. Bullock, B. Johnson, Richard B. Wells, Micheal Kyte, Zhen Li, Hardware-in-the-loop siulation, Burdock et.al Transportational Research Part C, [9] J.R Kendall, R.P. Jones, An investiation into the use of hardware-in-the-loop siulation testin for autootive electronic control syste, Elsevier Science Ltd. Control Enineerin Practice, Cilt: 7, Sayfa: , [10] J. de Carufel, E. Martin, ve J.-C.Piedboeuf, Control strateies for hardware-in-the-loop siulation of flexible space robots, IEE Proc.- Control Theory Applications, Cilt: 147, o: 6, s: [11] Z. Papp, M. Dorrepaal ve D.J. Verbur, Distributed Hardware-in-the-loop siulator for autonoous continuous dynaical systes with spatially constrained interactions, Proceedins of IEEE International Parallel and Distributed Processin Syposiu, ice, France, s:119.1, [12] Y. Tarte, Y. Chen, W. Ren ve K. Moore, Fractional Horsepower Dynaoeter A General Purpose Hardware-In-The-Loop Real-Tie Siulation Platfor for onlinear Control Research and Education, Proceedins of the 45th IEEE Conference on Decision & Control, San Dieo, CA, A.B.D., s: , [13] P. S. Shiakolas ve D. Piyabonkarn, Developent of a Real-Tie Diital Control Syste with a Hardware-inthe-Loop Manetic Levitation Device for Reinforceent of Controls Education, IEEE Transactions on Education, Cilt: 46, o: 1, [14] M. Griheden ve M. Törnren, How should ebedded systes be tauht? Experiences and snapshots fro Swedish hiher enineerin education, ACM SIGBED Review, Cilt: 2, o: 4, s:34-39, [15] I. A. Dru, The Application of Adaptive Bea Tracin and Manaed DirectX for the Visualisation and Auralisation of Virtual Environents, Proceedins of the inth International Conference on Inforation Visualisation (IV 05), Londra, İniltere, s: , [16] Microsoft Developer etwork, [17] I. Gorton, J. Kerride, B. Jervis, Siulatin icroprocessor systes usin occa and a network of transputers, IEEE Proc.- Cilt: 136, o: 1, [18] Y.L. Lu, C.T. Lin, C.F. Wu, S.A. Hwan ve Y. H. Lin, Microprocessor Modelin and Siulation with SysteC, IEEE Proc., [19] W.H. Press, S:A: Taukosky, W.T. Vattenin, B.R. Ronnery, uerical Recipes in C: The Art of Scientific Coputation, [20] Custo Coputer Services Inc.,