Christopher Andreas Ganz - ETH E-Collection

166 Pages·2007·13.31 MB·English

ETH Library
Visual aspects of computer aided
control systems design
Doctoral Thesis
Author(s):
Ganz, Christopher A.
Publication date:
1995
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-001435858
Rights / license:
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Diss.ETHNo. 10963
Visual Aspects of Computer Aided
Control Systems Design
Adissertationsubmittedtothe
SwissFederalInstituteofTechnology
Zurich
forthedegreeof
DoctorofTechnicalSciences
presentedby
Christopher Andreas Ganz
Dipl.El.-Ing.ETH
bornApril25,1963
citizenofMeggenandLuzern,
Switzerland
acceptedontherecommendationof
Prof.Dr.W.Schaufelberger, examiner
Prof.Dr.J.Gutknecht, co-examiner
1995
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RichardStrauss
Acknowledgments
Inthe round ofpeoplewho helpedme in mypursuit forthis thesis, Ifirstwantto
express mygratitudetoProf. Schaufelbergerforhis supportduringthiswork. Ialso
wanttothankProf. Gutknechtforhiswillingness to co-referee thisthesis. Ialso feel
muchobliged toProf.Mansour,who gaveme theopportunitytoworkattheAuto¬
maticControlLab.
Anotherword ofthankgoes to Dr. Maier ofABB forthe organization ofthe funds
whichfinancedpartsofthisthesis.Healsointroducedmetothefieldofsoftwareengi¬
neering,anotherreasonwhyheappearsonthispage.
IwouldalsoliketoincludemycolleaguesattheAutomaticControlLaboratoryinmy
thanksfortheircontinuoussupport.PeterKolbdeservesspecialmention.Heistheco¬
authoroftheLeporellopackagepresented inthesecondpartofthisthesis,Iamvery
muchindebtedtohimforhiswork.HeandMartinRicklialsocontributedtothefruit¬
ful discussions in thebeginning ofthis project. Not always as fruitful, butmostly
entertaining were the discussionswithJanuszMilek,Markus Kottmannand Chri-
stophEck.
Thispagewouldnotbecompletewithoutthementionofmanypersonalfriends,who
alwaysdidagoodjobindistractingmymindfromtheproblemsofthisthesis.Iwould
especially liketomentionmyfriends ofByfvCquoxx(sic!),BeatandBarbaraHuber
andDeniseGraf.
Finally,Iwanttothankmyparentsforalltheirsupportduringmylongeducation.Itis
tothem,thisthesisisdedicated.
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Contents
Abstract 1
Kurzfassung 2
1. Introduction 5
1.1. Pictures 5
1.2.VisualEngineering 7
1.3. GraphicsinControlEngineering 8
1.4. StructuredVisualControlSystemsDesign 10
1.5.Scope,Contributionsand Organization 11
1.5.1.Scope 11
1.5.2. Contributions 12
1.5.3. Organization 12
2. VisualAspects ofSoftwareinAutomatic Control 15
2.1.ScientificVisualization 16
2.1.1.One-DimensionalDisplays 17
2.1.2. Two-DimensionalPlots 17
2.1.3.Three-DimensionalPlots 19
2.1.4. TheUseoftheFourthDimension 20
2.1.5. Summary 22
2.2.VisualProgramming 23
2.2.1. ControlFlowDescriptions 26
2.2.2. DataFlowDescriptions 30
2.2.3. Summary 34
2.3.Tools 35
2.3.1.SystemSpecs 35
2.3.2.Simulink 38
2.3.3. BlockSim 40
2.3.4. GenT 42
2.3.5. LabVIEW 45
2.4. TextorPictures? 48
2.4.1.VisualLanguagesDiscussion 51
2.4.2. Summary 53
3. Leporello: Visual Representationofthe DesignProcess 55
3.1. TheLeporelloProject 56
3.2. TheDesignCycle 58
3.2.1. ActionTreeBasics 58
IV
3.2.2.Tree-structuredDataBases 60
3.2.3. GraphTheory 61
3.3. BasicDataStructuresinLeporello 62
3.3.1.TheObjectOrientedApproach 63
3.3.2. ControlDataObjects 63
3.3.3.ParameterLists 66
3.3.4.Algorithms 67
3.3.5.AlgorithmExecution 69
4. TheActionTree: Functionality andObject Definition 71
4.1.Algorithm NodeExecution 72
4.1.1.SelectingandExecutinganAlgorithm 72
4.1.2.ExecutionofanAlgorithm onDifferentCDCNodes 78
4.1.3. CreationofMulti-objectNodes 81
4.1.4.ApplicationofanAlgorithmtoaMulti-objectNode 83
4.2.ManagingMulti-objectNodes 90
4.2.1.ExtractaSubsetNodefromaMulti-objectNode 90
4.2.2.MergeSubsetNodes 92
4.3. ManagingTreeComplexity 93
4.3.1. CopyandPasteOperations 93
4.3.2.DeleteNodes 95
4.3.3.MarkDeletedSubtree 95
4.4.AutomaticSubtreeExecution 96
4.4.1.MakeSubtreeConsistent 97
4.4.2.HierarchicalAlgorithm 99
4.5.SpecialTasks 104
4.5.1.ParameterSweep 105
4.5.2.ParameterOptimization 105
4.6. HierarchicalSystems 107
4.6.1.HierarchicalSystems ClassDefinition 107
4.6.2.BlockDiagramEditorandActionTreeOperations 107
5. Application Ill
5.1.PlantandHardwareDescription 112
5.1.1. ElectronicLaboratoryBalance 112
5.1.2. ComputerHardware 113
5.2.WorkingwithLeporello 114
5.2.1. LeporelloUserInterface 114
5.2.2. BalanceMeasurementsandInteractiveControllerDesign 116
....
5.2.3.IdentificationofaContinuous-timeModel 121
5.2.4. StateFeedbackControllerDesign 123
5.2.5. Discrete-timeARX-modelIdentification 125
5.2.6.Remarks 130
V
6. Conclusionsand FurtherWork 131
6.1. Conclusions 131
6.1.1.ScientificVisualization 131
6.1.2.VisualLanguages 132
6.1.3.VisualControlSystemsDesigninLeporello 132
6.2. FurtherWork 133
6.2.1. LeporelloConceptExtensions 133
6.2.2.FutureLeporelloDevelopment 134
Appendix
A. ListofavailableLeporelloalgorithms 135
B.Actiontreenodestatesandpictures 139
C.Objectsyntaxandnamingconventions 141
D.ManagingDynamicalDataStructures 143
D.l.VariableSizeDataStructures 143
D.2. Garbagecollection 145
Glossary 147
Bibliography 151
Softwarereferences 154
Index 155
Abstract 1
Abstract
The use ofa computerto solve control engineeringproblems is state ofthe art in
today'sautomaticcontrolcommunity.Numeroussoftwarepackageshavebeendevel¬
oped inrecentyears.Afewofthem arecommerciallyavailabletodayand some are
even regarded as a de-facto standard in computer aided control systems design
(CACSD).
The advantage ofCACSD software is the largenumberand the quality ofthepro¬
vided algorithms. However, developmentsconcentrated onnumericalratherthanon
userinterfaceaspects. Untilveryrecently, mostofthesepackagesrequiredtextually
enteredcommandsandprovidedrudimentarytwo-dimensionallinegraphs.
Recentdevelopmentsincomputersciencehaveremoved thelimitations ofoldersys¬
tems.Dataandsoftwarevisualizationareappliedtovariousfieldsofscienceandengi¬
neering, andmostcomputerscanbeoperatedusingagraphicaluserinterface.
Inthisthesis,weexploretheapplicationofgraphicalmethodsincomputeraidedcon¬
trolsystemsdesign.Withincreasingemphasiswewilldiscussthefollowingaspectsof
visualinterfaces:
- Datavisualization: Dataresultingfromeitherexperimentsoralgorithmexecution
(i.e. computersimulations) are mostlydisplayed intwodimensionalgraphs. The
useofmore complex,higherdimensionaldisplaysisdiscussed. Examplesofthree
dimensionaldisplays,movingdatavisualizationand interactivemanipulation of
algorithmsatruntimearepresented.
- Visual programming: The technique to show the interaction ofsub-systems in
blockdiagramsiswellknownincontrolengineering.Theirsimilaritytovisualpro¬
gramminglanguageshelpsus tonotonlydisplaydatavisually,butalsoto design
computerprograms orcontrollerimplementationsusingvisualmethods.Available
visualprogramminglanguagesarepresentedincontrolapplications.
- Graphicaluser interface to the control systems design cycle:As we have seen
above, theemphasisoftoday's CACSDpackages is intheavailabilityofsophisti¬
catedalgorithms.Littleornoemphasis hasbeenputonthe supportofthedesign
cycle as awhole. With the 'Leporello' packagewe present a new softwaretool,
whichvisualizesalltheworkdoneduringadesignsession. Allalgorithmswhich
wereusedtoreachasuccessfulcontrollerimplementationarestoredanddisplayed
inthe 'actiontree',togetherwith theirparametersand results. Intermediate data
itemsarecollected consistentlyincontroldataobjects. Thepossibilitytouseexter¬
nalpackagesfortheimplementationofalgorithms allowsafullygraphicaluserin¬
terface for control systems engineering using the whole range of algorithms
providedbyotherapplications.
Themethodsandtoolspresentedareusedtosolveoneoftheexampleplantsfromthe
studentlaboratory. Byusingthe'Leporello'toolwedemonstrate itsuseandrangeof
application.
2
Kurzfassung
DieVerwendungvonComputern zurLosungvonregelungstechnischenProblemen
istheutzutage Stand der Technik. Mehrere Softwarepakete wurdenin letzter Zeit
entwickelt.Einigevonihnensindheutekommerziellerhaltlich,unddavonhabensich
einige zu einem faktischen Standard im Computer-unterstutzten Reglerentwurf
entwickelt.
DieVorteilederheuteverfiigbarenProgrammpaketeliegenhauptsachlichindergros-
sen Vielfalt und Qualitat der unterstiitzten Algorithmen. Bei deren Entwicklung
wurdejedochdemEntwurfderBenutzerschnittstellewenigBeachtunggeschenkt.Die
Moglichkeiten dieserPaketeerschopften sichbisvor kurzem in alphanumerischen
BefehlseingabenundzweidimensionalenLiniengraphen.
NeusteEntwicklungenim BereichderComputertechnik haben dietechnischen Ein-
schrankungen fruhererSystemebeseitigt. Daten-und Softwarevisualisierunghat in
vielen GebietenEinzug gehalten, die graphische Benutzerschnittstellehat sich zur
BedienungvonComputerndurchgesetzt.
IndieserArbeitwerdendieMoglichkeitenderAnwendunggraphischerMethodenim
Bereich des rechnerunterstiitzten Reglerentwurfes untersucht. Mit zunehmender
GewichtungwerdendiefolgendenBereichediskutiert:
- Datenvisualisierung:MesswerteoderResultatevonAlgorithmen(z.B.Simulations-
resultate) werdenheutemeist in zweidimensionalen Graphen dargestellt. Durch
dieVerwendunghohererDimensionenkannjedochanfallendenDatensatzenmehr
Informationentnommenwerden. Dreidimensionale oderanimierte Darstellungen
sowiedieinteraktiveBeeinflussungvonAlgorithmenzurLaufzeitwerdenanhand
vonBeispielengezeigt.
- Graphische Programmierung: Die Verwendung von Blockdiagrammen zur
DarstellungderRelationen zwischen Teilsystemenisteine demRegelungstechni-
kervertrauteMethode. Die Ahnlichkeit dieserDiagramme zu graphischenPro-
grammiersprachen legt die Anwendung solcher Sprachen zum Entwurf von
regelungstechnischenAlgorithmenundReglerimplementationennahe.Verfugbare
UmgebungenzurgraphischenProgrammierungwerdenjeweilsmitBeispielenaus
derRegelungstechnikvorgestellt.
- Graphische BenutzerschnittstellefureinenintegralenEntwurfsprozess:Wieweiter
obengezeigt,liegtdasSchwergewichtbeidenheuteerhaltlichenSoftware-Paketen
aufderImplementationausgereifterAlgorithmen.WenigodergarkeineBeachtung
wird dabei der Unterstiitzung des gesamten Entwurfszyklus geschenkt. Das in
dieser Arbeit vorgestellte Programmpaket 'Leporello' visualisiert diesen
Entwurfsprozess.SamtlichezurLosungeinesProblemsverwendetenAlgorithmen
werdenzusammenmitdenAlgorithmusparameternunddenresultierendenDaten
gespeichertundim'ActionTree'(Arbeitsbaum)dargestellt.AnfallendeDatenwer¬
denjeweilsin regelungstechnischen Datenobjektenzusammengefasstund konsis-