estudo e implementação de operações em ponto fixo em fpga com vhdl 2008

136 Pages·2013·3.18 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E
INFORMÁTICA INDUSTRIAL

ALISSON ANTÔNIO DE OLIVEIRA

ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE OPERAÇÕES EM PONTO FIXO
EM FPGA COM VHDL 2008: APLICAÇÃO EM CONTROLE DE
SISTEMAS EM TEMPO DISCRETO

DISSERTAÇÃO

CURITIBA
2012
ALISSON ANTÔNIO DE OLIVEIRA

ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE OPERAÇÕES EM PONTO FIXO
EM FPGA COM VHDL 2008: APLICAÇÃO EM CONTROLE DE
SISTEMAS EM TEMPO DISCRETO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Elétrica e Informática
Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná
como requisito parcial para obtenção do grau de “Mestre
em Ciências” – Área de concentração: Engenharia de
Automação e Sistemas.

Orientação: Prof. Dr. Carlos Raimundo Erig Lima

CURITIBA
2012
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação

O48 Oliveira, Alisson Antônio de
Estudo e implementação de operações em ponto fixo em FPGA com VHDL 2008: aplicação
em controle de sistemas em tempo discreto / Alisson Antônio de Oliveira. – 2012.
137 f. : il. ; 30 cm

Orientador: Carlos Raimundo Erig Lima.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-
graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. Curitiba, 2012.
Bibliografia: f. 100-104.

1. Sistemas de controle digital. 2. VHDL (Linguagem descritiva de hardware). 3. Arranjos de
lógica programável em campo. 4. Cálculos numéricos. 5. Controle em tempo real. 6. Simulação
(Computadores). 7. Engenharia elétrica – Dissertações. I. Lima, Carlos Raimundo Erig, orient. II.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
e Informática Industrial. III. Título.

CDD (22. ed.) 621.3
A Folha de Aprovação assinada encontra-se na coordenação do programa
Dedico essa dissertação aos meus pais, que
me educaram e ensinaram os valores da vida;
aos meus irmãos que foram meus primeiros
amigos e nunca deixarão de ser; e a minha
querida esposa que soube compreender a
minha ausência durante essa etapa importante
da vida.
AGRADECIMENTOS

Agradeço a UTFPR pelo suporte desde a graduação até esse momento.
Agradeço ao professor Carlos Erig pelas piadas incentivadoras.
Aos colegas do laboratório de Inovações Tecnológicas (LIT) que encontrei
nesses anos e que me ajudaram em dúvidas técnicas.
Aos professores membros da banca, por aceitarem o convite e pelas
preciosas contribuições no meu trabalho.
Finalmente, agradeço a todos que de alguma forma, contribuíram direta ou
indiretamente nesse trabalho para que o mesmo pudesse ser concluído.
Não existe vento favorável para o marinheiro
que não sabe aonde ir. (Sêneca).

Como dizem os construtores, as pedras
maiores não ficariam bem assentadas sem as
menores. (Platão 428-348 A.C.).
RESUMO

OLIVEIRA, Alisson Antônio de. Estudo e implementação de operações em ponto
fixo em FPGA com VHDL 2008: aplicação em controle de sistemas em tempo
discreto. 137 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática
Industrial) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática
Industrial (CPGEI), Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Curitiba,
2012.

Existem máquinas que necessitam de uma grande velocidade de processamento
para seu correto trabalho, essas máquinas possuem um tempo de processamento
de resposta crítico. Quando considera-se este aspecto somado à necessidade de
um controle do comportamento estático e dinâmico de um sistema chega-se ao
controlador com fortes demandas de tempo de execução. Essa dissertação
compara controladores discretos implementados em ponto fixo, com diferentes
precisões, usando para tanto a simulação do comportamento de controladores
confeccionados em linguagem de comandos Matlab e em linguagem VHDL 2008.
Esta última está em desenvolvimento e padronização pelo IEEE. A linguagem VHDL
é usada nas FPGAs que são dispositivos de alta velocidade e capacidade de
processamento paralelo. O principal objetivo do trabalho é o estudo e a
implementação de controladores discretos em FPGA com o auxílio da linguagem
VHDL 2008, determinando suas virtudes e limitações, em particular quanto à
estrutura de programação, análise de erro e a demanda por recursos. Os resultados
alcançados demonstram que algumas melhorias ainda precisam ser feitas para que
o VHDL 4.0, conhecido como VHDL 2008, seja entregue ao mercado como padrão
estável. Entretanto, quando conhecidas suas limitações, já é possível seu uso em
implementações com conversão de sinais discretos para analógicos, como é o caso
de controle e simulação de sistemas dinâmicos como servomecanismos.

Palavras-chave: Controle digital. VHDL 2008. Cálculo numérico. Controle em tempo
real. Simulação em hardware reconfigurável.
ABSTRACT

OLIVEIRA, Alisson Antônio de. Study and implementation of operations in fixed
point with FPGA VHDL 2008: Application on discrete time control systems. 137
p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) –
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
(CPGEI), Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Curitiba, 2012.

There are machines that need large processing speed for its correct working, these
machines have a critical time response processing. When it is considered that aspect
coupled with the need for control of static and dynamic behavior of a system arrives
at the controller with strong demands on runtime. This dissertation compares discrete
controllers implemented in fixed point with different accuracies, using for both the
simulation of the behavior of controllers manufactured in Matlab command language
and VHDL 2008. VHDL 2008 still in development and standardization by the IEEE.
The VHDL language is used in FPGAs that are high speed devices with parallel
processing capability. The main objective of this work is the study and
implementation of discrete controllers in FPGA with the help of the VHDL 2008
language, determining its strengths and limitations, particularly in regard to the
structure of programming, error analysis and demand for resources. Results show
that accuracy still need some improvements a standard to the VHDL 4.0, known as
VHDL 2008, is delivered to the market a stable standard. However, knowing it
limitations, it is possible implementations and use in conversion of analog signals to
discrete, such as control and dynamic systems simulation like servomechanisms.

Keywords: Discrete control. VHDL 2008. Numerical calculation. Real-time control.
Simulation on reconfigurable hardware.
LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 – ESQUEMA BÁSICO DE CONTROLE DISCRETO .............................. 17
FIGURA 2 – EXEMPLOS DE REFERÊNCIAS USADAS EM CONTROLE .............. 21
FIGURA 3 – DIAGRAMA DE BLOCOS DO CONTROLADOR PID PARALELO ..... 25
FIGURA 4 – APRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS ERROS DE TRUNCAMENTO E
ARREDONDAMENTO. A) TRUNCAMENTO POR COMPLEMENTO
DE 1, B) TRUNCAMENTO POR COMPLEMENTO DE 2 E, C)
ARREDONDAMENTO. ........................................................................ 28
FIGURA 5 - APRESENTAÇÃO DOS BLOCOS LÓGICOS DAS FPGAS ................ 30
FIGURA 6 - BLOCOS BÁSICOS DE UM PROGRAMA E UM EXEMPLO EM
VHDL ................................................................................................... 32
FIGURA 7 - REPRESENTAÇÃO DE ERRO CRESCENTE DE FORMA LINEAR E
EXPONENCIAL ................................................................................... 40
FIGURA 8 – PROCESSO DE SOLUÇÃO DE PROBLEMAS NUMÉRICOS, PRÉ-
COMPUTAÇÃO (A), E NA ERA DA COMPUTAÇÃO (B) ................... 42
FIGURA 9 - REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DA PRECISÃO E DA EXATIDÃO
(PRECISION AND ACCURACY) ......................................................... 43
FIGURA 10 – CONVERSÃO DE DADOS AMOSTRADOS (A/D) ............................ 46
FIGURA 11 - PROPOSTA DE IMPLEMENTAÇÃO DE CONTROLADORES EM
HARDWARE DE PHILLIPS E NAGLE ................................................ 49
FIGURA 12 - REPRESENTAÇÃO DO PROJETO TOP-DOWN APPROACH ......... 52
FIGURA 13 - PROPOSTA DE IMPLEMENTAÇÃO PONTO FLUTUANTE DE
TANG ET AL (2011) ............................................................................ 53
FIGURA 14 - INTEGRAÇÃO ENTRE MATLAB/SIMULINK E FPGA DA
EMPRESA XILINX ............................................................................... 59
FIGURA 15 - RELAÇÃO ENTRE OS CICLOS DE CONTROLE E PRECISÃO DE
UMA MÁQUINA CNC ONDE O CONTROLE É FEITO VIA FPGA ..... 66
FIGURA 16 – APRESENTAÇÃO DAS ETAPAS PARA SIMULAÇÃO DO
COMPORTAMENTO DA PLANTA PARA UM CONTROLADOR
CONFECCIONADO EM PONTO FIXO E COM LIMITAÇÃO DE
CASAS DE PRECISÃO ....................................................................... 70
FIGURA 17 - DIAGRAMA DE SIMULAÇÃO NO PACOTE SIMULINK DO
SOFTWARE MATLAB PARA SIMULAÇÃO DE
CONTROLADORES COM VÁRIAS FAIXAS DE PRECISÃO ............. 72
FIGURA 18 – APRESENTAÇÃO DAS ETAPAS PARA SIMULAÇÃO DO
CONTROLADOR CONFECCIONADO EM PONTO FIXO E COM
LIMITAÇÃO DE CASAS DE PRECISÃO ............................................ 73
FIGURA 19 – EXEMPLO DE FUNÇÃO DE CONTROLADOR CRIADO COMO
SCRIPT PARA SIMULAR O COMPORTAMENTO DE UM
CONTROLADOR COM LIMITAÇÃO DE CASAS DECIMAIS DE
PRECISÃO........................................................................................... 73
FIGURA 20 – APRESENTAÇÃO DO COMPORTAMENTO DO CONTROLADOR
COM PONTO FIXO SOBRE UM SERVOMOTOR SOFRENDO COM
RUÍDOS NO SENSOR E COM UMA PERTURBAÇÃO (CARGA)
AOS 25 SEGUNDOS DE SIMULAÇÃO. FOI UTILIZADO
ARREDONDAMENTO 16:14 ............................................................... 76
FIGURA 21 – APRESENTAÇÃO DOS DADOS SIMULADOS EM MATLAB COM
A RESPOSTA ALCANÇADA COM O SIMULADOR MODELSIM
(VERSÃO ESTUDANTE). A) DOIS MODELOS COMPARADOS E;