sesion · 2012. 5. 25. · sistema dae (ecuaciones diferenciales algebraicas) reducción a sistema...

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Automática e Ingeniería de Control Sesion Sesion 11

Carlos F. NicolásAutomática e Ingeniería de Control

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Automática e Ingeniería de Control Sesión 1Sesión 1

ÍNDICEÍNDICE

1. 1. Prototipaje VirtualPrototipaje Virtual2. 2. Herramientas (1)Herramientas (1)3. 3. Herramientas (2)Herramientas (2)

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Automática e Ingeniería de Control

� Es un campo muy prometedor, de grandesimplicaciones económicas.

� Su evolución ligada al de los S.O. T.R., herramientas degeneración de código, etc.

� Básicas las plataformas de hardware para la ejecución.

� Aplicaciones prácticas en simuladores y mundo delautomóvil.

PrototipajePrototipaje Virtual (1/3) Virtual (1/3)

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� Metodología diseño convencional

BASE DE DATOSDE

COMPONENTESESPECIFICACIONESDEL PRODUCTOMECATRÓNICO

DISEÑOPRELIMINAR

ASPECTOESTÁTICO

(CATÁLOGO DECARACTERÍSTICAS)

PROTOTIPOFÍSICO

COMPONENTES

DISPOSITIVOFÍSICO

DISEÑO

Validación

DISEÑO

PROTOTIPOPRESERIE

INTEGRACIÓN

Optimización


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� Metodología de diseño con Prototipaje Virtual

BASE DE DATOSDE

COMPONENTES

ESPECIFICACIONESDEL PRODUCTOMECATRÓNICO

DISEÑOPRELIMINAR

ASPECTOESTÁTICO

(CATÁLOGO DECARACTERÍSTICAS)

PROTOTIPOFÍSICO

COMPONENTES

ASPECTODINÁMICO(MODELOS

INTERACTIVOS)

DISPOSITIVOFÍSICO

DISEÑO

Validación

DISEÑO

PROTOTIPOPRESERIE

INTEGRACIÓN

Optimización

PROTOTIPOVIRTUAL

DISEÑO

ValidaciónINTEGRACIÓN

Optimización

PROTOTIPORÁPIDO

SISTEMAHIL


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Carlos F. NicolásAutomática e Ingeniería de Controlg

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Automática e Ingeniería de Control Herramientas (1): Modelado InterdisciplinarHerramientas (1): Modelado Interdisciplinar

ÍNDICEÍNDICE

1. 1. Estado del ArteEstado del Arte2. 2. Integración Integración MultidisciplinarMultidisciplinar3. 3. Simulación TR y HIL: Estado del ArteSimulación TR y HIL: Estado del Arte4. 4. Proceso de Creación de ModelosProceso de Creación de Modelos5. 5. Evaluación de HerramientasEvaluación de Herramientas

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� Descripción del Estado del Arte del Modelado ySimulación

Estado del Arte (1/2)Estado del Arte (1/2)

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� Tendencias actuales:� Integración disciplinar�Aumento nivel de descripción�Comunicación entre paquetes�Generación de código�Simulación Tiempo Real

Estado del Arte (1/2)Estado del Arte (1/2)

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� Hacia estándares�C o FORTRAN a nivel algorítmico�ACSL y MATLAB estándares de hecho�NMF o VHDL-A a nivel matemático�Nada a nivel físico ni tecnológico

� Evolución del nivel tecnológico� Integración de niveles�Diagramas de bloques, Bond-Graph

� Paquetes de CAD�Pro/engineer---->Equations (EASY5, MATLAB, MATRIXx)�DADS ------>DADS/Plant (MATLAB, MATRIXx)

Integración Integración MultidisciplinarMultidisciplinar (1/2) (1/2)

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� Ejemplo: paquete SABER:�Especialmente dirigido a electrónica (más de 8000

modelos de componentes comerciales)�Varias tecnologías: eléctrica, mecánica, hidráulica,

magnética, …� 800 modelos ideales (32 componentes hidráulicos)

�Nivel Tecnológico

Integración Integración MultidisciplinarMultidisciplinar (2/2) (2/2)

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� Simulación TR:”generación de variables de salida de unsistema modelado de forma que no sólo dichos valoresrepresenten fielmente los valores del sistema real, sino quetambién los instantes temporales asociados a dichosvalores”.

� A partir de un cierto nivel de complejidad los sistemas nopueden simularse en TR dentro de unos límites de coste.

� Hoy en día en muchos campos:�Control predictivo basado en modelos�Simuladores interactivos�HIL

Simulación TR y HIL: Estado del arte (1/7)Simulación TR y HIL: Estado del arte (1/7)

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� Requerimientos de Hardware y software por la SimulaciónTR�Plataformas PC

�Sistemas Operativos TR� QNX� Windows NT+ RTX� Windows CE� RTLinux

�Entornos de modelado� Real-Time Windows Target para MATLAB/Simulink

�Aplicaciones� Simuladores de conducción� Simuladores de dinámica de vehículos� Simuladores de frenado


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� Requerimientos de Hardware y software por la SimulaciónTR�Plataformas basadas en DPS

�dSPACE�Xanalog�EAI�ADI

� Entornos estándares de modelado�MATLAB/Simulink�MATRIXx/SystemBuild


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� Requerimientos de Hardware y software por la SimulaciónTR�Calidad del código generado

�Integración de paso fijo�Métodos de integración de bajo coste computacional�Runge-Kutta predefinido�Cuidado con métodos iterativos�Límites en la dinámica modelada�Modelos híbridos (tratamiento de eventos)


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� Opciones para eldesarrollo desimulación TR

CompilerCustom HW

ANSI C

PortableModels

Target OrientedC Code

ANSI C

MachineCode

Code Handwriting

Manual EquationFormulation

SimulationInplementationEnvironment

ADI RTS

dSPACE

TopologicalModeling

Envirnoment

20-sim

Dymola

Generic Modeling andApplication Generation

Environment

MATRIXX/SystemBuild

MATLAB/Simulink

EASY5


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� Posibles configuraciones HIL

ACTUADORES

SIMULADO

SENSORESPROCESO

REAL

SIMULADO

REALREAL

SIMULADO

BYPASS DECONTROL

(HARDWARE,SOFTWARE)

CONTROL(HARDWARE,SOFTWARE)


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� Resumen�Requerimientos de hardware�Requerimientos de Sistema Operativos�Requerimientos de entornos de

modelado�Requerimientos de código


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1. El conocimiento sobre el sistema real debe ser estructurado,

identificando elementos o componentes

2. Representación del conocimiento en forma matemática

3. Debe lograrse una descripción ejecutable (simulación)

4. Generación de código máquina

Proceso de Creación de Modelos (1/3)Proceso de Creación de Modelos (1/3)

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1. Modelado descriptivo�En forma topológica si es posible�Modelado basado en objetos

2. Deducción de ecuaciones matemáticas�Sistema DAE (ecuaciones diferenciales algebraicas)�Reducción a sistema ODE (ecuaciones diferenciales

ordinarias) por manipulación simbólica�Bucles algebraicos deben ser resueltos (lineales y no-lineales)

3. Descripción ejecutables�Inclusión del algoritmos de integración (más ecuaciones)�Ecuaciones para tratamiento lógico de los eventos discretos

4. Generación de código máquina�Generación automática de código, compilación y linkado


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REAL SYSTEM

Object-Oriented Model

Original DAE System

Elimination of Trivial Equations

Sorted Equation System

Elimination of Linear Algebraic Loops

Tearing of Nonlinear Algebraic Loops Numerical Solution for Nonlinear Algebraic Loops

Separation into Independent Modules

Insertion of the Integration Algorithm

Insertion of the Discrete Event Model

Addition of the Event Treatment Algorithm

Insertion of the Integration Algorithm Automatic Code Generation

Compilation

Addition of the Simulation Engine

Differentiation of Constraint Equations

EXECUTABLE MODEL


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� EASY5�Entorno de modelado:

�Desde diagrama de bloques a modelos basados enobjetos�Modelos simbólicos y conexiones mediante puertos�Ordenado automática de ecuaciones

�Herramientas de álgebra matricial�Análisis y simulación de sistemas�Generación de código para simulación TR

�C o FORTRAN�Hardware destino: ADI Real-Time Station (AD RTS),dSPACE, Sun, hardware VME, etc.

�Muy completo pero caro

Evaluación de Herramientas (1/9)Evaluación de Herramientas (1/9)

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� EASY5


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� MATLAB/Simulink�Modelado por diagrama de bloques

�Bloques estándares de librerías�Funciones de MATLAB�Funciones de usuario en C

�Usuario debe ordenar ecuaciones estableciendo causalidad�Actualmente resolución bloques algebraicos en tiempo simulación�Ecuaciones ODE ó DAE�Herramienta para modelado de sistemas a eventos: StateFlow�Real Time Workshop (RTW) para generación automática código

�Sólo para modelos tipo ODE sin bucles algebraicos�Integración de paso fijo: Runge-Kutta explícitos�Código ANSI C, “Real Time Windows Target”, “xPC Target”�AD RTS, Pi Autosim, dSPACE, etc


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� MATLAB/Simulink


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� MATRIXx/SystemBuild�SystemBuild análogo a Simulink. Conclusiones análogas�AutoCode para generación de código�Generación automática de aplicación TR sobre PC (RealSim)


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� 20-SIM�Modelado de nivel físico -----

> tecnológico�Admite diagramas de

bloques y bloques de usuario�Generación código ANSI-C�Posible formato como S-

función de Simulink�Resuelve bloques

algebraicos


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� Dymola�Modelado orientado a objeto�Lenguajes Dymola y Modelica (hacia un estándar para el

modelado en sistemas continuos)�Basado en Bond-Graph�Generación automática de código (C)

�S-funciones de Simulink�Conexión con dSPACE

T1T2

T3T4

D1

D2

D3

D4

LDC

Bus

Network


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� Comparaciónherramientas desdecalidad del código�Dymola + Simulink +

RTW�20-SIM +Simulink +

RTW


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� Entornos de desarrollo para HIL�xPC Target (MATLAB)�RealSim (MATRIXx)�RT-LAB (OPAL-RT). Simulink.

QNX�Tornado (wind River Systems).

Simulink+RTW. VxWorks�Pi AutoSim (Pi Technology)�ADI RTS�dSPACE


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Automática e Ingeniería de Control Herramientas (2): RTOSHerramientas (2): RTOS

ÍNDICEÍNDICE

1. 1. IntroducciónIntroducción2. 2. ComparativaComparativa3. 3. BenchmarkBenchmark4. 4. ConclusionesConclusiones

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Automática e Ingeniería de Control RTOS - Introducción (1/7)RTOS - Introducción (1/7)

OBJETIVOOBJETIVO

MÉTODOLOGÍAMÉTODOLOGÍA

• Evaluar combinaciones de RTOS conplataformas HW para aplicaciones HIL:– Complejidad de realización: Generación

automática de código desde entornoMatlab/Simulink/RTW.

– Tiempo de ejecución, periodo de muestreomínimo y fiabilidad de tiempo real

• Comparación realizada sobre un modelode un sistema físico simulado en TR

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INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

• RTOS: Responde en tiempo predecible aeventos externos no predecibles

• Requerimientos:– Cada evento externo debe ser atendido

dentro de un intervalo de tiempo predefinido.(“meet deadlines”)

– Procesamiento simultáneo: Paralelismo en laatención a eventos (multiprocesamiento/multitarea)

• Clasificación: “Hard”/”Soft” real time

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• Hard Real Time:– Bajo ninguna circunstancia se acepta retraso

mayor que el preestablecido– Un evento es atendido después del deadline,

no resulta útil– Si se pierde un deadline, el resultado es

catastrófico– El coste de pérdida de un deadline es

infinitamente alto• Ej.: Aviónica, control de airbag

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• Soft Real Time:– Costes aumentan con los retrasos– Se aceptan rendimientos menores

• Ej.: Máquinas expendedoras, interfacesde red (sistema recuperable)

• Diferencia tipo hard y soft: requerimientosdel sistema:– Hard: no debe perder ningún deadline

– Soft: no aconsejable perder ningún deadline

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REALIZACIÓN TIEMPO REALREALIZACIÓN TIEMPO REAL

• HW:– Tiempo de respuesta corto– Adaptabilidad, reutilización

• SW - ISR:– Tiempo de respuesta, sencillez, flexibilidad– Dependiente HW, sólo sistemas simples

• SW - RTOS:– Aplicaciones complejas, programación por

tareas, flexibilidad– Tiempo de respuesta largo, dependiente SW

(S.O.),

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ASPECTOS RTOSASPECTOS RTOS

• Debe ser multitarea

• Prioridad de tareas, preemptible

• Herencia de prioridades

• Sincronización entre tareas

• Comportamiento predecible

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ASPECTOS RTOSASPECTOS RTOS

• Programador: equilibrar la carga de lastareas con la capacidad del sistema

• Consideraciones:– Latencia: Tiempo entre evento de interrupción y e inicio de

atención al mismo. Depende nº. interrupciones pendientes– Tiempo máximo para llamadas al sistema: predecible

e independiente del nº. de objetos en el sistema– Tiempo máximo de enmascaramiento de

interrupciones por SO y controladores de dispositivo– También deben conocerse: niveles interrupción en

controladores de dispositivo, tiempo máximo que consumen,etc.

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Automática e Ingeniería de Control RTOS - Comparativa (1/8)RTOS - Comparativa (1/8)

COMPARATIVACOMPARATIVA

• Windows NT (Microsoft)Pentium III a 450 MHz

• Windows NT+RTX (VenturCom)Pentium II a 266 MHz

• RMOS 3 (Siemens)Pentium II 200MHz

• RT Linux 2 (licencia GPL / GLU) Pentium III a 450 MHz

• dSPACEMotorola PowerPC 604e a 300Mhz

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Windows NTWindows NT

• Windows NT ha sido diseñado para ser un SO robusto de propósito general. Unacaracterística muy importante de NT es que es un sistema operativo multitarea,seguro y portable.

• Windows NT puede ser considerado como un sistema operativo de tiempo realtipo soft.

• Para conseguir periodos de muestreo pequeños y estables en Windows NT, esnecesario cambiar la prioridad de los procesos y tareas.

• La prioridad en Windows NT depende de dos parámetros: la clase de prioridaddel proceso y la prioridad de la tarea. Con estos dos parámetros se calcula elíndice de prioridad en el rango 1-31, siendo la tarea más prioritaria lacorrespondiente al índice 31.

• Se considera la combinación REALTIME PRIORITY CLASS y THREADPRIORITY TIME CRITICAL para obtener una tarea de máxima prioridad.

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Windows NT+RTXWindows NT+RTX

• RTX: Real-Time Extension (Venturcom)

• Convierte a Windows NT en un sistema fiable.

• Permite “hard” real time funcionando en paralelo conaplicaciones comunes de NT.

• Consigue que Windows maneje aplicaciones orientadas alcontrol.

• Mantiene las herramientas de desarrollo y depuraciónindustriales más utilizadas.

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APLICACIONES WIN32 APLICACIONES RTXUSANDO LA API DE RTX

RTX IPC API WIN32 DE RTX

SUBSYSTEM WIN32RTX

FUNCIONALIDADAÑADIDA

RTX(REAL TIME

SCHEDULER)

HAL DE WINDOWS NT ESTANDAR IRQ & TIMERS P.AZUL(SOLO NT)

RTOS - Comparativa (4/8)RTOS - Comparativa (4/8)


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WIN32 PROCESS

WINDOWS NT HAL RTX HAL EXTENSION

WINDOWS NT KERNEL AND DEVICE DRIVER

WIN32 SUBSYSTEM RTX-RTSS(REAL TIME SUBSYSTEM)

RTSS PROCESS OR RTDLL

W32_DLL

WIN32 PROCESS OR DLLW/ RTAPI CALLS

RTAPI_W32



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RMOSRMOS

• RMOS: Realtime Multitasking Operating System(Siemens)

• Núcleo real-time multitasking. Permite la creación detareas repetitivas ejecutables con periodos demuestreo de 1ms.

• Interfaces de lenguaje de alto nivel para C.• Librería ANSI C runtime• Expansión para Borland C++• Debugger de bajo nivel• Sistema de gestión de ficheros compatible con DOS.• Intérprete de línea de comandos• Interfaces RMOS3 ⇔ MS-DOS/Windows• Capacidad EPROM• Procesadores: 80386, 80486 y Pentium.

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RT RT LinuxLinux

• Coexiste en la misma máquina con el sistema detiempo compartido Linux

• 3 niveles:

– El nivel de usuario, donde se ejecutan todos los procesos deusuario, sin capacidad para ejecutar las instrucciones másprivilegiadas del procesador

– El nivel de núcleo (nivel privilegiado del procesador donde sepuede ejecutar todas sus instrucciones sin restricciones), alque conmutan los procesos de usuario cuando necesitandeterminados servicios que solo son accesibles por parte delnúcleo del sistema operativo

– El nivel de hardware, correspondiente al hardware específicoconectado al sistema

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Init Bash Emacs

RT-TaskRT-Task

HARDWARE

Linux S.O.

Drivers

System Calls POSIX

RealTimeLinux

Scheduler

I/O

I/OInt Int


RT RT LinuxLinux

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u

y

Pr PrPs

q1 q2

RTOS - RTOS - BenchmarkBenchmark (1/4) (1/4)

SISTEMA SIMULADOSISTEMA SIMULADO

• Circuito: Servoválvula proporcional de caudal y uncilindro hidráulico de doble efecto.

• Consigna de posición del vástago del cilindro, y uncontrolador PID calcula la tensión a aplicar a laservoválvula. y

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modelo Simulink(modelo.mdl)

modelo.rtw(información del modelo)

aplicación de tiempo real

tlc: Target LanguageCompiler

tmf: Template Make File

CODIGO DEL MODELO:modelo.cmodelo.h

modelo_export.hmodelo.regmodelo.prm

FUNCIONES ADICIONALES:

� grt_main.c (función principalde la aplicación)

� rt_sim.c (planificador de lasimulación)

� ode4.c (algoritmo deintegración)

� rtwlog.c (almacenamiento dedatos)

� simstruc.h (declaración de laestructura de datos delmodelomodelo.mk


MODELADOMODELADO

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Automática e Ingeniería de Control RTOS - RTOS - BenchmarkBenchmark (3/4) (3/4)

MATLABSIMULINK

REAL TIME WORKSHOP (RTW)

CdSPACEOtros

DS1103Pentium

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Sistema Operativo/ Entorno

Periodo demuestreo

Tiempo deactualización

DS1103 16 µs

Windows NT 1 ms 95 µs

Windows NT+RTX 400 µs 65 µs

RMOS 1 ms 160 µs

RTLINUX 25 µs 8.5 µs


RESULTADOSRESULTADOS

Ap

lic

ac

ion

es I

nd

ustr

iale

s d

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a R

ea

lid

ad

Vir

tua

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Automática e Ingeniería de Control RTOS Conclusiones (1/2)RTOS Conclusiones (1/2)

CONCLUSIONESCONCLUSIONES• WinNT:– Disponibilidad de herramientas

(creación/depuración)– Respuesta > 1 ms

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

• RT Linux:– Buena respuesta– Disponibilidad de drivers para DAQ– Entorno “espartano”– Restricciones ANSI-C desde Kernel (periféricos)

• WinNT+RTX:– Buena respuesta– Mismo entorno que WinNT– Disponibilidad de drivers para DAQ

Ap

lic

ac

ion

es I

nd

ustr

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Vir

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Automática e Ingeniería de Control RTOS Conclusiones (2/2)RTOS Conclusiones (2/2)

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

• dSPACE:– Creación automática de las aplicaciones desde

entorno SimuLink– Resto de los casos: entornos amigables– Coste

• RMOS:– Entorno de desarrollo “espartano”– Respuesta > 1 ms– Drivers para módulos Siemens

sesion · 2012. 5. 25. · sistema dae (ecuaciones diferenciales algebraicas) reducción a sistema...

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