KY YEU HTTQ CO HOC VA KHI CU BAY CO DK pdf
Trang 1_ _SUDUNG NGƠNNGỮMƠ HÌNH HOÁ HỢP NHẤT TRONG THỜI GIAN THỰC VA AUTOMATE LAI bf THIET KE CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN is em - CANH LAI MAY BAY MOT CÁCH TIẾP CẬN
Px 'TS Lê Quang, TS Ngô Văn Hiền, GS TSKH Vũ Duy Quang, Trường ĐHBK Hà Nội
TS Hồ Tường Vinh, Viện Tín học Pháp ngữ
Tôm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi giới diệu mộ mô hình thtkễ tổng quan dựa
` stacking rete adi, cing, giao thire vi cdc lip thie thé: né
ding tt itn pa th ib hôn tbe Wid ci i my by ni mc ch {de dink 16 chic vi thi hank mt cdch nhanh ching ede déi tượng điều kiện của hệ thng cày Mô hình này cũng cho pháp cúc hệ thông điều khiến cảnh lải mấy boy được sử đụng li rong pla thi kế ứng dụng mới Chúng ti gi thiệu từng bước các lợp tác đổi tượng: của hệ thông điều khiến cánh ái máy bay được mơ hình hố bot automate li; xa dink cc sôi điễu khiển chính, các công và giao thức truyền đạt cùng với các mỗi iên hệ động và {nh cia ching: {nic tinh cia cde gối điều khi, cóc gói con, cổng, giao thức của hệ thing nay Cau trúc diéu ndy cho pháp hợp nhất chúng Tép theo, ching 16i dia ra ede edu
xiên kết nỗi toàn bộ đăng để thực hiện sự truyễn đạt giữ cóc gói và gồi con của chúng cũng được giới thiệu trong bài báo này Từ khoá: Hệ thắn điễu kiến cảnh lãi máy by, ngón ngữ mổ hình hoá hợp nhất
trong thời gian thực, sự hợp tác đối tượng, automate lai, gỏi, cổng và giao thức
1.Giới thiệu
"Những hệ thống điều khiển nói chung của các máy công nghiệp hiện tại thường gắn liền
với các mô hình cùng với các sự kiện rời rạc và các mô hình ứng xử liên tục; chúng được gọi là hệ thống động lực lai (HDS - Hybrid Dynamic Systems) Những mô hình ứng xử đó được
phân phối trên các chế độ hoạt động khác nhau; nó được kết hợp với các quá trình xử lý có
liên quan tới sự ảnh hưởng của người sử dụng, như là: người thiết kế, người theo dõi, người bảo trì v.v Ví dụ: hệ thống điều khiển cánh lái máy bay (ACS - Aerofoil Control Systems) là
vì nó có các chế độ hoạt động chính khác nhau, như là: "cát cánh”, “hạ cánh”, "bay
yay liệng” v.v Những chế độ hoạt động đó có liên quan tới các thuật toán
thực hiện khác nhau Ngồi ra, ACS ln ln không có cùng ứng xử; bởi vì nó được kết hợp với các giả thuyết hợp lệ để kiểm các chức năng trong mọi thời gian Yêu cầu an toàn bất buộc phải được xem xét một cách chỉ tiết và đưa ra các sự kiện và ứng xử khác nhau theo
từng tình huống sử dụng Vì vậy, ứng xử của các hệ thống như thế là rất phức tạp Trong bài
báo này, chúng tôi coi ACS là hệ thông động lực lai; mơ hình tốn học của nó được thể hiện ‘qua automate lai
Để chọn ngôn ngữ nhằm mục đích bao phủ toàn bộ pha thiết kể, chúng tôi thấy rằng
ngơn ngữ mơ hình hố hợp nhất (UML - Unified Modeling Language) [1], [9] đã được chuẳn hoá và ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp phần mềm Tuy nhiên, những ký hiệu và cú pháp của UML chưa đủ đề mô tả một cách chính xác các kiểu truyền đạt giữa các đối
tượng của hệ thống điều khiển công nghiệp Chính vì th, chúng tôi đã chọn phiên bản UML
trong thời gian thyc (Real-Time UML) [10], [11] để thực hiện pha thiết kế hệ thông Phiên
‘bin nay bao gồm các khái như là: gói, cổng và giao thức mà chúng cập nhật để chỉ
ra tổ hợp các gói cùng với các ứng xử chính xác của chúng dành cho việc thi hành các hệ khiến công nghiệp
Bài báo này được trình bày theo các phan chinh sau:
~ Phần II giới thiệu việc sử dụng automate lai;
~ Phần III mô tả phiên bản UML trong thời gian thực;
~ Phần IV đưa ra các hợp tác đối tượng của một ACS;
Trang 2
~ Phần V chỉ ra sự thi hành các hợp tác đối tượng đó qua việc sử dụng các cú pháp “Gói
Cổng va Giao thức”
“Cuối cùng, chúng tôi đề xuắt ngữ cảnh để phát triển một ứng dụng ACS cụ thể qua việc
sử dụng UML thời gian thực và automate lai
1L Cập nhật automate lai đối với ACS
“Một automate lai [4] được định nghĩa bởi các dữ liệu sau # =(Ø,X,E.„4,i ,F.4; ở đây:
~ @ , là tổ hợp các trạng thái dùng để mô tả các chế độ hoạt động hay còn được gọi là các vị trí của hệ thống; qo là vị trí ban đầu
+X , đặc trưng cho không gian trạng thái liên tục của automate, X c 9 * ; Xọ là giá trị 'ban đầu của không gian này
~E , là tổ hợp hữu hạn các sự kiện của automate
~ 4 , là tổ hợp các dịch chuyển vị trí, nó cho phép hệ thống có thể chuyển đổi các chế độ
hoạt động khi cần thiết
~ Imy „ là một ứng dụng cho phép kết hợp một tổ hợp con của không gian trạng thái tới
từng vị trí của hệ thống; nó được gọi là đại lượng bắt biến của vị tri, mà ở đó trạng thái liền tục ‘bat buộc phải tồn tại Khi vị trí là q, thi trang thái liên tục phải kiểm tra xe ứm (4)
~£ „ được định nghĩa cho từng vị trí; sự tiến triển của trạng thái liên tục được xảy ra khi có một vị trí nào đó là chủ động Việc mô tả trạng thái liên tục này thường được biểu diễn bởi
phương trình vi phân; nó sẽ được gọi là "dòng" liên ụe E
TT hs ite ied ién (SFC - Sequential Function
Charts) để mơ hình hố hệ thống, động: nhưng để mơ hình hố các hệ thống điều
Ti gian mn sir dung automate Iai boi vi:
~ Chỉ có duy nhất một ứng xử iên tục tại thời điểm đã cho trong automate lai,
~ Automate lai có đại lượng bắt biến dùng để kiểm tra các giả thuyết hợp lệ trên một trạng thái liên tục xác định,
- Automate lai bắt nguồn từ automate ; nó cũng được dùng để mơ hình hố các ứng xử
động của các phần mềm tương tác tổng quan,
~ Có những công cụ [5] dùng để kiểm chứng automate lai trong pha phân tích hệ thống
Để mô tả các hệ thống điều khiển công nghiệp (ví dụ : ACS) với automate lai và thực hiện qua trinh tiễn tiên của nó, chúng tôi đã giới thiệu những qui tắc và điều kiện rằng buộc; nó có
thể được thấy rõ trong [6]
IIL Sử dụng gói, cổng, giao thức
‘Mot g6i (capsule) [11] được định nghĩa như là một lớp (class) có kèm theo kiểu mới xông là gói «capsule» [10] Các gói có rất nhiều đặc tính giống như là các các lớp trong công nghệ hướng đối tượng [1], [9] ví dụ : các thuộc tính, các thủ tục và máy trạng thái Tuy nhiên,
gói có thêm một vài đặc tính đặc biệt như là : cổng, giao thức và kết nồi; chúng dùng để mé
hình hoá các mối liên hệ và ứng xử truyền đạt giữa các đối tượng trong hệ thơng Ngồi ra, một gối luôn luôn ở trạng thái chủ động; nó có thể chứa các gói con (sub-caspules) và các lớp bị động (passive classes) [2]
Trang 3*
© Céng (ports) 1a cfc Abi tong; né được sử TT ng
cy thé Cổng được tạo ra và mắt đi khi gói chứa chúng được tạo ra hoặc mắt
chỉ rõ các thông có thể được gửi hoặc nhận từ một cổng, thi cổng 46 ee eee eee 5 inh ( đa ra một ví dụ tổng quan vỀ gỗ, gối con, ông và giao tte qua việc sử đụng ` đồ lớp sub, ›suleRol eer <<Port>> => ane
chế dc “einpk signels&eid) Timing J# "—— se TA SeAbues _
+#inpd.everls (VOf) yu„ayp„„.,_ *Oporaliom)
HE PO eee HỆ) „m0 me ve
Hình 1 Gói, công và giao thức
TV Các hợp tác đối tượng của ACS
Từ cách tiếp cận được mô tả trong [12], chúng tôi đưa ra ở đây 5 hợp tác đối tượng sau:
phần liên tục (continuous part), phần rời rạc (discrete part) ứng xử liên tục toàn bộ tức thời
(IGCB - Instantaneous Global Continuous Behavior), giao dién trong (internal interface) va giao diện ngoai (external interface); né dùng để thực hiện pha phân tích hướng đổi tượng của
một ACS Các hợp tác đối tượng này được mô tả trong hình 2; nó được xác định theo cơ chế ảo của các linh kiện trong công nghệ phần mềm hướng đối tượng như là : đối tượng, lớp tính “ kế thừa, tính đa hình, tính đóng gói, tính mơ đuyn hố v.v
Ta nŸỶaree "ng Intra intacearat trace
comp Penny Eemne sầ mm Tu À ve «Ä ve
‘Objects: Objects | ‘Objects | | Objects Objects Objects
dep.» — <<mhpeD> sea ere <xtfee pu>>
‘Objects ‘Objects Objects ‘Objects
Trang 4
TE,1 Hợp tác đắt trợng của phần rời rec
'Hợp tác đối tượng của phẩn rời rạc (DPC - Discrete Part’s Collaboration) [7] bao him
tổ hợp các vị tí Q (ví dụ, các chế độ hoạt động chính khác nhau của một ACS: “cất cánh",
“hạ cánh”, “bay bằng”, “bố nhào”, “bay liệng” v.v ), và tổ hợp các địch chuyển của automate
lai Mỗi vị trí sẽ được kết hợp với một IGCB cụ thể
1V.2 Hợp tác đắi tượng của phần liên tục
Hợp tác đối tượng của phần liên tục (CPC - Continuous Part's Collaboration) [7] bao
sồm các lớp thực thể; nó dùng để lưu trữ và xử lý các hoạt động truyền đạt thông tin của
ACS Miu ding bộ hoá [2] đã được chi ra trong CPC; nó dùng để làm đồng bộ hoá quá trình
tiến triển của các phần tử liên tục qua việc sử dụng các lớp: #endezVous và Semaphore [T],
(8)
1V.3 Hợp tác đối trợng của IGCB
Hợp tác đối tượng IGCB (JC - IGCBˆs Collaboration) [7] chứa các lớp thực thể; nó mô tả ứng xử liền tục toàn bộ tức thời (*đòng” liên tục F trong automate lai của ACS đang phát
triển) Mỗi “dòng” liên tục được kết hợp một vị trí cụ thể g, của hệ thống Chỉ cỏ duy nhất một IGCB cy thé tại một thời điểm đã cho, có nghĩa la: chỉ có một lớp thực thực thể được chủ
động tại một thời điểm đã cho trong hợp tác đối tượng của IGCB Chúng ta có thể xây dựng một lớp trừu tượng trong hợp tác này; nó nhằm mục đích giảm việc khai báo các thuộc tính và chức năng của các lớp tham gia
1:4 Hợp tác đồi tượng của giao diện trong
Hợp tác đối tượng của giao diện trong (IIC - Internal Interface’s Collaboration) [7] là
trung gian giữa CPC và DPC ; nó có thể kiêm tra đại lượng bắt biến ¿my của automate lai và
phat sinh ra các sự kiện bên trong Tiếp theo, DPC có thể xứ lý các sự kiện này nhằm myc
địch đưa ra một chế độ hoạt động (IGCB) cụ thể của hệ thống 1V.5 Hợp tác đỗi tượng của giao điện bên ngoài
Hợp tác đổi tượng của giao điện bên ngoài (EIC - External Interface's Collaboration)
[Ị là trung gian giữa hệ thống được phát triển với các hệ thống can thiệp Nó dùng để gửi
hoặc nhận các tín hiệu có chu kỷ, các sự kiện không có chu kỷ giữa hệ thông được phát triển
và các hệ thống can thiệp Các kết quả điều khiến, việc đặt thông số làm việếv.v có thể được hiện thị qua việc sử dụng mẫu thiết ké MVC (Model - View - Controller) Ở đây, chúng tôi không đi sâu vào MVC; bởi vi, mẫu này đã được phát
thông [3]
'V Hợp tác gói của ACS
Để thực hiện pha thi hành và triển khai một cách hồn chỉnh các hệ thơng điều khiển công nghiệp nói chung, chúng tôi thấy rằng việc chuyển đổi trực tiếp từ các hợp tác đối tượng
sang môi trường thực thỉ cần phải thêm một số nhân tố, Ví dụ, các hợp tác đối tượng của
hệ thống điều khiển không thích ứng tốt để trực quan hố và mơ hình hoá các kiểu xuyên
nỗi giữa các đối tượng hay là giữa các hệ thống con Trong pha thiết kế chỉ tết ACS, chúng tôi biển đổi các hợp tác đối tượng đã được xác định ở trên trờ thành hợp tác gồi; nó cho phép thì hành và sử dụng lại ACS một cách toàn bộ các gói tông quan trong những ứng dụng khác nhau
'Đo vậy, chúng tôi đưa ra ở đây Š gói chính (hình 3): gói của phần liên tye (continuous
part's capsule), gói của phẩn rời rạc (discrete part's capsule), gói của giao điện trong (internal
interface’s capsule), goi của giao diện ngodi (external interface’s capsule) và gồi của IGCB (Instantaneous Global Continuous Behavior - IGCB’s capsule); né tham gia vào việc thực hiện automate lai ciia ACS Sự kết nối đẻ thực hiện việc truyễn đạt các thông điệp giữa các
Trang 5eco thi hanh qua céc cing và giao thức của chúng; hình 3 giới thiệu sơ đồ cầu trúc hình 3 giới thiệu sơ đồ ú Tr +/Signels sELProtoco) +/P Element CP-Proacol
Hình 3 Sơ đồ cấu trúc truyền đạt giữa các gói chính của ACS
'Do giới hạn số trang của bài báo, chúng tôi không nêu chỉ tiết ở đây các cấu trúc tỉnh và
‘tng xử động của các gói chính cũng như là các mẫu truyền đạt giữa chúng; các kết quả chỉ tiết eó thể được tìm thấy trong [7]
'VI Đề xuất ngữ cảnh để phát triển một ứng dung ACS:
'Trên thực tế, chúng tơi đã sử dụng và cụ thể hố phiên bản UML trong thời gian thực và
‘automate lai dé thực hiện một cách hoàn chỉnh các pha phân tích, thiết kế, thì hành và triển khai
các HDS công nghiệp [7], [13] Vi dụ, hệ thống điều khiển camera quét (SCCS - Sweeping Cameras Control System) [7], [14]; nó là một phản của thiết bị theo dõi người trên cầu thang
cuốn qua vedio Chính vì thế, chúng tôi cho răng cách tiếp cận được mô tả ở trên có thể được áp
dụng đễ phát triển một ứng dụng ACS cụ thể: nó nhằm mục đích xác định, tổ chức và thi hành “một cách nhanh chóng các đối tượng điều khién của hệ thống này
VI Kết luận
Chúng tôi đã đưa ra một mô hình thiết kế tổng quan của hệ thống điều khiển cánh lái máy bay (ACS - Aerofoil Control Systems); nd c6 thổ cho phép ác định, cấu trúc ‘hod, thi hành và thực hiện một cách nhanh chóng các đối tượng điều khiển chủ động của hệ thống nay Chúng tôi đã trình bày những điểm quan trọng sau:
~ Cập nhật mô hình automate lai đối với các ACS như là các hệ thống động lực lai (HDS~
Hybrid Dynamic Systems);
Trang 6~ Xée dinh các gói chính của ACS và mẫu truyền đạt giữa các gói đó, nhằm mục đích thực
‘thi automate lai của chúng
“Trong thời gian tới,, TH HA
sẽ được thực hiện trên một máy tính đơn hoặc
VIL Loi cam on
Bài báo này được hoàn thành với sự hd trg ti chinh cia : “Council for Natural Science of Vietnam” và “AUF's Post-doctorate program” tai HUT, IFI Hano (Vietnam) va CESTI Toulon (France)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] BOOCH, G., RUMBAUGH J., JACOBSON L (1999) The Uni/ied Modeling Language User Guide, Addison Wesley
[2] DOUGLASS B-P., (1998) Real - Time UML: Developing Efficient Objects for Embedded Systems, Addison Wesley
[3] GAMMA E., HELM R., JOHNSON R., VLISSIDES J, (1996) Design Patterns
Catalogue de modéles de conception rétilisables, Thomson
[4] HENZINGER T-A., KOPKE P-W., PURI A., VARAIYA P., (1995) “What's decidable
about Hybrid Automata?” 27" Annual ACM Symp On Theory and Computing
[5] HENZINGER T-A., HO (1995) "HyTech: the Cornel Hybrid Technology tool”, Hybrid System Il, Andsaklis P Kohn W., Nerode A., Sastry S (dir.), Springer-Verlag, "LNCS 999, 1995
[6] HIEN N-V., SORIANO T., (2001) « Jmplementing Hybrid Automata for Developing Industrial Control Systems » 8° IEEE - ETFA, Nice, France
[7] HIEN N-V., (2001) Une Méthode Industrielle de Conception de Commande par Automate Hybride Développée en Objets., These de Doctorat, N° attribué par la
bibliothèque L0 LL LA LLLX 13 |01018 121, CESTI Toulon, Univertsité Marseille II (8] HIEN N-V VINH H-T SORIANO T (2005) “A General Design Model of Industrial
Control Systems Using Real-Time UML", 3 Intemational Conference on Computer Science: RIVF, Cantho, Vietnam
[9] MULLER P-A (2000), Modélisation objet avec UML, Eyrolles
[10] RATIONAL Software, (2004) Rational rose RealTime online documentation, Rational ‘Software Co., www.rational,com
[11] SELIC B., RUMBAUGH 4,, (1998) «Using UML for modeling complex Real-Time systems, a white paper, www rational.com
Trang 7© 12).SORIANO T., HIEN N-V., (1999) « Using Objects Collaboration to Model the Control
of an Industrial System » 7 YEEE - ETPA, Barcelona, Spain
(I3) SORIANO T.„ HIEN N-V„ (2002) « An electro-hydraulic station controller retro-
designed with UML Capsules » 8 IEEE ~ISIE, L'Aquila, Italia
(14) SORIANO T., SGHAIER A., HIEN N-V., (2004) « Mechatronics Design From an Object Oriented Point of View », WSEAS Transactions on Communications,
httpz/avere.wseas.org , Issue 1 , Volume 3, pp 282-287, ISSN 1109-2742
USING REAL - TIME UML AND HYBRID AUTOMATA FOR DESIGNING AEROFOIL CONTROL SYSTEMS: AN APPROACH
‘Le Quang, Ngo Vin Hien, Vu Duy Quang, Ho Tuong Vinh
Abstract In this paper we presenta general design model, whichis based om hybrid ‘automata, object collaborations, capsules, ports, protocols and entity clases to carry out the design phase of an aerofoilcomrel implement contol abjecs of this system This model also support o allow aerofll contol sytem in order o quickly identify organize and ‘stems 10 be re-used in the new application design phase We introduce step-by-step the object collaborations of an aerfell control system modeled by hybrid cutomata, the idenification of main control capsules, ther pots and communication protocols, with their static and dynamic links, which unify them Then, we advance all generic static structures f conrol capsles,sub-capsules, their ports and protocols ofthis system The global Imerconnecion structure for communicating between these copsles and ther sub-eapsules ‘sala indicated inthis paper