Mô tả Automate lai trong HDS 37

Automate lai [10] là những mô hình đặc biệt được sử dụng cách rộng rãi để

mô hình hóa ứng xử của hệ thống động lực lai (HDS). Một HDS phối hợp với các mẫu chuyển đổi rời rạc với các ứng xử liên tục. Trong luận văn này, chúng tôi xem xét các hệ thống điều khiển công nghiệp đó là các HDS. Vì vậy, hệ thống này có thể được mô hình bởi Automate lai (được giới thiệu trong chương 2, mục 2.1.1).

Để mô tả một hệ thống điều khiển với Automate lai, chúng tôi áp dụng các

38

- Các sự kiện σ được xem như là sự kiện của đầu vào/đầu ra của hệ thống,

- X bao gồm tính hiệu đầu vào/đầu ra,

- Dòng liên tục toàn cục F xuất phát từ sơ đồ khối chức năng mở rộng. Hình 3.1

đưa ra hoạt động chuyển đổi của hệ thống này với các sự kiện đến từ bên ngoài. Mỗi một hộp chức năng có thể có một hoặc nhiều hơn các ứng xử liên tục được hoạt hóa bởi các sự kiện.

Hình 3.1 Ví dụ về một sơđồ chức năng mở rộng Trong đó:

- E, S: tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống điều khiển phát triển,

- Vei, Vsi: đại lượng biến thiên vào và ra, đại lượng này sẽ tương ứng với hộp chức năng thứ i,

- Box 1, Box 2, Box 3: Các khối chức năng của hệ thống. 3.1.2Các giải thuyết thực thi Automate lai với HDS

Chúng tôi áp dụng cho những quy luật được đưa ra dưới đây [16], [18], do đó những đại lượng bất biến và điều khiển guard có thể sinh ra các dữ kiện bên trong:

- Nếu xqinv(q) và Guard(a) = True, aA, thì có một sự kiện bên trong sinh ra; hệ thống thay đổi trạng thái của nó từ q tới q’ được mô tả bởi máy trạng thái của hệ thống, với giá trị ban đầu Jumpq’, được xác định bởi dòng liên tục cụ thể Fq’; tiến trình này được thực hiện bởi máy trạng thái của ứng dụng cụ thể,

- Nếu xqinv(q) và Guard(a) = True, aA, thì hệ thống sẽ giữ nguyên trạng thái hiện trạng q,

- Nếu xqinv(q) và Guard(a) = False, aA, thì hệ thống sẽ giữ nguyên trạng thái hiện trạng q,

39

- Nếu xqinv(q) và Guard(a) = False, aA, thì có sự kiện bên trong được phát sinh; hệ thống thay đổi tới trạng thái q” được gọi là trạng thái mặc định không thuận nghịch, tiến trình này được thực hiện bởi máy trạng thái của gói phần rời rạc.

3.1.3 Đặc tả chu trình lặp thực thi HDS công nghiệp 3.1.3.1 Lựa chọn ngôn ngữ UML và Real time UML 3.1.3.1 Lựa chọn ngôn ngữ UML và Real time UML

Để lựa chọn ngôn ngữ nhằm đánh giá toàn bộ từ sự phân tích tới thiết kế, mô phỏng và thực thi HDS công nghiệp, chúng có thể sử dụng ngôn ngữ UML. Tuy nhiên các ký hiệu mô hình hóa của UML không đủ để mô tả cách chính xác kiểu tương tác giữa các đối tượng của hệ thống điều khiển. Vì lý do này, chúng tôi chọn Real-Time UML (được đặc tả trong chương 2, mục 2); phiên bản bao gồm các ký hiệu mô hình như là: các gói, cổng và giao thức, để đặc tả mô hình phân tích thiết kế cho hệ thống điều khiển công nghiệp với Automate.

3.1.3.2 Chu trình phát triển lặp

Cách tiếp cận của chúng tôi dựa trên chu trình lặp Hình 3.2; chu trình này bao gồm các giai đoạn như là: phân tích, thiết kế, tính thực thi, kiểm tra và sản phẩm của mẫu ban đầu thực thi được [5], [6].

40

Các đặc tả chi tiết của chu trình lặp được mô tả trong [1], [6]. Một số các tùy biến của chu trình lặp này để phát triển HDS công nghiệp được đặc tả chi tiết bởi [25].

3.2 Phân tích hệ thống động lực lai công nghiệp

3.2.1Nhận biết các trường hợp sử dụng

Một mô hình trường hợp sử dụng đưa ra một tập hợp các tác nhân (Actors) và các trường hợp sử dụng với các mối quan hệ giữa chúng. Tác nhân là một sự mô tả

của một tập hợp nhất quán các vai trò mà một người sử dụng hoặc hệ thống tham gia khi nó tương tác với hệ thống phát triển. Trường hợp sử dụng thể hiện một tập hợp các hàm hoặc các ứng xửđược cung cấp bởi một hệ thống phát triển cho các tác nhân với các mối quan hệ: bao hàm (Inclusion), mở rộng (Extension), tổng quát (Generalization) [1], [5]. Một quan hệ bao hàm giữa các trường hợp sử dụng, nghĩa là trường hợp sử dụng cơ sở kết hợp ứng xử của trường hợp sử dụng khác một cách rõ ràng tại vị trí được định rõ trong cơ sở. Một quan hệ mở rộng giữa các trường hợp sử dụng, nghĩa là các trường hợp sử dụng cơ sở kết hợp ứng xử của trường hợp sử

dụng khác một cách hoàn toàn tại vị trí được chỉ rõ gián tiếp bởi trường hợp sử dụng mở rộng. Một quan hệ tổng quát giữa các trường hợp sử dụng nghĩa là trường hợp sử

dụng nguồn kế thừa ứng xử của trường hợp sử dụng đến. Ứng xử động của các trường hợp sử dụng được mô tả bởi sơđồ diễn tiến [1]. Ví dụ về mô hình trường hợp sử dụng được thể hiện Hình 3.3.

Hình 3.3 Ví dụ về mô hình trường hợp sử dụng (A) và sơ đồ diễn tiến (B) A

41

Giai đoạn xây dựng mô hình trường hợp sử dụng của HDS công nghiệp theo các bước sau:

- Xác định các trường hợp sử dụng và các tác nhân liên kết của hệ thống phát triển Hình 3.3A. Sau đó chúng ta chi tiết các trường hợp sử dụng với các quan hệ sau: tổng quát, bao hàm và mở rộng,

- Xác định các ứng xử phức tạp của hệ thống bởi các sơ đồ diễn tiến cho mỗi trường hợp sử dụng đã được xác định theo Hình 3.3B. Những sơ đồ diễn tiến này

được tìm thấy từ sự kết nối giữa hệ thống phát triển và các hệ thống tương tác khác. Trong bước này chúng ta cần đưa ra điều kiện ràng buộc cho HDS công nghiệp nhằm

đảm bảo sự hoạt động chính xác và an toàn của hệ thống,

- Xác định các máy trạng thái của hệ thống phát triển tương ứng với sơđồ diễn tiến đã xác định. Các trạng máy này được suy ra từứng xử của hệ thống phát triển trong trường hợp sử dụng đã xác định với các sự kiện hoặc thông điệp từ các tác nhân. Hình 3.4 là ví dụ minh họa một máy trạng thái tổng quan thể hiện ứng xử của hệ thống phát triển.

Hình 3.4 Máy trạng thái tương ứng với sơđồ diễn tiến trong Hình 3.3B

- Phân loại các trường hợp sử dụng xác định trong hai trường hợp sau:

- Các trường hợp sử dụng được định hướng theo các sơ đồ mẫu hoạt

động điều khiển.

- Các trường hợp sử dụng được định hướng theo thông tin truyền thông chuyên biệt.

3.2.2Xác định máy trạng thái toàn cục

Máy trạng thái cục bộ đã xác định được ở trên tạo thành một máy trạng thái toàn cục; nó cho phép thể hiện ứng xử động toàn cục của hệ thống phát triển. Máy trạng thái này là hệ quả tương tác giữa các trường hợp sử dụng đã xác định. Các sự

42

máy trạng thái cục bộ, và được xác định bởi thông điệp đầu tiên trong sơ đồ diễn tiến tương ứng. Các dịch chuyển trạng thái giữa các máy trạng thái cục bộđược xác định bởi các mối quan hệ giữa các trường hợp sử dụng.

3.2.3Xác định sơđồ khối chức năng mở rộng

Các dấu hiệu để xác định sơđồ khối chức năng mở rộng dựa trên các điểm sau:

- Các sự kiện được xác định bởi các thông điệp mà xuất phát từ các tác nhân

đã được xác định và máy trạng thái toàn cục,

- Các hộp chức năng mở rộng được đưa vào từ các tác nhân của hệ thống phát triển,

- Hộp chức năng điều khiển thuộc về hệ thống phát triển thi hành các ứng xử được mô tả trong máy trạng thái toàn cục. Những hộp này cũng đưa ra các

đặc trưng điều khiển của hệ thống phát triển,

- Từ những đặc tính của các hộp chức năng, chúng ta xây dựng nên sơ đồ khối chuyển đổi, mỗi một hộp chức năng có ít nhất một chức năng chuyển đổi (ví dụ như là hàm truyền đạt). Nó sẽ tham gia để tạo ra ứng xử của một dòng liên tục F,

- Từ điều kiện sử dụng của mỗi thành phần được xác định trong sơ đồ khối chức năng mở rộng, chúng ta đưa ra các sự kiện bên trong và các ứng xử

khác nhau của hệ thống. Những sự kiện bên trong thuộc về một máy trạng thái cục bộ, nó được thêm song song với máy trạng thái cục bộ khác đã xác

định của các trường hợp sử dụng và được hướng theo các chế độ hoạt động

điều khiển của HDS công nghiệp. Bây giờ, chúng ta có thể xác định chi tiết máy trạng thái toàn cục với sự kiện bên ngoài đã được xác định từ các trường hợp sử dụng và các sự kiện bên trong theo điều kiện sử dụng của mỗi thành phần trong sơđồ chức năng mở rộng.

3.2.4Xác định Automate lai

Chúng ta xét các trường hợp sử dụng hướng theo chếđộ hoạt động điều khiển của HDS công nghiệp phát triển. Máy trạng thái của các trường hợp này được sử dụng

43

để xác định các vị trí và đại lượng bất biến trong Automate lai của hệ thống [16], [21], [27],

Mỗi trạng thái tương ứng với một vị trí của Automate lai; nếu máy trạng thái là không song song. Đối với máy trạng thái song song thì cần thiết phải tạo ra các trạng thái song song, mỗi trạng thái chỉ tương ứng với duy nhất một vị trí của Automate lai,

Tập hợp các điều kiện công nghiệp hoặc điều kiện sử dụng của các thành phần trong sơ đồ khối chức năng mở rộng tương ứng với mỗi đại lượng bất biến,

được kết hợp với vị trí thực trong Automate lai:

- Sử dụng các điều kiện của các thành phần này có thểđược tạo ra để xác

định không gian con của một dòng liên tục thực, trong đó trạng thái liên tục phải

được gợi nhớ; trạng thái không gian con này thể hiện đại lượng bất biến kết hợp với một vị trí kèm theo dòng liên tục cụ thể F,

- Một tập hợp điều kiện công nghiệp đưa ra một đại lượng bất biến kết hợp với tất cả vị trí để có dòng thực,

Mỗi dịch chuyển trạng trong máy trạng thái phù hợp với mỗi vị trí trong Automate lai,

Guard là tập hợp con đại lượng bất biến của vị trí đến,

Jump mô tả giá trị phép biến đổi trạng thái liên tục trong suốt quá trình thay

đổi vị trí; nó đưa ra một cách chung nhất dưới dạng của một hàm giá trị trạng thái, trước khi truyền dữ liệu kết quả của chúng được coi như giá trị ban đầu của trạng thái liên tục trong vị trí mới,

Sơ đồ hàm chuyển trạng chỉ ra dấu hiệu có thể được tạo ra để xây dựng các dòng liên tục F tương ứng với các vị trí được tạo ra,

Mỗi một hộp chức cung cấp một chức năng thực để tham gia vào việc tạo ra một “tập hợp con các phương trình” của dòng liên tục thực của Automate lai,

Các liên kết hướng theo giữa các hộp chức năng có thểđược sử dụng để liên kết toàn bộ các tập xác định (tập hợp con của các phương trình) nhằm tạo các kết quảđể xây dựng dòng liên tục thực.

44

3.2.5Xác định lớp biên và các đối tượng thực thể

Để xác định lớp biên và các lớp thực thể trong HDS công nghiệp, chúng ta áp dụng các qui tắc [16] sau đây:

Các mối quan hệ hoặc tín hiệu chỉ dẫn của một hộp chức năng được mô tả

trong sơ đồ khối chức năng mở rộng tương ứng với một lớp thực thể; Các lớp biên được xác định bởi:

- Sự tác động bên ngoài giữa hệ thống phát triển và các tác nhân,

- Sự tác động bên trong giữa các đối tượng của hệ thống này.

3.2.6Cấu trúc hệđộng lực lai ứng với Automate lai trong sơđồ cộng tác các đối tượng tượng

Cấu trúc hệđộng lực lai bao gồm 5 đối tượng cộng tác [15], [19], [20]: phần liên tục (Continous part), phần rời rạc (Discrete part), ứng xử liên tục toàn cục tức thời (Instantaneous Global Continuous Behavior - IGCB), giao diện bên trong (Interal interface), giao diện bên ngoài (External interface) để phát triển hệ thống

động lực lai công nghiệp. Những đối tượng cộng tác đó được diễn giải ở Hình 3.5. Chúng được xác định và được ứng dụng theo máy ảo của các sự kiện nhưđối tượng (Object), lớp (Class) hoặc phân cấp lớp (Class hierarchy).

Hình 3.5 Sơđồ cộng tác đối tượng trong HDS công nghiệp 3.2.6.1Gói phần rời rạc

45

Sự cộng tác (Collaboration) phần tử rời rạc bao gồm tập hợp vị trí Q và tập hợp dịch chuyển trạng thái A của Automate lai. Mỗi vị trí tạo nên sự liên kết với mỗi IGCB.

3.2.6.2Gói phần liên tục

Sự cộng tác phần tử liên tục bao gồm các lớp thực thểđể lưu trữ và xử lý các thông tin hoạt động biến đổi của hệ thống động lực lai công nghiệp. Chúng ta có thể

xây dựng một lớp thực thể trừu tượng để có thể thực thi tính kế thừa nhằm tránh nhân đôi thông tin. Chúng ta cũng có thể tìm thấy các thuộc tính chung giữa các lớp thực thểđể tái sử dụng chúng. Tại thời điểm hiện tại, chúng ta sẽ giới hạn các phần tử liên tục trong phạm vi bao gồm: bộ khuyếch đại, bộ quán tính, bộ trễ, bộ dao

động và bộđiều chỉnh. Tất cả phần tử liên tục được gợi nhớ lại một cách có thứ tự

theo sơ đồ khối chức năng mở rộng bởi IGCB để mà có thể hình thành nên dòng liên tục cụ thể.

3.2.6.3Gói IGCB

Gói IGCB bao gồm: các lớp thực thể trong ứng xử liên tục toàn cục hiện thời (các dòng liên tục F trong Automate lai của một hệ thống động lực lai đang phát triển). Mỗi dòng được kết nối với vị trí cụ thể qi. Hiện tại, chúng ta chỉ xem xét những dòng đơn biến và được mô tả bằng các hàm truyền đạt. Có duy nhất một IGCB cụ thể tại thời điểm nhất định, có duy nhất một lớp thực thể chủ động tại mỗi thời

điểm đưa ra trong gói này. Chúng ta cũng có thể xây dựng một lớp thực thể trừu tượng trong gói này để mà những lớp thực thể khác có thể kế thừa.

3.2.6.4Gói giao diện bên trong

Gói giao diện bên trong đưa ra sự kiện bên trong của HDS công nghiêp, do đó sự cộng tác phần rời rạc có thể xử lý các sự kiện đã được đưa ra. Gói này là một thành phần trung gian giữa sự cộng tác phần liên tục và sự cộng tác phần rời rạc. Nó kiểm tra các đại lượng bất biến điều khiển {q, Guard, , Jump, q’} của Automate lai và đưa ra sự kiện bên trong cần thiết cho phép của tiến trình.

46

Gói giao diện bên ngoài là thành phần trung gian giữa hệ thống phát triển và các hệ thống tương tác. Nó nhận hoặc gửi các sự kiện và tín hiệu chu kỳ giữa hệ

thống đã phát triển và hệ thống tương tác. Nó có thể tạo ra để hiện thị kết quảđiều khiển, thông số cài đặt.v.v…Chúng ta có thể sử dụng mẫu MVC(Model - View -

Controller) [8] để thực thi gói giao diện bên ngoài một cách nhanh chóng và tối ưu. Trong luận văn này chúng ta không đưa ra chi tiết về MVC bởi vì những mô hình này đã phát triển trong phầm mềm phổ biến.

3.3 Thiết kế hệ thống động lực lai công nghiệp  

Chúng ta thấy rằng chuyển trực tiếp từ mô hình cộng tác đối tượng (Objects

Collaboration) tới môi trường thực thi phải được bổ sung thêm các mô hình cấu trúc và ứng xử chi tiết để thực thi hệ thống điều khiển công nghiệp. Ví dụ, sự cộng tác của một hệ thống điều khiển không thích ứng tốt để hiển thị hóa; những loại liên