CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
1.3. Phương pháp lai và công nghệ hướng đối tượng trong mô hình hóa hệ thống điều khiển
1.3.1. Hệ thống động lực lai và Automate lai
Hệ thống động lực lai (HDS) là hệ thống thời gian thực, nó bao gồm phần liên tục, phần rời rạc, và sự tương tác giữa chúng [33]. Ngoài ra, trong hệ thống động lực lai có thể phát sinh các sự kiện bên trong không theo thời gian. Ví dụ: Các hệ thống điều khiển điện thủy lực trong máy nâng chuyển, hệ thống lái tự động trong tàu thủy hoặc máy bay, hệ thống theo dõi đối tượng tại cảng hàng không, v.v... có thể xem như là các hệ thống động lực lai. Một cách tổng quát HDS bao gồm 3 phần: phần liên tục, phần rời rạc và phần tương tác giữa liên tục/rời rạc [34]. Các thành phần này thường được đặc tả trong một sơ đồ trộn, ví dụ: BondGraph lai [50], Grafcet lai [70] hoặc Automate lai [32].
Tuy nhiên, các sơ đồ trộn này không cho phép nghiên cứu đối tượng điều khiển và bộ điều khiển một cách tổng hợp, nó cần phải làm rõ một vài yếu tố về mô hình hóa về các phần tử lai, như:
29
Phần liên tục: Để nghiên cứu phần liên tục cần phải đưa ra các ký hiệu mô hình hóa nhằm xây dựng một mô hình cho phần thực thi cho các mô hình toán tổng quát liên quan tới phương trình vi phân, mô hình hàm truyền đạt hoặc hệ phương trình trạng thái.
Phần rời rạc: Để nghiên cứu phần rời rạc của hệ thống động lực lai, Grafcet, mạng Petri và máy trạng thái có thể được sử dụng nhằm mô tả ứng xử động của hệ thống [34], ví dụ: biểu diễn mối quan hệ giữa các trạng thái rời rạc với tổ hợp các biến liên tục để thực thi hệ thống. Ở đây, các biến liên tục tham gia vào quá trình thực thi của các trạng thái rời rạc thông qua các điều kiện hợp lệ và dịch chuyển trạng thái dưới sự kiểm soát của đại lượng bất biến. Ngoài ra, tổ hợp các phương trình vi phân có thể được liên kết với các trạng thái rời rạc của máy trạng thái để mô hình hóa thực thi ứng xử trong thời gian thực của các biến liên tục.
Phần tương tác liên tục và rời rạc: Cho phép kết nối các trạng thái rời rạc của phần rời rạc với các tổ hợp biến liên tục tương ứng. Sự liên kết các giá trị liên tục của hệ thống qua các trạng thái rời rạc có thể được biểu diễn qua hàm bước nhảy (Jumps) [16], [32].
1.3.1.2. Automate lai
Thông thường để mô hình hệ thống điều khiển công nghiệp, người ta sử dụng biểu đồ diễn tiến chức năng; nhưng để mô hình hóa cấu trúc và ứng xử các HDS thì Automate lai (HA) được sử dụng, bởi vì: chỉ duy nhất một ứng xử liên tục tại một thời điểm được xác định; có đại lượng bất biến nhằm kiểm tra lại giả thuyết về trạng thái liên tục trong HA; HA được bắt nguồn từ Automate nên mô hình ứng xử động của hệ thống tương thích các ứng dụng tương tác sẵn có; cuối cùng, nó có thể sử dụng được các phần mềm mô phỏng sẵn có [16].
Các đặc trưng trong HA [32] của hệ thống được biểu diễn bởi (1.1).
H = (Q, X, , A, Inv, F, qo, xo) (1.1)
30
Ở đây, Q là tổ hợp các vị trí mô tả các chế độ hoạt động của hệ thống;
q0 là vị trí (trạng thái) ban đầu; X là không gian trạng thái liên tục của Automate, X n, x0 là giá trị ban đầu của trạng thái liên tục; là tập hợp hữu hạn các sự kiện tác động; A là tập hợp các dịch chuyển giữa các vị trí được xác định bởi (q, Guard, , Jump, q’), qQ, q’Q, Guard - một tổ hợp điều kiện cho phép thực hiện dịch chuyển aA, Jump - giá trị bước nhảy giữa hai không gian trạng thái liên tục của hai vị trí liền kề nhau, - tổ hợp các sự kiện cho phép dịch chuyển vị trí; Inv là đại lượng bất biến, dùng để theo dõi trạng thái liên tục phải được duy trì, cụ thể vị trí là q thì trạng thái liên tục phải được xác định theo xinv(q); F là hàm liên tục tổng thể (dòng liên tục), được xác định theo từng vị trí của hệ thống; nó được tổng hợp từ các phần tử liên tục của hệ thống theo một sơ đồ điều khiển đã được xác định (sơ đồ khối chức năng thực thi được mở rộng), tiến trình của dòng liên tục cụ thể fiF xuất hiện khi vị trí tương ứng qiQ của nó được kích hoạt.
Để thấy rõ hơn về các đặc trưng của HA, hình 1.9 và 1.10 đưa ra ví dụ về mô hình hóa ứng xử của một bộ giới hạn tín hiệu (trạng thái bão hòa); ở đây, S+ và S- lần lượt là giá trị giới hạn tín hiệu trên và dưới.
Hình 1.9. Bộ giới hạn tín hiệu
Hình 1.10. Automate lai trong mô hình hóa ứng xử của bộ giới hạn tín hiệu
31
Xuất phát từ mô hình động lực học trong điều khiển tổng quát của UAV đã được giới thiệu trong [27], [39] và các mô tả chi tiết về hệ thống động lực lai với HA trên đây, có thể coi hệ thống điều khiển của các UAV này như là một hệ thống động lực lai và ứng xử động của nó được mô hình hóa bởi HA; bởi vì trong hệ thống này có các phần liên tục/rời rạc và tác động qua lại giữa các phần đó, như: các chuyển động theo hướng RPY, cao độ và vị trí khác nhau và các tác động nhiễu loạn đến từ môi trường xung quanh.