Phương pháp công nghiệp để thiết kế theo hướng đối tượng phần điều khiển cho các hệ thống động lực lai

Cũng theo thông tin mà OMG cung cấp thì đến nay nhiều tổ chức lớn trên thế giới đã ứng dụng thành công mô hình hóa hướng đối tượng như: I-Logix, Telelogic, công ty hàng không Lockheed

PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHIỆP ĐỂ THIẾT KẾ THEO

HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG PHẦN ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC LAI

Chuyên ngành : KỸ THUẬT MÁY & THIẾT BỊ THỦY KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

………

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS NGÔ VĂN HIỀN

Hà Nội – 2010

2

LỜI CAM ĐOAN Luận văn tốt nghiệp cao học của tôi là kết quả của quá trình nghiên cứu miệt mài và sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Ngô Văn Hiền Những nội dung và kết quả của các tài liệu của các tác giả khác được trích dẫn cụ thể theo đúng quy định Luận văn này đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và cũng chưa được công bố trên bất kỳ các kênh thông tin đại chúng nào Tôi xin cam đoan những gì tôi trình bày trên đây là hoàn toàn chính xác, nếu sai tôi xin chịu trách nhiệm

Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010

Tác giả luận văn

Phan Đình Huân

3

MỤC LỤC

Trang

TRANG PHỤ BÌA……… 1

LỜI CAM ĐOAN 2 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6 

DANH MỤC CÁC BẢNG 7 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8 

MỞ ĐẦU 11 

Chương 1- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC LAI 13 

1.1 Phân loại hệ thống điều khiển công nghiệp và cấu trúc lai 13 

1.1.1  Phân loại các hệ thống điều khiển công nghiệp 13 

1.1.2  Cấu trúc lai 14 

1.2 Giới thiệu HDS trong điều khiển công nghiệp 15 

Chương 2- TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI CÁC HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC LAI 18 

2.1 Mô hình hóa ứng xử hệ thống động lực lai 18 

2.1.1  Automate lai 18 

2.1.2  Grafcet 20 

2.1.3  Mạng Petri (Petri Net) 21 

2.2 Công nghệ hướng đối tượng trong việc phát triển HDS 22 

2.2.1  Lập trình hướng đối tượng 22 

2.2.2  Phân tích và thiết kế hướng đối tượng 22 

2.2.3  Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực 25 

2.3 Một số phương pháp mô phỏng và thực thi 27 

2.3.1  Modelica 27 

2.3.2  Matlab & Simulink 29 

2.3.3  Mô hình khối chức năng 32 

Chương 3- QUY TRÌNH PHẦN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HDS VỚI REAL TIME UML 37 

4

3.1 Mô tả Automate lai trong HDS, giả thiết tính thực thi và chu trình phát triển

lặp cho HDS 37 

3.1.1  Mô tả Automate lai trong HDS 37 

3.1.2  Các giải thuyết thực thi Automate lai với HDS 38 

3.1.3  Đặc tả chu trình lặp thực thi HDS công nghiệp 39 

3.2 Phân tích hệ thống động lực lai công nghiệp 40 

3.2.1  Nhận biết các trường hợp sử dụng 40 

3.2.2  Xác định máy trạng thái toàn cục 41 

3.2.3  Xác định sơ đồ khối chức năng mở rộng 42 

3.2.4  Xác định Automate lai 42 

3.2.5  Xác định lớp biên và các đối tượng thực thể 44 

3.2.6  Cấu trúc hệ động lực lai ứng với Automate lai trong sơ đồ cộng tác các đối tượng 44 

3.3 Thiết kế hệ thống động lực lai công nghiệp 46 

3.3.1  Cấu trúc kết nối toàn cục 47 

3.3.2  Tiến trình thực thi Automate lai 47 

3.3.3  Đặc tả các gói cơ bản của HDS công nghiệp 49 

3.3.4  Mô tả chi tiết đặc tính các gói cơ bản 51 

3.3.5  Kiểm tra mô hình thiết kế 52 

3.3.6  Nguyên tắc tái sử dụng các gói 52 

3.3.7  Lựa chọn ngôn ngữ công nghiệp để thực thi HDS công nghiệp 54 

Chương 4- ÁP DỤNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ĐIỆN TỬ THỦY LỰC VỚI REALTIME UML 56 

4.1 Mô hình phân tích của EHG 57 

4.1.1  Mô hình trường hợp sử dụng của EHG 57 

4.1.2  Ứng xử động của các trường hợp sử dụng 58 

4.1.3  Sơ đồ khối chức năng của EHG 63 

4.1.4  Automate lai của hệ thống EHG 67 

4.1.5  Lớp biên và các lớp thực thể của EHG 71 

4.2 Mô hình thiết kế của EHG 72 

5

4.2.1  Gói của phần liên tục 75 

4.2.2  Gói IGCB 77 

4.2.3  Gói của phần rời rạc 78 

4.2.4  Gói giao diện bên trong 79 

4.2.5  Gói giao diện bên ngoài 80 

4.3 Mô hình mô phỏng EHG 81 

4.3.1  Luật chuyển đổi các gói sang Matlab & Simulink 82 

4.3.2  Các kết quả của EHG trong Matlab & Simulink 82 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 

6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

DAE Differential Algebraic Equation Phương trình đại số vi phân EHG Electro-Hydraulic Governor Máy điều tốc điện tử thủy lực HDS Hybrid Dynamic Systerms Hệ thống động lực lai

IEC International Electrotechnical

Commission Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IGCB Instantaneuos Global

Continuous Behavior

Ứng xử liên tục toàn cục tức thời

ODE Ordinary Differential Equation Hệ phương trình vi phân thườngReal Ttime

7

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Nguyên tắc tái sử dụng của các gói 53 Bảng 4.1 Các thông số cụ thể của các dòng liên tục toàn cục 69 

8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ thống chủ động lại, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai 14 

Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống động lực lai công nghiệp 16 

Hình 2.1 Bộ giới hạn tín hiệu (Limiter) 19 

Hình 2.2 Automate lai trong bộ giới hạn tín hiệu 19 

Hình 2.3 Ví dụ về các gói, các cổng và giao thức 26 

Hình 2.4 Đặc tính khối chức năng 33 

Hình 2.5 Mô hình thực thi khối chức năng 35 

Hình 2.6 Thời gian thực thi tương ứng với Hình 2.5 35 

Hình 3.1 Ví dụ về một sơ đồ chức năng mở rộng 38 

Hình 3.2 Chu trình vòng đời lặp của HDS 39 

Hình 3.3 Ví dụ về mô hình trường hợp sử dụng (A) và sơ đồ diễn tiến (B) 40 

Hình 3.4 Máy trạng thái tương ứng với sơ đồ diễn tiến trong Hình 3.3B 41 

Hình 3.5 Sơ đồ cộng tác đối tượng trong HDS công nghiệp 44 

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc gói của HDS công nghiệp 47 

Hình 3.7 Ví dụ về Automate lai 48 

Hình 3.8 Chuyển đổi Automate lai với sự kiện bên trong Ei 48 

Hình 3.9 Sơ đồ cạnh tranh thời gian toàn cục của các gói cơ bản 49 

Hình 3.10 Sơ đồ diễn tiến của Automate lai đưa ra cho chu kỳ cụ thể [2 T - 3T] tương ứng với Hình 3.9 51 

Hình 4.1 Mô hình trường hợp sử dụng của EHG 57 

Hình 4.2 Sơ đồ diễn tiến trong trường hợp sử dụng: “Cấu hình” 58 

Hình 4.3 Máy trạng thái trong trường hợp sử dụng: “Cấu hình” 58 

Hình 4.4 Sơ đồ diễn tiến của trường hợp sử dụng: “Vận hành” – trong trường hợp: EHG không kết nối với ECS 59 

Hình 4.5 Sơ đồ diễn tiến của trường hợp sử dụng: “Vận hành” – trong trường hợp: EHG không kết nối với ECS 59 

Hình 4.6 Máy trạng thái của trường hợp sử dụng: “Vận hành” 60 

Hình 4.7 Sơ đồ diễn tiến trường hợp sử dụng: “Bảo trì” 60 

9

Hình 4.8 Sơ đồ diễn tiến trong trường hợp sử dụng: “An toàn” – trong trường hợp:

EHG bị quá tải 61 

Hình 4.9 Sơ đồ diễn tiến trong trường hợp sử dụng: “An toàn” – trong trường hợp: EMS bị lỗi 61 

Hình 4.10 Sơ đồ diễn tiến trong trường hợp sử dụng: “An toàn”– trong trường hợp: EHG bị lỗi 62 

Hình 4.11 Máy trạng thái của trường hợp sử dụng: “An toàn”– trong trường hợp: khi EHG bị lỗi 62 

Hình 4.12 Máy trạng thái toàn cục của EHG 63 

Hình 4.13 Sơ đồ khối chức năng của EHG 63 

Hình 4.14 Máy trạng thái của bộ giới hạn 64 

Hình 4.15 Máy trạng thái toàn cục hoàn thiện của EHG, khi các sự kiện bên trong được kết nối 65 

Hình 4.16 Sơ đồ hàm truyền đạt của EHG 66 

Hình 4.17 Đặc trưng Automate lai của EHG với các sự kiện bên trong được sinh ra là Eii 70 

Hình 4.18 Các lớp thực thể tương ứng với các phần tử liên tục (A); Lớp thực thể tương ứng với các dòng liên tục (IGCB) (B) 72 

Hình 4.19 Lớp biên của giao diện bên trong (A); lớp biên của giao diện bên ngoài (B) 72 

Hình 4.20 Sơ đồ cấu trúc các gói cơ bản của EHG 73 

Hình 4.21 Sơ đồ lớp của các gói cơ bản trong EHG 73 

Hình 4.22 Sơ đồ diễn tiến toàn cục của EHG – trong trường hợp: sự kiện bên ngoài được xử lý; sự kiện bên trong được sinh ra 74 

Hình 4.23 Sơ đồ cấu trúc của gói phần liên tục 75 

Hình 4.24 Sơ đồ lớp của gói phần liên tục của EHG 75 

Hình 4.25 Sơ đồ diễn tiến của gói phần liên tục 76 

Hình 4.26 Máy trạng thái của gói phần liên tục của EHG 76 

Hình 4.27 Sơ đồ lớp của gói IGCB 77 

10

Hình 4.28 Máy trạng thái của gói IGCB 77 

Hình 4.29 Sơ đồ lớp của gói phần rời rạc 78 

Hình 4.30 Máy trạng thái của gói phần rời rạc 78 

Hình 4.31 Máy trạng thái ứng dụng “Evolution” tương ứng với Hình 4.30 79 

Hình 4.32 Sơ đồ lớp của gói giao diện bên trong 80 

Hình 4.33 Máy trạng thái của gói giao diện bên trong 80 

Hình 4.34 Sơ đồ lớp của gói giao diện bên ngoài của EHG 81 

Hình 4.35 Máy trạng thái của gói giao diện bên ngoài 81 

Hình 4.36 Sơ đồ cấu trúc hệ thống con cơ bản và mối liên hệ truyền đạt giữa chúng của EHG 83 

Hình 4.37 Các phần tử trong gói phần liên tục của EHG 83 

Hình 4.38 Quá trình quá độ trong trường hợp EHG không đồng bộ và ứng với ba ứng xử của bộ giới hạn 84 

Hình 4.39 Quá trình quá độ trong trường hợp EHG đồng bộ và ứng với ba ứng xử của bộ giới hạn 85 

11

MỞ ĐẦU Ngày nay, phát triển các ứng dụng điều khiển công nghiệp đã trở thành một phần tất yếu trong cuộc sống Trong sự phát triển của ngành điểu khiển công nghiệp, các phương pháp phát triển hướng mô hình hóa hướng đối tượng đã cho phép tạo ra các bản thiết kế trực quan và có khả năng đáp ứng được các yêu cầu

thay đổi của các hệ thống Tổ chức quản trị đối tượng OMG (Object Management

Group) đã hợp nhất các phương pháp này và thông qua một số các chuẩn mô hình

hóa chung như: ngôn ngữ mô hình hoá hợp nhất UML (Unified Modeling

Language), khả năng siêu hướng đối tượng MOF (Meta Object Facility), siêu mô

hình kho dữ liệu chung CWM (Common Warehouse Metamodel) v.v Cũng theo

thông tin mà OMG cung cấp thì đến nay nhiều tổ chức lớn trên thế giới đã ứng dụng

thành công mô hình hóa hướng đối tượng như: I-Logix, Telelogic, công ty hàng

không Lockheed Martin của Mỹ v.v…

Luận văn này được thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu về phương pháp công nghiệp để thiết kế theo hướng đối tượng phần điều khiển cho các hệ thống động lực lai và minh họa việc áp dụng lý thuyết nghiên cứu vào việc phát triển một

hệ thống điều khiển công nghiệp thực tế

Luận văn đưa ra các giả thuyết, mô hình hóa, thiết kế hướng đối tượng và mô phỏng Automate lai cho các hệ thống động lực lai công nghiệp nhằm đánh giá chất lượng điều khiển của các hệ thống đó Minh họa được áp dụng cho một phần chức

năng điều khiển chính của “Hệ thống Điều tốc Điện tử - Thủy Lực”

Nội dung luận văn bao gồm các phần chính sau:

- Phần 1: Giới thiệu chung về hệ thống động lực lai

- Phần 2: Tổng quan về mô hình hóa, mô phỏng và thực thi các hệ thống động

lực lai

- Phần 3: Quy trình phân tích, thiết kế phần điều khiển hệ thống động lực lai

công nghiệp (Hybrid Dynamic Systems) với ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực (Real time UML)

12

- Phần 4: Áp dụng phân tích thiết kế hệ thống điều tốc điện tử thủy lực với

Real Time UML

Luận văn cao học của tôi đã hoàn chỉnh, đạt được yêu cầu và kết quả đưa ra Tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Ngô Văn Hiền, người đã hướng dẫn tận tình cho tôi hoàn thành luận văn này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các giảng viên Viện cơ khí động lực đã tạo điều kiện cho tôi tra cứu thông tin tài liệu Đặc biệt, tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo Tổng công ty Cơ điện Xây dựng Nông nghiệp và Thủy lợi

và các đồng nghiệp tạo điều kiện thời gian cho tôi theo học khóa học và làm luận văn Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên tinh thần giúp cho tôi làm tốt luận văn

13

Chương 1- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC LAI

1.1 Phân loại hệ thống điều khiển công nghiệp và cấu trúc lai

1.1.1 Phân loại các hệ thống điều khiển công nghiệp

Hiện nay, các hệ thống điều khiển tự động công nghiệp có thể phân loại theo các loại sau: hệ thống chủ động lại, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai

- Hệ thống chủ động lại (Reactive System - RS) [5], [23]: là hệ thống có

thể nhận tất cả sự kiện và tín hiệu đầu vào; nó xử lý các sự kiện và tín hiệu này một cách cạnh tranh có ưu tiên để đưa ra các tín hiệu và sự kiện đầu ra một cách đồng

bộ

- Hệ thống thời gian thực (Real Time System - RTS) [5], [23]: là hệ thống tự

chủ động lại có kèm theo chu trình xử lý các sự kiện và tín hiệu đầu vào, đầu ra gắn với điều kiện ràng buộc về khoảng thời gian và thời điểm thực thi Ngoài ra, trong

hệ thống thời gian thực có thể phát sinh các sự kiện và tín hiệu bên trong phụ thuộc vào thời gian Ví dụ: Hệ thống điều khiển điện thủy lực nhằm duy trì mức chất lỏng

và áp suất không đổi trong 1 bể chứa, khi nguồn tiêu thụ môi chất thay đổi lưu lượng

- Hệ thống động lực lai (Hybrid Dynamic System - HDS) [13], [16]: là hệ

thống thời gian thực, nó bao gồm phần liên tục, phần rời rạc, và sự tương tác giữa chúng 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 trên thiết bị cầu thang cuốn v.v…

Hình 1.1 giới thiệu mối liên kết tổng quan giữa các hệ thống đã giới thiệu ở trên; trong đó: RS: hệ thống chủ động lại, RTS: hệ thống thời gian thực, HDS: hệ thống động lực lai

hợp sử dụng (Use cases) như là: người thiết kế, người tư vấn, người bảo trì

v.v…Hơn nữa, các hệ thống điều khiển luôn luôn không có ứng xử giống nhau; do

đó, nó sẽ được kết hợp với giả thuyết hợp lý để kiểm tra tại mọi thời điểm Ứng xử của các hệ thống này là khá phức tạp Trong luận văn này, chúng tôi chỉ xét đến hệ

điều khiển công nghiệp đó là hệ thống động lực lai (HDS) và được mô hình hóa bằng Automate lai (Hybrid automata)

1.1.2 Cấu trúc lai

Một cách tổng quát ta có thể xem hệ thống động lực lai bao gồm 3 phần [13]:

- Phần liên tục,

- Phần rời rạc,

- Phần tương tác giữa liên tục và rời rạc

Các thành phần này được đặc tả trong một sơ đồ trộn 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 làm rõ một vài yếu tố về mô hình hóa về các phần tử lai

Phần liên tục:

15

Để nghiên cứu phần liên tục cần phải đưa ra các kí hiệu mô hình hóa nhằm xây dựng một mô hình cho phần thực thi, các mô hình toán tổng quát Nó 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, chúng ta có thể dùng các ngôn ngữ hình thức như: Grafcet, Petri Net, máy trạng thái v.v… [9], nhằm đặc

tả ứng xử động của hệ thống Chúng ta có thể sử dụng cách tiếp cận mà nó cho phép

lập mối quan hệ giữa máy trạng thái (State machine) với mỗi 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 sự thực thi ứng xử 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) [13]

1.2 Giới thiệu HDS trong điều khiển công nghiệp

Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu sâu về phân tích thiết kế và mô phỏng hệ thống động lực lai công nghiệp Hệ thống này bao gồm phần điều khiển lai và cơ cấu chấp hành lai, hai phần này liên kết với nhau bởi sự trao đổi các tín hiệu và sự kiện theo chu kỳ và không theo chu kỳ Các sự kiện không theo chu kỳ

có thể là sự kiện bên trong hoặc bên ngoài, ta có sơ đồ khối tổng quan của hệ thống động lực lai công nghiệp như Hình 1.2:

16

Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống động lực lai công nghiệp

Trong đó:

 Eveo: sự kiện đầu ra,

 Evei: sự kiện đầu vào,

 Sigo: tín hiệu đầu ra,

 Sigi: tín hiệu đầu vào,

 ΔT: khoảng thời gian lấy mẫu của mô hình thực thi,

 Actor1, Actor2, Actor3… Actorm: tổ hợp con người hoặc hệ thống tác động đến hệ thống thi hành (phần điều khiển lai và cơ cấu chấp hành lai) [16]

Hệ thống thi hành và tác nhân trao đổi các thông điệp không theo chu kỳ ở dưới dạng không đồng bộ, và được thực hiện qua máy trạng thái Mặt khác, cơ cấu chấp hành lai có thể được thực thi bởi nhiều mô hình điều khiển khác nhau và tồn tại sự tương tác giữa các mô hình này, vậy sự tương tác này có thể được mô hình

hóa thông qua ngôn ngữ hình thức như: Automate, Grafcet, biểu đồ trạng thái (State

chats) v.v…

Tóm lại, trong chương này chúng tôi đã giới thiệu cách khái quát về các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay: hệ thống chủ động lại, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai Trên thực tế rất nhiều hệ thống điều khiển công

17

nghiệp mang đặc tính của hệ thống động lực lai (HDS); bởi nó bao gồm phần liên tục, phần rời rạc và phần tương tác giữa liên tục và rời rạc Do vậy, trong chương tiếp theo chúng tôi sẽ đưa ra các phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và thực thi HDS

 Q: tổ hợp của các vị trí mô tả các mô hình hoạt động (chế độ hoạt động)

của hệ thống,

 q0: trạng thái ban đầu,

 X: không gian trạng thái liên tục hiện tại của Automate, X  n,

 x0: giá trị ban đầu của trạng thái liên tục hiện tại của Automate,

 : tập hợp hữu hạn của các sự kiện,

 A: tập hợp các dịch chuyển được xác định bởi {q, Guard,  , Jump, q ’} và được biểu diễn bởi một cung giữa các trạng thái, trong đó:

- q Q, q ’ Q,

- Guard: một tổ hợp điều kiện cho phép thực hiện dịch chuyển,

- 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: đại lượng bất biến, dùng để theo dõi trạng thái liên tục phải được duy

trì; cụ thể là khi vị trí là q thì trạng thái liên tục phải được xác định theo xinv(q),

 F: hàm liên tục tổng thể (dòng liên tục) được xác định theo từng vị trí của

hệ thống; nó là tổng hợp từ các phần tử liên tục của hệ thống theo một sơ đồ điều khiển đã được xác định, tiến trình của trạng thái liên tục được xuất hiện khi trạng thái hoạt động F thường được biểu diễn bởi hệ phương trình vi phân hoặc hệ phương trình trạng thái hoặc hàm truyền đạt

19

Thông thường để mô hình hệ thống điều khiển, người ta sử dụng biểu đồ diễn tiến chức năng; nhưng để mô hình hóa cấu trúc và ứng xử các HDS thì chúng

ta sử dụng Automate lai bởi vì:

- Chỉ duy nhất một ứng xử liên tục tại một thời điểm được xác định,

- Có đại lượng bất biến để kiểm tra lại giả thuyết về trạng thái liên tục trong

Automate lai,

- Automate lai được bắt nguồn từ Automate nên mô hình ứng xử động của hệ

thống tương thích các ứng dụng tương tác sẵn có,

- Nó có thể sử dụng được các công cụ phần mềm mô phỏng

Ví dụ về Automate lai: Chúng ta hãy xem xét một bộ giới hạn tín hiệu (trạng thái bão hòa) được thể hiện như sau Hình 2.1

Hình 2.1 Bộ giới hạn tín hiệu (Limiter)

Trong đó : S+ và S-, là điểm giới hạn của bộ giới hạn tín hiệu

Automate lai trong bộ giới hạn tín hiệu này thể hiện như sau Hình 2.2:

Hình 2.2 Automate lai trong bộ giới hạn tín hiệu Chúng ta cũng có thể sử dụng Automate lai để mô hình các ứng xử HDS phức tạp Nhưng nếu chúng ta muốn sử dụng ngôn ngữ hình thức này để thực thi một HDS điều khiển công nghiệp, thì chúng ta phải đưa thêm vào các điều kiện ràng buộc như: các biến liên tục và các dữ kiện đầu vào/ đầu ra

20

2.1.2 Grafcet

Khi thiết kế hệ thống phải tính đến các phương thức làm việc khác nhau để đảm bảo an toàn và xử lý kịp thời các hư hỏng trong quá trình hoạt động của nó, phải luôn luôn có phương án can thiệp trực tiếp của người vận hành đến việc dừng máy khẩn cấp, xử lý tắc nghẽn vật liệu và các hiện tượng nguy hiểm khác v.v… Grafcet là công cụ rất hữu ích để thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của hệ tự động hóa các quá trình công nghệ

Grafcet là từ viết tắt của tiếng pháp (GRAphe Fonctionnel de Commande

Etaps/Transitions), là một biểu đồ chức năng cho phép mô tả các trạng thái làm việc

của hệ thống và biểu diễn quá trình điều khiển với các trạng thái chuyển biến từ trạng thái này sang trạng thái khác, đó là một graphe định hướng và được xác định bởi các phần tử sau [9]:

G = {E, T, A, M}

Trong đó:

- E = {E1, E2, , En}: một tập hữu hạn các trạng thái của hệ thống, được ký hiệu bằng các hình vuông Mỗi trạng thái ứng với tác động nào đó của phần điều khiển và trong mỗi trạng thái các hành vi điều khiển là không thay đổi Một trạng thái có thể là chủ động hoặc bị động Điều khiển chính là thực hiện các mệnh đề logic chứa các biến vào và các biến ra để hệ thống có được một trạng thái xác định,

- T = {t1, t2,…, ti}: tập hữu hạn các dịch chuyển trạng thái được biểu hiện bằng

gạch ngang “-” Hàm Boole gắn với mỗi dịch chuyển trạng thái được gọi là “một

21

2.1.3 Mạng Petri (Petri Net)

Mô hình mạng Petri được Carl Adam Petri đề xuất vào năm 1962, trải qua hơn 40 năm phát triển, từ một mạng Petri đơn giản ban đầu, những người quan tâm

nghiên cứu đã cho ra đời một loạt các loại mạng Petri mức cao (Coloured Petri Net,

Predicate Petri Net v.v…) có thể mô phỏng cũng như phân tích hiệu năng cho các

hệ thống từ đơn giản đến phức tạp

Mạng Petri lai hoặc trộn là một giải pháp mở rộng của mạng Petri chuẩn, trong đó các phương trình có thể được gắn hoặc liên kết với vị trí hệ thống mà các chức năng được gắn vào mối quan hệ dịch chuyển

Một mạng Petri lai được định nghĩa phương trình toán [9], [16]:

{R, PC, IH, M0, x0} Trong đó:

- R: tổ hợp mạng Petri mà nó có thể đồng bộ qua các bộ phận sự kiện bên

trong như là: biểu đồ trạng thái, mỗi sự dịch chuyển có thể kèm theo sự kiện đúp là

rẽ nhánh hoặc phát sinh ra các lệnh rẽ nhánh,

- PC: phần liên tục của mô hình mà nó được hiểu là tổ hợp các biến liên tục và

các phương trình vi phân đại số; nó nhằm mô phỏng các ứng xử liên tục khác nhau của hệ thống Các biến toàn cục, giá trị của nó được truy cập tại mọi nơi trong mô hình tại mọi thời điểm

- IH: giao diện lai kết nối giữa phần liên tục và mạng petri

- M0: giá trị ban đầu của R

- X0: giá trị ban đầu của biến liên tục

Tuy rằng mạng Petri có thể mô hình hóa ứng xử và cấu trúc của HDS một cách rõ ràng, nhưng trên thực tế để thực thi phần điều khiển của HDS thì việc kết nối giữa mô hình mô phỏng và mô hình triển khai là rất khó Nó thường dùng trong việc nghiên cứu mô hình lý thuyết của hệ thống

22

2.2 Công nghệ hướng đối tượng trong việc phát triển HDS

2.2.1 Lập trình hướng đối tượng

Lập trình hướng đối tượng được coi là phương pháp lập trình chuẩn hiện nay bởi nó có nhiều ưu điểm lớn so với các phương pháp cổ điển Mục tiêu mà lập trình hướng đối tượng đặt ra là:

- Đơn giản hóa việc xây dựng và sử dụng các thư viện

- Cho phép dùng lại mã Nếu hàm thư viện không phù hợp với yêu cầu của

người lập trình thì người lập trình có khả năng sửa đổi dễ dàng mà không cần tìm hiểu ngọn nguồn, không cần phải có mã nguồn của hàm đó trong tay Mã sinh ra từ thực nghiệm dễ dàng được dùng lại trong mã chính thức Nói khác đi, người lập trình có điều kiện để thoải mái sáng tạo

- Cải thiện khả năng bảo trì của mã, mà phải dễ hiểu, dễ sửa đổi Trên thực tế,

việc biên soạn tài liệu bao giờ cũng đi sau khá xa so với mã được viết ra

- Cho phép tạo ra chương trình dễ mở rộng Có thể thêm chức năng cho

chương trình mà không ảnh hưởng dây chuyền đến mã đã viết

Lập trình hướng đối tượng phải được thực hiện thông qua ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng Để đạt được các mục tiêu trên, mọi ngôn ngữ lập trình hướng đối

tượng đều thể hiện ba khái niệm: đóng gói (Encapsulation, packaging), đa hình (Polymorphism) và thừa kế (Inheritance) Các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng

thông dụng là C++, Java, Ada v.v…[1]

2.2.2 Phân tích và thiết kế hướng đối tượng

Theo dòng phát triển công nghệ thông tin, phương pháp lập trình đã phát triển từ lập trình không có cấu trúc lên lập trình có cấu trúc và tới nay là lập trình hướng đối tượng Phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm cũng đi theo các bước tiến hóa này Trước đây, người ta phân tích, thiết kế phần mềm theo kiểu hướng thủ

tục (Procedure-oriented) hoặc hướng dữ liệu (Data-oriented) Theo phương pháp

này, phần mềm cần xây dựng được chia thành giải thuật và cấu trúc dữ liệu Trong quá trình phân tích, giải thuật được phân chia thành các giải thuật con đơn giản hơn,

Phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm tiên tiến hiện nay là hướng đối

tượng (Object-oriented), trong đó khối cơ bản để xây dựng nên phần mềm là đối

tượng hay lớp Nói một cách đơn giản, đối tượng là sự phản ánh thế giới tự nhiên xung quanh

Trong các hệ thống điều khiển, các đối tượng có thể đại diện các thành phần

- Thông tin thiết kế

Việc trừu tượng hóa thế giới tự nhiên thành các lớp đối tượng như vậy được gọi là mô hình hóa hướng đối tượng Dựa trên mô hình đối tượng thu được, phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm hướng đối tượng sẽ bổ sung thêm các liên kết và lớp đối tượng mới, tinh chỉnh lại v.v… để tạo ra một mô hình đối tượng chi tiết của phần mềm Cuối cùng, người lập trình sử dụng một ngôn ngữ lập trình nào đó (không nhất thiết phải là ngôn ngữ hướng đối tượng) thể hiện mô hình đối tượng chi tiết thành mã nguồn Ưu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế phần mềm hướng đối tượng không phải nằm ở chỗ tạo ra chương trình nhanh tốn ít công sức, mà nằm ở chỗ nó gần với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sử dụng lại những thành quả đã xây dựng được như mã lệnh hay bản thiết kế

24

2.2.3.1 Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất

Để phục vụ cho công việc mô hình hóa vốn là cốt lõi của phân tích, thiết kế

phần mềm hướng đối tượng, ngôn ngữ UML (Unified Modeling Language) được sử dụng rộng rãi UML - một ngôn ngữ quốc tế được chuẩn hóa bởi tổ chức OMG [1],

[23], là một ngôn ngữ đồ họa dùng để trực quan hóa, đặc tả, xây dựng và tư liệu hóa

hệ thống thiên về phần mềm UML đem lại cho người sử dụng phương pháp chuẩn

để viết bản thiết kế hệ thống bao trùm từ những thứ cụ thể như các lớp viết bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó, các thành phần phần mềm có thể tái sử dụng v.v… cho đến những yếu tố trừu tượng như chức năng của toàn bộ hệ thống Vì lý do này, ngôn ngữ UML không chỉ được sử dụng để mô tả, xây dựng kiến trúc và thiết kế của các hệ thống phần được sử dụng để mô tả, xây dựng kiến trúc và thiết kế của các hệ thống phần mềm, mà còn là một công cụ mô hình hóa thích hợp cho các hệ thống kỹ thuật nói chung và các hệ thống điều khiển nói riêng UML là một ngôn ngữ mô hình hóa rất mạnh, rất đa năng

2.2.3.2 Mẫu thiết kế

Mẫu thiết kế [8] là sự hình thức hóa của cách tiếp cận tới một vấn đề thường gặp trong ngữ cảnh cụ thể Mỗi mẫu thiết kế mô tả một giải pháp cho một vấn đề thiết kế cụ thể trong một ngữ cảnh xác định Giải pháp này đã được chứng minh là hợp lý, sử dụng nhiều lần đem lại kết quả tốt và do đó được trừu tượng hóa thành một mẫu Nói một cách ngắn gọn, mẫu thiết kế là kinh nghiệm thiết kế đúc kết lại Bằng cách dùng các mẫu thiết kế, người thiết kế không phải thiết kế hệ thống của mình từ đầu mà sử dụng lại kinh nghiệm đã có từ trước, dẫn đến chất lượng thiết kế tốt hơn, tăng tính tái sử dụng của bản thiết kế

2.2.3.3 Phần mềm thành phần

Phần mềm thành phần [1] (Component software) là một hướng đi mới, phát

triển trên cơ sở phương pháp lập trình hướng đối tượng Lập trình hướng đối tượng

cho phép sử dụng lại phần mềm dưới dạng các lớp (Class) vào giai đoạn biên dịch (Compile-time); trong khi đó phần mềm thành phần cho phép sử dụng lại phần mềm dưới dạng các thành phần (Component) vào cả giai đoạn biên dịch và giai đoạn thực

25

thi (Run-time) Do vậy, theo tư tưởng phần mềm thành phần, ngôn ngữ lập trình

cũng như “lớp” là thứ yếu, giao diện mới là quan trọng Nói như vậy tức là một thành phần mềm là các phần mềm có thể được viết ở các ngôn ngữ khác nhau, đã được hoàn chỉnh, biên dịch và đóng gói, có các giao diện chuẩn để có thể sử dụng thuận tiện, linh hoạt trong nhiều ứng dụng khác nhau mà không cần biên dịch lại Thậm chí trong một số trường hợp, việc sử dụng các thành phần phần mềm có sẵn không đòi hỏi lập trình Ví dụ người soạn thảo một văn bản có thể sử dụng kết hợp các thành phần phần có sẵn như soạn thảo công thức, vẽ đồ thị v.v… mà cảm tưởng như tất cả đều nằm trong chương trình soạn thảo văn bản

Có thể nói, hầu hết các hệ thống phát triển ứng dụng trong các hệ điều khiển lai hiện nay thực hiện triệt để tư tưởng hướng đối tượng và phần mềm thành phần

Tư tưởng sử dụng khối hàm, các khối đồ họa, các khối chương trình trong nhiều hệ thống là những ví dụ tiêu biểu

2.2.3 Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực

Ngôn ngữ mô hình hóa trong thời gian thực (Real Time UML) được phát

triển và chuẩn hóa bởi OMG [5], [6], [23] Nó dùng để đặc tả, trực quan, xây dựng

và lập tài liệu các thành phần của các ứng dụng phần mềm điều khiển trong các hệ

thống thời gian thực và hệ thống nhúng (Embedded system) Real Time UML bao

gồm tất cả các ký hiệu mô hình hóa của UML, ngoài ra nó còn đưa ra các ký hiệu

mô hình hóa: gói (Capsule), cổng (Port) và giao thức (Protocol) nhằm mô hình hóa

các hệ thống điều khiển trong công nghiệp

2.3.2.1 Gói

Gói là một lớp có kiểu mở rộng được đặc trưng «capsule» Các gói có nhiều

đặc tính giống nhau như là các lớp; ví dụ: Chúng có thể có nhiều thao tác

(Operation) và thuộc tính (Attributes) Tuy nhiên, chúng cũng có một vài tính chất

đặc biệt như là các cổng dùng chung, thao tác riêng, thông điệp thông qua giao thức truyền đạt ứng xử

26

- Các gói cung cấp hỗ trợ tổng hợp đồng thời cho các đối tượng Bởi vì có tính

chất đóng gói nên những đối tượng này có thể dễ dàng phân bố các thành

phần điều khiển vật lý khác nhau

- Các gói có thể được tạo thành từ các gói khác và các lớp bị động Những gói

và lớp bị động được liên kết với nhau bởi các kết nối (Connector) trong một

sự cộng tác hướng đối tượng; sự cộng tác này sẽ cho thấy cấu trúc của gói

- Một gói có thể có máy trạng thái nhằm gửi hoặc nhận các tín hiệu thông qua

các cổng của nó, đó là ứng xử mà điều khiển hoạt động của bản thân gói 2.3.2.2 Giao thức

Giao thức là tập hợp các thông điệp trao đổi giữa các gói Các thông điệp này

có thể là tín hiệu hoặc sự kiện trên đầu vào hoặc đầu ra của giao thức

2.3.2.3 Các cổng

Các cổng là những đối tượng có mục đích là để gửi và nhận các thông điệp từ

các gói Chúng được tạo ra và mất đi khi gói được sinh ra và mất đi Để xác định rõ

những thông điệp nào có thể được gửi đi từ cổng, cổng được kết hợp với giao thức

Ví dụ về các gói, các gói con, các cổng và các giao diện được thể hiện ở Hình 2.3

thông qua sơ đồ lớp

Hình 2.3 Ví dụ về các gói, các cổng và giao thức Như vậy, các ký hiệu của UML bao gồm: lớp, đối tượng, thông điệp, kết hợp

để mô hình một hệ thống thông tin tổng quát; nhưng các ký hiệu này không đủ để mô

tả cách chính xác các tương tác giữa các đối tượng của hệ thống phức tạp Vì lý do

đó, chúng tôi lựa chọn Real time bao gồm thêm các ký hiệu: các gói, cổng và giao

thức, để đặc tả mô hình phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển với Automate

lai

27

2.3 Một số phương pháp mô phỏng và thực thi

Việc mô phỏng của hệ thống công nghiệp là một nhu cầu tất yếu, đặc biệt khi các hệ thống ngày càng trở nên phức tạp Nhu cầu này xuất phát từ nhiều yếu tố khác nhau, tuy nhiên có thể đưa ra mấy nguyên nhân chính như sau:

- Đầu tư cho các hệ thống thường rất cao (ngay cả hệ thống thí nghiệm bán

công nghiệp); đặc biệt là các thiết bị dùng trong công nghiệp Chi phí này bao gồm tiền mua thiết bị, đầu tư phòng ốc, chi phí vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa v.v…

- Mô phỏng các hệ thống cho phép thực hiện việc đánh giá, kiểm tra chất

lượng hệ thống trước khi thực thi trong thực tế, nhất là với các hệ thống công nghiệp lớn và phức tạp

- Mô phỏng hệ thống cho phép quá trình thiết kế, xây dựng và vận hành hệ

thống được thực hiện linh hoạt, hiệu quả

Xuyên suốt toàn bộ quá trình thực hiện một dự án, từ đề xuất ý tưởng thiết kế cho đến thực hiện và vận hành hệ thống, mô phỏng cho phép kiểm tra, đánh giá nhiều phương án khác nhau, từ đó lựa chọn được phương án thích hợp nhất để thực thi Trải qua một quá trình phát triển lâu dài, lĩnh vực mô phỏng đã có những bước tiến đáng kể Các phần mềm mô phỏng ngày càng trở nên linh hoạt, mạnh mẽ, thân thiện và gần gũi với thế giới Sau đây chúng tôi giới thiệu một vài ngôn ngữ mô hình để mô phỏng và thực thi các hệ thống điều khiển công nghiệp đang phổ biến

2.3.1 Modelica

Ngôn ngữ Modelia [9] được phát triển bởi một nhóm các nhà khoa học ở châu Âu trong nỗ lực tạo ra một ngôn ngữ mô hình hóa và mô phỏng thống nhất và hiện đại, hướng đối tượng và phi nhân quả Là một ngôn ngữ hướng đối tượng, Modelica định nghĩa các loại hệ thống con, ví dụ như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, động cơ…và các thành phần khác như mối nối… đều được định nghĩa là một lớp Hành vi có thể được mô tả bằng các phương trình đại số, phương trình vi phân, hoặc các thuật toán… Modelica hỗ trợ mô tả các hành vi dựa trên sự kiện, do đó cho phép dễ dàng mô tả các hệ thống sự kiện rời rạc và liên tục của hệ thống lai Một

28

lớp có thể thừa kế từ một lớp khác, qua đó cũng thừa kế tất cả các đặc điểm của lớp

đó, kể cả hành vi

2.3.1.1 Mô phỏng nhân quả [9], [22]

Phương pháp mô phỏng này dựa trên các tiếp cận nhân quả trong mô hình hóa hệ thống Theo đó, một hệ thống được phân tích thành một hay nhiều hệ thống con với các đầu vào, đầu ra và trạng thái Đầu ra “kết quả” của một hệ thống con phụ thuộc vào trạng thái và đầu vào “nguyên nhân” của nó Mỗi hệ thống con

thường được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân thường (ODE – Ordinary

Differential Equation) Để tạo thành một hệ thống lớn, các hệ thống con được nối

với nhau cũng theo nguyên tắc nhân quả: mỗi đầu vào của hệ thống con nhân kết quả từ duy nhất một đầu ra của một hệ thống con khác mà nó phụ thuộc Như vậy,

cả hệ thống là một tập hợp các hệ ODE, được sắp xếp theo một thứ tự xác định (thể

hiện quan hệ nhân - quả trong hệ thống) Về cơ bản, việc mô phỏng hệ thống là giải

lần lượt các hệ ODE này theo thứ tự, trong đó hệ sau có thể sử dụng kết quả của hệ trước

Một hình thức biểu diễn của mô hình hóa nhân quả là sơ đồ khối (Block

diagram) Mỗi hệ thống con, hay nói đúng hơn là một chức năng được biểu diễn bởi

một khối đồ họa, có các đầu vào và đầu ra Việc xây dựng một mô hình hệ thống được thực hiện bằng cách tạo ra các khối thành phần được nối với nhau bởi các đường tín hiệu Các công cụ hỗ trợ sơ đồ khối cung cấp giao diện đồ họa và cho phép thao tác kéo thả rất trục quan Mặc dù phương pháp mô phỏng nhân quả rất hữu ích và đáp ứng được nhiều nhu cầu mô phỏng trong thực tế, nhưng chúng vẫn

có một số nhược điểm Đáng kể nhất là việc mô phỏng theo quan hệ nhân quả đòi hỏi phải áp đặt cách nhìn nhân quả vào hệ thống vật lý Cách nhìn này không cho thấy bản chất thực của hệ thống, bởi ngay cả sự phân biệt thế nào là đầu vào và thế nào là đầu ra của hệ thống cũng phụ thuộc nhiều vào quan điểm nhìn nhận Hơn nữa, khi ta nhìn nhận theo quan hệ vào – ra thì có nghĩa là đầu vào không bị ảnh hưởng bởi đầu ra, nhưng trong các hệ vật lý khó có một quan hệ lý tưởng như vậy

29

2.3.1.2 Mô phỏng phi nhân quả [22]

Vào những năm 90 của thế kỷ trước, nhu cầu cần xây dựng những mô hình ngày càng phức tạp, kết hợp nhiều lĩnh vực khác nhau và đòi hỏi về tính linh hoạt, trực quan đã dẫn đến một sự thay đổi cơ bản về phương pháp mô hình hóa và mô phỏng Phương pháp mô phỏng phi nhân quả dựa trên việc mô hình hóa hệ vật lý theo các hệ con và xác định hành vi của hệ thống tại những điểm nối giữa chúng Thông thường, mỗi hệ con sẽ đại diện cho một thiết bị hay một thành phần cơ bản của hệ thống, ví dụ như điện trở, tụ điện, động cơ, van, đường ống, bình mức v.v…Mỗi hệ con được mô tả bởi các phương trình cân bằng khối lượng, năng lượng, mômen và vật chất Tại điểm nối giữa hai hệ con cũng tồn tại một quan hệ xác định, ví dụ như điện thế hay áp suất không đổi, hay tổng các dòng triệt tiêu Mô hình của cả hệ thống là sự kết hợp của mô hình của từng hệ con và quan hệ tại các điểm nối; nói cách khác, là sự ràng buộc lẫn nhau giữa các đại lượng theo những quy luật vật lý xác định Như vậy, một cách tổng quát thì hệ thống sẽ được mô tả

bởi các phương trình đại số vi phân (DAE - Differential Algebraic Equation) thay

vì ODE Điểm khác biệt rất cơ bản so với mô phỏng nhân quả là ở đây các hệ thống được nối với nhau một cách tự nhiên giống như quan hệ giữa các đối tượng trong thực tế, chứ không chỉ đơn thuần là quan hệ tín hiệu vào ra

Trong quá trình phát triển của lĩnh vực mô hình hóa và mô phỏng, nhiều ngôn ngữ đã được sáng tạo ra dành riêng cho mục đích mô hình hóa và mô phỏng, bao gồm những loại đa năng (sử dụng cho nhiều lĩnh vực, nhiều loại hệ thống khác nhau) và những loại chuyên dụng cho một lĩnh vực nhất định Modelica là ngôn ngữ

đa năng và dựa trên quan điểm phi nhân-quả

2.3.2 Matlab & Simulink

2.3.2.1 Matlab

MATLAB [14] là một bộ chương trình phần mềm lớn của lĩnh vực toán số, được viết tắt từ MATrix LABoratory Định hướng chương trình là các phép tính vector và ma trận Phần cốt lõi của chương trình bao gồm một số hàm toán, các chức năng nhập/xuất cũng như các khả năng điều khiển chu trình mà nhờ đó ta có

30

thể dựng nên các kịch bản (Scripts) Thêm vào phần cốt lõi, có thể bổ sung các bộ công cụ (Toolbox) với phạm vi chức năng chuyên dụng mà người sử dụng cần Một

số các Toolbox liên quan tới Điều khiển - Tự động hóa như: Control System

Toolbox, Signal Processing Toolbox, Optimization Toolbox, Stateflow Blockset, Power System Blockset, Real-Time Workshop và SIMULINK SIMULINK là một

Toolbox có vai trò đặc biệt quan trọng: vai trò của một công cụ mạnh phục vụ mô

hình hóa và mô phỏng các hệ thống Kỹ thuật - Vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu trúc dạng

khối Cùng với SIMULINK, Stateflow Blockset tạo cho ta khả năng mô hình hóa và

mô phỏng các Automate trạng thái hữu hạn

Công cụ khảo sát - thiết kế hệ thống điều khiển CST (Control System

Toolbox) là một bộ công cụ cực kỳ có ý nghĩa và tiện lợi để nghiên cứu lý thuyết hệ

thống Với CST ta có thể thực hiện tất cả các bước cần thiết để khảo sát - thiết kế hệ thống, đặc biệt là các hệ thống điều khiển:

- Mô tả các hệ tuyến tính - dừng (hệ số tham số hằng) dưới dạng liên tục hay

gián đoạn (hàm truyền đạt), sơ đồ phân bố điểm không - điểm cực, mô hình trạng thái, mô hình đặc tính tần số;

- Chuyển đổi hoặc xử lý hệ, phân tích đặc tính hệ thống động học, đáp ứng

bước nhẩy, giảm bậc;

- Thiết kế và tính tối ưu các khâu điều chỉnh: quỹ đạo cực, gán cực, tối ưu LQ

(Linear – quadratic optimal control)

Ngoài ra, CST còn cung cấp một số thuật toán cho phép đánh giá độ tin cậy của các phép toán số sử dụng khi khảo sát hệ thống Phần lớn các thuật toán số được

cất dưới dạng m-Files (Scripts)

2.3.2.2 Simulink

SIMULINK là phần chương trình mở rộng của MATLAB nhằm mục đích

mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học

Giao diện đồ họa trên màn hình của SIMULINK cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc SIMULINK cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với các số lượng lớn các khối

31

chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn Hơn thế, người sử dụng cũng có thể tạo nên các khối riêng của mình Sau khi đã xây dựng mô hình của hệ thống cần nghiên cứu, bằng cách ghép các khối cần thiết thành sơ đồ cấu trúc của

hệ, ta có thể khởi động quá trình mô phỏng Trong quá trình mô phỏng ta có thể trích tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ cấu trúc và hiển thị đặc tính của tín hiệu đó trên màn hình Hơn thế nữa, nếu có nhu cầu ta còn có thể cất giữ các đặc tính đó vào môi trường nhớ (ví dụ: cất lên đĩa cứng) Việc nhập hoặc thay đổi tham số của tất cả các khối cũng có thể được thực hiện rất đơn giản bằng cách nhập trực tiếp hay thông qua MATLAB Để khảo sát hệ thống, ta có thể sử dụng thêm các hộp công cụ

(Toolbox) như xử lý tín hiệu (Signal Processing), tối ưu (Optimization) hay hệ thống điều khiển (Control System)

Việc lập trình trên SIMULINK sử dụng các đối tượng đồ họa Nó được xây dựng trên cơ sở của các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng, tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho việc thay đổi giá trị các thuộc tính trong những khối thành phần Thư viện của SIMULINK bao gồm: các thư viện con các khối nguồn tín hiệu

(Sources), các khối xuất tín hiệu (Sinks), các khối ghép toán học (Math) và các khối tín hiệu và hệ thống con (Signal & Sub-Systems) Các nhóm các khối liên tục (Continuous), các khối phi tuyến (Nonlinear) và các khối chức năng và bảng (Function & Tables) Các khối thuộc nhóm các khối gián đoạn (Discrete) Tất cả

các khối chức năng đều được xây dựng theo một mẫu giống nhau: mỗi khối có một hay nhiều đầu vào/ra (trừ trường hợp ngoại lệ: các khối thuộc hai thư viện con

Sources và Sinks), có tên và ở trung tâm của hình khối chữ nhật có biểu tượng hình

hàm truyền đạt, đồ thị đặc tính hay tên (File) thể hiện đặc điểm riêng của khối

SIMULINK phân biệt (không phụ thuộc vào thư viện con) hai loại khối chức năng:

Khối ảo (Virtual) và khối thực (Not virtual) Các khối thực đóng vai trò quyết định

khi chạy mô phỏng mô hình SIMULINK Việc thêm hay bớt một khối thực sẽ thay đổi đặc tính động học của hệ thống đang được mô hình SIMULINK mô tả Ví dụ về

khối thực: Khối tích phân (Integrator) hay khối hàm truyền đạt (Transfer Fcn) của thư viện con Continuous, khối Sum hay khối Product của thư viên con Math Ngược

menu có sẵn Việc sử dụng các Menu đặc biệt thích hợp cho các công việc có sự tác

động qua lại lẫn nhau, còn sử dụng dòng lệnh thường hay được dùng khi chạy một loạt các mô phỏng Hơn nữa, người sử dụng có thể thay đổi thông số một cách trực tiếp và nhận biết được các ảnh hưởng đến mô hình

Đánh giá giữa Modelica và Matlab:

Phương pháp sử dụng các ngôn ngữ mô hình hóa và mô phỏng chuyên dụng Modelica có nhiều ưu điểm vượt trội và thích hợp cho mô phỏng các quá trình công nghiệp phục vụ mục đích nghiên cứu và thiết kế sản phẩm có yêu cầu hiệu năng tính toán cao Phương pháp sử dụng các ngôn ngữ lập trình đa năng thường rất phức tạp

và khó

Nếu mục đích mô phỏng chủ yếu phục vụ đào tạo và nghiên cứu thì một

phần mềm tính toán và mô phỏng kỹ thuật thông dụng như Matlab - Simulink tỏ ra

phù hợp hơn cả Hiện nay, phiên bản mới nhất của Matlab – Simulink cũng đã được

bổ sung các khối mô phỏng đối tượng công nghiệp thông dụng kết hợp giao diện đồ họa trực quan để tăng khả năng tương tác và tính thực tế

2.3.3 Mô hình khối chức năng

Trong thực tế, để thực thi hệ thống điều khiển công nghiệp sau khi được mô

phỏng, người ta thường sử dụng kiến trúc IEC (International Electrotechnical

Commission) [2], [3] Kiến trúc này cho phép đặc tả cấu trúc của các hệ thống điều

khiển có ứng xử phức tạp và đảm bảo được độ an toàn cao, cũng như nó hỗ trợ kết

33

nối với các ngôn ngữ mô hình hóa Dưới đây, chúng ta mô tả một số đặc điểm chính của kiến trúc IEC

2.3.3.1 Các đặc tính của khối chức năng

Mỗi khối chức năng thực ra là một biến thể hiện (Function block instance) của một kiểu khối chức năng nào đó (Function block type) cũng tương tự như mỗi

đối tượng là một biến thể hiện của một lớp nào đó Hình 2.4 thể hiện các đặc tính của khối chức năng ở dưới dạng sơ đồ khối

Hình 2.4 Đặc tính khối chức năng Các đặc tính của khối chức năng:

- Tên biến (là tên của khối chức năng đó) và tên kiểu (là tên của kiểu khối

chức năng mà nó phụ thuộc vào),

- Một tập các đầu vào sự kiện, dùng để nhận các sự kiện đến từ các liên kết sự

kiện với bên ngoài Các sự kiện đầu vào sẽ ảnh hưởng tới việc thực thi thuật toán bên trong khối chức năng,

- Một tổ hợp các đầu ra sự kiện, dùng để đẩy các sự kiện ra các liên kết sự

kiện với bên ngoài tùy thuộc và sự thực thi của thuật toán và một số yếu tố khác,

- Dữ liệu nội bộ, chúng được ánh xạ tới tập các biến nội bộ,

- Các đặc trưng của khối chức năng, được xác định bằng cách kết hợp giữa dữ

liệu nội bộ với thuật toán của khối chức năng

Thuật toán bên trong khối hàm, về nguyên tắc không nhìn thấy được từ bên ngoài, trừ khi được người cung cấp khối hàm mô tả theo một cách nào đó Hơn nữa, khối hàm có thể chứa bên trong nó các biến nội bộ hay các thông tin về trạng thái tồn tại không đổi giữa những lần gọi thuật toán của khối hàm nhưng chúng cũng không truy cập được từ bên ngoài

Đặc tả kiểu khối chức năng, ngoài phần chung kể trên còn có thêm phần định nghĩa chức năng đặc trưng của khối phụ thuộc vào từng loại khối cụ thể Có 3 loại khối chức năng:

- Khối chức năng cơ bản là đơn vị chức năng nhỏ nhất, không thể phân chia

hơn được nữa

- Khối chức năng kết hợp (siêu khối) là loại khối chức năng hợp thành từ

nhiều khối chức năng khác nhỏ hơn

- Khối chức năng dịch vụ giao tiếp là loại khối chức năng cung cấp các dịch

vụ giao diện giữa các khối chức năng khác với nhau hoặc giữa tài nguyên và mạng truyền thông và giữa tài nguyên và quá trình công nghệ được điều khiển

Đối với kiểu khối chức năng cơ bản, chức năng đặc trưng của nó được diễn đạt bằng cách mô tả thuật toán bên trong khối đó hoạt động dựa trên giá trị của các biến đầu vào, biến đầu ra, biến nội bộ để tạo ra giá trị mới cho các biến đầu ra và biến nội bộ như thế nào, cũng như mối liên hệ giữa sự khởi động, thực thi và kết thúc của thuật toán với sự xuất hiện của các sự kiện tại đầu vào sự kiện đầu ra của khối

35

Đối với kiểu khối chức năng phục vụ giao tiếp, chức năng đặc trưng được

mô tả bằng cách ánh xạ các dịch vụ cơ bản mà nó cung cấp thành các thành các đầu vào sự kiện, đầu ra sự kiện, đầu vào dữ liệu, đầu ra dữ liệu của nó

2.3.3.2 Mô hình thực thi theo khối chức năng

Việc thực hiện các thuật toán (Hình 2.5) được gợi nhớ bởi các sự kiện đầu vào, nó đi tới phần điều khiển cụ thể của khối chức năng Việc gợi nhớ này kéo theo một hàm điều khiển cụ thể của thuật toán tương ứng

Kết thúc thực hiện một thuật toán thì bộ điều khiển thực thi sẽ sinh ra một hoặc hay nhiều sự kiện đầu ra

Hình 2.5 Mô hình thực thi khối chức năng

Hình 2.6 Thời gian thực thi tương ứng với Hình 2.5

36

Hình 2.6 mô tả thứ tự thực hiện các thuật toán với một sự kiện đầu vào, một thuật toán và một sự kiện đầu ra, thời điểm mà các sự kiện xuất hiện trong trường hợp này được mô tả hình vẽ sau:

- T1: biến đầu vào sẵn sàng,

- T2 : biến đầu ra xuất hiện,

- T3 : bộ điều khiển thực thi gắn một hàm điều khiển đã xác định vào một thuật toán cụ thể,

- T4 : bắt đầu thực hiện thuật toán,

- T5 : thuật toán được thực thi hoàn thành và xây dựng giá trị các biến đầu ra,

- T6 : thời gian thực thi thuật toán kết thúc,

- T7 : bộ điều khiển thực thi được gợi nhớ,

- T8 : bộ điều khiển thực thi sinh ra sự kiện đầu ra

Trong đó: TĐầu vào = T4 - T2 ; TThuật toán = T6 – T4 và TĐầu ra = T8 – T6

Ngoài ra, IEC còn đặc tả chi tiếp về cấu trúc và ứng xử truyền thông, chúng

ta có thể tham khảo trong tài liệu [2], [3]

Như vậy, trong chương này chúng tôi đưa ra một số mô hình dùng để đặc tả ứng xử hệ thống động lực lai như: Automate lai, Grafcet, Petri net Một số phương pháp mô phỏng và thực thi hệ thống như: Modelica, Matlab & Simulink, mô hình khối chức năng (IEC) Ngoài ra, chúng tôi cũng đã giới thiệu công nghệ hướng đối tượng để phát triển các HDS, sử dụng ngôn ngữ mô hình hóa trong thời gian thực

để đặc tả, trực quan, xây dựng hệ thống công nghiệp có đặc tả ứng xử bởi Automate lai

37

Chương 3- QUY TRÌNH PHẦN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HDS VỚI

REAL TIME UML Trong chương này, chúng tôi giới thiệu một phương pháp mà được dựa trên

sự cộng tác các đối tượng, các gói, cổng, giao thức và lớp thực thể để thực thi Automate lai với sự kiện, tín hiệu đầu vào và đầu ra để xác định nhanh chóng cấu trúc và sự thực thi các đối tượng điều khiển của hệ thống điều khiển công nghiệp Phương pháp này cũng cho phép các hệ thống điều khiển có thể được tái sử dụng lại trong giai đoạn thiết kế ứng dụng mới Chúng tôi giới thiệu từng bước các đặc tả

của Automate lai như là: xác định của các trường hợp sử dụng (Use cases) và các

máy trạng thái cục bộ, cấu trúc của máy trạng thái toàn cục của hệ thống phát triển, xác định các dịch chuyển của nó Tiếp theo, chúng tôi đưa ra phân tích về mặt lý thuyết, xác định của cộng tác các đối tượng của hệ thống điều khiển, xác định của các gói điều khiển cơ bản, cổng và giao thức truyền thông, với các kết nối tĩnh và động được hợp nhất giữa chúng Sau đó, chúng tôi giới thiệu các giả thuyết quan trọng mà cho phép tất cả các gói đã được xác định của hệ thống này tạo ra các tiến trình của chúng Cuối cùng, chúng tôi đưa ra bản thiết kế với Real time UML và các luật tái sử dụng các phần tử tổng quan của bản thiết kế nhằm phát triển HDS công nghiệp một cách tối ưu và hiệu quả nhất

3.1 Mô tả Automate lai trong HDS, giả thiết tính thực thi và chu trình phát triển lặp cho HDS

3.1.1 Mô tả Automate lai trong HDS

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 điều khiện ràng buộc [16], [17] sau đây:

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 sơ đồ 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

3.1.2 Các 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 x q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 Jump q’, 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 x qinv(q) và Guard(a) = True, aA, thì hệ thống sẽ giữ nguyên trạng thái

hiện trạng q,

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

hiện trạng q,

39

- Nếu x q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

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]

Hình 3.2 Chu trình vòng đời lặp của HDS

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

3.2.1 Nhận 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 xử được 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 sơ đồ diễn tiến [1] Ví dụ về mô hình trường hợp