Príspevok k modelovaniu a riadeniu robotických systémov s využitím metód umelej inteligencie

Prepis

1 PRÍSPEVOK K HYBRIDNÝM MODELOM KYBER-FYZIKÁLNYCH SYSTÉMOV A ICH IMPLEMENTÁCIA DO DISTRIBUOVANÉHO SYSTÉMU RIADENIA TUKE FEI KKUI školiteľ: Ing. Dominik Vošček doc. Ing. Anna Jadlovská, PhD

2 ČLENENIE OBHAJOBY PÍSOMNEJ PRÁCE K DIZERTAČNEJ SKÚŠKE 1. Charakteristika a implementácia kyber-fyzikálnych systémov 2. Príklady kyber-fyzikálnych systémov 3. Formalizmus hybridných systémov 4. Matematické reprezentácie hybridných systémov 4.P Príklad hybridného systému 5. Riadenie hybridných systémov 1. 5.P Príklad riadenia hybridného systému 6. Predstavenie implementácie DCS ITS v rámci riešenia úloh pre ALICE CERN 7. Simulačné nástroje 8. Ciele dizertačnej práce

3 CHARAKTERISTIKA A IMPLEMENTÁCIA KYBER- FYZIKÁLNYCH SYSTÉMOV 1.

4 1. ČO JE KYBER-FYZIKÁLNY SYSTÉM Kyber-fyzikálny systém (Cyber-Physical System - CPS) nové štandardy týkajúce sa zložitých vnorených ( embedded) systémov integrácia výpočtových a fyzických procesov, ktorých správanie sa je definované ako kyber časťou, tak aj fyzickou časťou systému výskumné výzvy a) architektúra CPS, c) robustnosť CPS, b) bezpečnosť CPS, d) verifikácia CPS, e) modelovanie a riadenie CPS ako hybridných systémov.

5 1. KONCEPCIA CPS Kyber časť výpočtové platformy + digitálne siete Fyzická časť Štruktúra CPS

6 1. IMPLEMENTÁCIA CPS Hlavné časti implementácie CPS: Modelovanie čo systém robí. Návrh ako systém robí to čo robí. Analýza prečo sa systém správa ako sa správa.

7 PRÍKLADY CPS Distribuovaný systém riadenia na KKUI 2. Viacúčelové pracovisko nedeštruktívnej diagnostiky 3. Modelová aplikácia hydraulického systému 4. Modelová aplikácia výťahu 5. Detector Control System ALICE CERN

8 2.1 DSR NA KKUI AKO PRÍKLAD CPS Distribuovaný systém riadenia na KKUI

9 2.2 VIACÚČELOVÉ PRACOVISKO NEDEŠTRUKTÍVNEJ DIAGNOSTIKY AKO PRÍKLAD CPS riešenie úloh v rámci UVP Technicom - Centrum pre nedeštruktívnu diagnostiku technologických procesov Systém jednoduchého inverzného kyvadla s lineárnym motorom ( Implementácia do DSR

10 2.3 MODELOVÁ APLIKÁCIA HYDRAULICKÉHO SYSTÉMU AKO PRÍKLAD CPS prepis MA do hybridného po častiach afinného systému PWA Modelová aplikácia hydraulického systému ( Implementácia MA do DSR

11 2.4 MODELOVÁ APLIKÁCIA VÝŤAHU AKO PRÍKLAD CPS obsahuje časti so spojitou dynamikou (regulácia rýchlosti kabíny), ako aj časti s diskrétnou dynamikou (výťah stojí, je v pohybe...) Modelová aplikácia výťahu ( Implementácia MA do DSR

12 2.5 INFRAŠTRUKTÚRA DCS EXPERIMENTU ALICE CERN AKO PRÍKLAD CPS projekt základného výskumu Experiment ALICE na LHC v CERN Štúdium silno interagujúc ej hmoty v extrémnyc h podmienkac h Detector Control System experimentu ALICE CERN (

13 FORMALIZMUS HYBRIDNÝCH SYSTÉMOV 3.

14 3. HYBRIDNÝ SYSTÉM Hybridný systém (HS) Spojitá dynamika Diferenciálne rovnice Diferenčné rovnice Diskrétna dynamika Petriho siete Konečno stavové automaty

15 3. HYBRIDNÝ CHARAKTER DYNAMICKÝCH SYSTÉMOV Prepínanie medzi viacerými spojitými dynamikami: skákajúca loptička Hybridné riadenie termostat

16 3. HYBRIDNÉ AUTOMAT Y MATEMATICKÝ FORMALIZMUS Hybridný automat: n-tica H = (Q, X, f, Init, Dom, E, G, R): Q - konečná množina stavov {q 1, q 1,..., q max } X R n stavový priestor f: Q R n R n - spojitý priebeh stavového vektora x(t) Init Q X množina počiatočných stavov Dom: Q 2 X - oblasť vývoja spojitého stavu systému x(t) E Q Q množina hrán q i, q j E : G (q i, q j ) hraničné podmienky prepnutia R: E R n R n - množina prechodov Stav hybridného automatu q, x(t) Q R n

17 3. HYBRIDNÉ AUTOMAT Y GRAFICKÁ REPREZENTÁCIA Grafická reprezentácia hybridného automatu

18 3. ŠPECIFIKÁ HS HYBRIDNÁ ČASOVÁ DOMÉNA Hybridná časová doména: množina časových okamihov, počas ktorých je definované riešenie hybridného systému, konečná alebo nekonečná postupnosť intervalov. Dĺžka diskrétnej časti HS T = N Dĺžka spojitej časti HS N T = τ i τ i i=0

19 3. ŠPECIFIKÁ HS HYBRIDNÁ ČASOVÁ TRAJEKTÓRIA Hybridná trajektória Φ T, q, x t je riešením HS ak platí: 1. počiatočné podmienky hybridného systému q 0, x 0 Init, 2. pre vývoj diskrétnej dynamiky platí: (q(τ i+1 ), x(τ i +1 )) R(q i (τ i ), x i (τ i )), 3. pre vývoj spojitej dynamiky platí pre i: a) q : I i Q je konštantná funkcia, pokiaľ t I i, t.j. q(t) = q(τ i ), t I i b) x(t) : I i X je riešením diferenciálnej rovnice x(t) = f(q(t), x(t)) na intervale I i s počiatočnými podmienkami x(τ i ) c) pre t τ i, τ i ) platí, že x(t) Dom(q).

20 MATEMATICKÉ REPREZENTÁCIE HYBRIDNÝCH SYSTÉMOV 4.

21 4. DRUHY HYBRIDNÝCH SYSTÉMOV Najvýznamnejšie reprezentácie HS: 1. Diskrétne hybridné automaty ( DHA) 2. Po častiach afinné systémy ( PWA) 3. Zmiešané logicko-dynamické systémy (MLD) 4. Prepínané systémy (switched systems) 5. Lineárne komplementárne systémy (LC) 6. Rozšírené lineárne komplementárne systémy ( ELC) 7. Max-min-plus-scaling systémy (MMPS)

22 4.1 DISKRÉTNE HYBRIDNÉ AUTOMAT Y

23 4.2 PO ČASTIACH AFINNÉ SYSTÉMY Po častiach afinný systém (PWA) so spojitou dynamikou so spojitým časom t alebo s diskrétnym časom k Konvexný polyhéder:

24 4.3 PREPÍNACIE SYSTÉMY 4.4 ZMIEŠANÉ LOGICKO-DYNAMICKÉ SYSTÉMY 4.3 Spojitá a diskrétna dynamika prepínacieho systému: Prepínací systém ako hybridný automat pri splnení podmienok: 4.4 Matematický formalizmus zmiešaných logicko-dynamických systémov:

25 PRÍKLAD HYBRIDNEJ REPREZENTÁCIE SYSTÉMU 4.P

26 4.P HYBRIDNÝ HYDRAULICKÝ SYSTÉM MODELOVANIE (1) Fyzikálne veličiny systému: h 1 (t) h 2 (t) q in (t) výška hladiny pr vej nádoby - výška hladiny druhej nádoby prítok Parametre systému: h - výška prvej nádoby R 1 - polomer prvej nádoby F 1 (t) prierez prvej nádoby F 2 - prierez druhej nádoby k 1, k 2 - odporové konštanty VOŠČEK, D. & JADLOVSKÁ, A. Modelling and control of a cyber-physical system represented by hydraulic coupled tanks. In: Applied Machine Intelligence and Informatics (SAMI), 2017 IEEE 15th International Symposium on. IEEE, 2017.

27 4.P HYBRIDNÝ HYDRAULICKÝ SYSTÉM MODELOVANIE (2) Dynamika systému: Sústava rovníc pre diskrétny stav bez interakcie Sústava rovníc pre diskrétny stav s interakciou

28 4.P HYBRIDNÁ ČASOVÁ DOMÉNA A TRAJEKTÓRIA Hybridná časová doména a trajektória hybridného hydraulického systému:

29 4.P DRUHY HYBRIDNÝCH SYSTÉMOV (1) Diskrétne hybridné automaty ( DHA): 1. Prepínacie afinné systémy q 1 q 2 2. Generátor udalostí 3. Konečno-stavové automaty q 1 (bez interakcie) q 2 (s interakciou) 4. Prepínač módu

30 4.P DRUHY HYBRIDNÝCH SYSTÉMOV (2) Po častiach afinné (PWA) systémy:

31 RIADENIE HYBRIDNÝCH SYSTÉMOV Supervízne hybridné riadenie + aplikačný príklad 2. Optimálne riadenie hybridných systémov 3. Prediktívne riadenie hybridných systémov

32 5.1 SUPERVÍZNE HYBRIDNÉ RIADENIE Nemožnosť návrhu jedného zákona riadenia: 1. referenčná trajektória dynamického systému sa skladá z niekoľkých častí výrazne odlišných typov 2. prítomnosť ohraničení akčných členov (saturácia) alebo snímačov 3. model systému obsahuje neurčitosti

33 5.1 SUPERVÍZNE HYBRIDNÉ RIADENIE APLIKAČNÝ PRÍKLAD Supervízne hybridné riadenie systému jednoduchého inverzného kyvadla s lineárnym synchrónnym motorom: Časový priebeh vybraných stavových veličín a akčného zásahu Bloková schéma riadenia JADLOVSKÁ, Anna; JADLOVSKÁ, Slávka; VOŠČEK, Dominik. Cyber-Physical System Implementation into the Distributed Control System. IFAC-PapersOnLine, 2016, 49.25:

34 5.2 OPTIMÁLNE RIADENIE HYBRIDNÝCH SYSTÉMOV Optimalizačná úloha nájdenia postupnosti riadiacich signálov: pri minimalizácii funkcionálu:

35 5.3 PREDIKTÍVNE RIADENIE DYNAMICKÝCH SYSTÉMOV Optimalizačný problém minimalizácie funkcionálu: Postupnosť krokov MPC: 1. v kroku k zisti stav systému x(k), 2. vyrieš optimalizačný problém, 3. na vstup do systému aplikuj prvý prvok riešenia z kroku 2: 4. ignoruj všetky ďalšie pr vky riešenia z kroku 2, 5. vráť sa na začiatok a opakuj s k = k+1.

36 5.3 PREDIKTÍVNE RIADENIE HYBRIDNÝCH SYSTÉMOV Optimalizačný problém rovnaký ako pri MPC algoritme s rozdielom vo vektore: Explicitné prediktívne riadenie (empc)

37 RIADENIE HYBRIDNÝCH SYSTÉMOV - PRÍKLAD 5.P

38 5.P RIADIACE ŠTRUKTÚRY - PRÍKLAD Riadiaca schéma optimálneho riadenia Riadiaca schéma empc

39 5.P OPTIMÁLNE RIADENIE HYBRIDNÝCH SYSTÉMOV - PRÍKLAD

40 5.P PREDIKTÍVNE RIADENIE HYBRIDNÝCH SYSTÉMOV - PRÍKLAD

41 PREDSTAVENIE ITS V RÁMCI RIEŠENIA ÚLOH PRE ALICE CERN 6.

42 6. MODELOVANIE A RIADENIE DCS V RÁMCI EXPERIMENTU ALICE CERN Projekt: Experiment ALICE na LHC v CERNe: Štúdium silno interagujúcej hmoty v externých podmienkach Výskumné úlohy: a) vývoj modulov pre riadiacu infraštruktúru Inner Tracking System (ITS) v rámci DCS b) návrh komunikačnej infraštruktúr y DCS Schematické znázornenie infraštruktúry riadiaceho systému detektora

43 6. MODELOVANIE A RIADENIE DCS V RÁMCI EXPERIMENTU ALICE CERN Hierarchická schéma návrhu riadenia ITS: Logická schéma návrhu riadenia DCS ITS pomocou konečno stavových automatov v nástroji WinCC OA:

44 6. MODELOVANIE A RIADENIE DCS V RÁMCI EXPERIMENTU ALICE CERN Príklad konečno stavového automatu DCS v CERNe

45 SIMULAČNÉ NÁSTROJE 7.

46 7. SIMULAČNÉ NÁSTROJE HYSDEL Multiparametric Toolbox Hybrid Identification Toolbox PWA System Identification Toolbox Hybrid Toolbox Stateflow Toolbox

47 7. SIMULAČNÝ NÁSTROJ WINCC OA Konfigurácia pomocou štandardných panelov Pripojenie k DB Ovládače Repor ty Vizualizácia rôznych typov dát Archivácia a trendy