Kursplan för Modellbaserad utveckling av cyberfysiska system

• Krav: Linear Control System Design (SSY285) eller motsvarande och Modeling and Simulation (ESS101) eller motsvarande.
• Rekommenderade: Discrete Event Systems (SSY165) eller motsvarande.

Det övergripande syftet är att introducera de grundläggande principerna för design, specifikation, modellering, analys och implementering av inbyggda styrsystem. Inbyggda styrsystem är idag distribuerade, dvs de kan kommunicera med varandra, de utför beräkningar samt interagerar med den fysikaliska omgivningen vid sensorer och aktuatorer. Inbyggda styrsystem finns snart sagt överallt, bl.a. i fordon, medicintekniska system, produktionssystem, och i intelligenta hus. Komplexiteten på dessa system ökar och behovet av strukturerade ansatser för att utveckla sådana systen är därför nödvändiga. Systemen är ofta säkerhetskritiska och därför är det viktigt att tidigt i utvecklingsfaserna säkerställa att systemet fungerar på avsett sätt. Inom industrin så ökar användningen av modellbaserade ansatser tillsammans med formella metoder för att fånga fel så tidigt som möjligt i utvecklingsfaserna och dämed öka tillförlitligheten hos systemet. I denna kurs introducerar vi a strukturerad ansats till att designa, specificera, modellera och analysera inbyggda styrsystem genom att använda matematiskt väldefinierade modeller tillsammans med formella metoder. Kursen behandlar och realiseringen av styrfunktioner  med hjälp av mikroprocessorer och realtidsoperativsystem.

Introduktion

• Beskriva vad som karakteriserar cyber-physical system.
• Beskriva utvecklingsprocessen för cyber-physical system

Modellering och simulering

• Beskriva hur differential-algebraiska ekvationer kan användas för att bygga modeler av mekaniska och elektriska system.
• Beskriva när ett systems dynamik ej korrekt kan beskrivas av varken kontinuerlig eller diskret-event dynamik och en hybrid beskrivning därför är nödvändig.
• Beskriva hur matematiska modeller av system som inbegriper både kontinuerlig och diskret-event dynamik, dvs så kallade hybrida system.
• Demonstrera hur man kan bygga modeler av hybrid system med hjälp av modelleringsspråket Modelica/Simscape och hur dessa kan användas för att simulera systemet.
• Beskriva när Zeno-beteende kan uppträda och hur det påverkar simuleringen av hybrida system.
• Beskriv hur simuleringsmodeller kan modifieras för att undvika Zeno-effekter.
• Beskriv utmaningarna med att analysera stabilitet av hybrida system.
• Demonstrera färdigheter att modellera och simulera dynamik för elektro-mekaniska modeller.

Design av reglersystem

• Demonstrera färdigheter att bygga tisdiskreta dynamiska modeller från kontunerliga dynamiska modeller.
• Demonstrera färdigheter att designa PID-regulatorrer och LQ-requlatorer för elektro-mekaniska system.
• Beskriva hur anti-windup tekniker kan användas för att hantera styrsignalbegärnsningar.
• Beskriva hur stötfri övergång mellan manuella och automatiska moder kan implementeras.

Realisering av regulatorer

• Beskriva hur programmeringsspråket C kan användas för interagera med hårdvara med hjälp av avbrottshantering.
• Beskriva hur minneshantering hanteras i C.
• Demonstrera färdigheter med att implementera PID och tillståndsåterkopplingsregulatorer i C.
• Demonstrate färdigheten att implementera tillståndsmaskiner i C.
• Demonstrera färdigheter med att implementera hybrid styrstrukturer i C.

Realtidsoperativsystem

• Beskriva de generella byggstenarna I ett realtidsoperativsystem.
• Beskriva vad som karakteriserar en process.
• Beskriva vad som karakteriserar en tråd.
• Beskriva varför ömsedig uteslutning mellan multipla trådar är nödvändigt för att undvika race-villkor och hur det kan implementeras med mutual exclusion.
• Beskriva hur trådar kan koordineras med hjälpa till dödlägen.
• Förklara hur man kan strukturera hantering av semaforer.
• Beskriva hur ömsesidig uteslutning kan ledgen av lås för ömesidig uteslutning så att dödlägen undviks.
• Beskriva skillnaderna mellan off-line och on-line schemaläggare (scheduler) och situationer där det kan vara lämpligt att använda dem.
• Beskriv hur en static-order schemaläggare fungerar och när det kan vara lämpligt att använda den.
• Definiera vad som kännetecknar en preemtive-scheduler.
• Beskriv hur prioriteten för en uppgift påverkar de beslut som fattas av schemaläggaren.
• Definiera tider (release time, response time,finish time och deadline) i samband med exekverandet av tasks.
• Förmåga att tillämpa och analysera beteendet hos scheman som fastställts enligt rate och deadline monotonic principerna. Förklara under vilka villkor ett schema är optimalt. Applicera tillräckliga och nödvändiga villkor för att avgöra om det är möjligt att göra en schemaläggning, samt att beräkna värstafalls svarstider.
• Förklara under vilka omständigheter som priority inversion kan inträffa. Förklara hur priority inheritance och priority ceiling kan lösa problemet med priority inversion.
• Förmåga att applicera och analysera earliest deadline first principen.
• Utvärdera relative för och nackdelar med synchronous-reactive paradigmen jämfört med en trådbaserad ansats för styrning av säkerhetskritiska applikationer.

Specifikation, testing och verifiering

• Förmåga att beskriva specifikationer med hjälp av linjär temporallogik (LTL).
• Förmåga att beskriva specifikationer med signal temporallogik (STL).
• Beskriva hur modellbaserad testing kan användas för att testa hybrida system.
• Beskriva möjligheter och begränsningarna med model-checking ansatser.

Se lärandemål.

Undervisningen sker i form av projekt, föreläsningar och inlämningsuppgifter.

1. Rajeev Alur. Principles of Cyber-Physical Systems. MIT Press, 2015. ISBN: 9780262029117 
2. Peter Corke, Robotics, Vision and Control, Springer, 2011. ISBN: 978-3-642-20144-8
3. C for Java Programmers, J. Maassen. 
4. Björn Wittenmark, Karl Johan Åström, Karl-Erik Årzén: Computer Control: An Overview. IFAC Professional Brief.
5. Utdelade artiklar.

1. Projektarbete kring modell-baserad utveckling av cyber-fysikaliska system.
2. Duggor (online/offline) kring teorin för modell-baserad utveckling av cyberfysikaliska system.
3. Projektarbete kring etik och ingenjörens roll i samhället.