Kiberfizikai rendszerek

Átírás

1 Kibefizikai endszeek A fizikai vonatkozásokól novembe 15. 1

2 Real-time változók (RT entities): állapotváltozók, mint pl. folyadék áam, szabályozó alapjele, szabályozó szelep kívánt pozíciója. Vannak statikus és időben változó, dinamikus attibútumai. Minden RT változó annak az alendszenek az ún. befolyásolhatósági tatományában (sphee of contol, SO) van, amelyik jogosult étékét megváltoztatni. Azon kívülől a RT változó csak olvasható. Egy RT változó lehet diszkét vagy folytonos étékű. A diszkét RT változó lehet definiálatlan. Példa: nyíló gaázsajtó: nincs se nyitva, se csukva. 1 0 záva nyitva mintavételezés 2

3 Megfigyelések: a RT változó étékei adott időpont(ok)ban. Megfigyelés =<név, megfigyelési idő, éték> Megfigyelések elosztott : ha nincs globális óa, akko az időbélyeg használhatósága kolátozott, megfigyelési időnek sokszo az üzenet ékezési idejét veszik. Ezzel jelentős hibát okozhatunk az állapotbecslésben. Indiekt megfigyelések: sokszo a megfigyelendő mennyiség közvetlenül nem féhető hozzá. Ilyenko közvetett megfigyeléseket végzünk modellek felhasználásával. (Például belső hőméséklet megfigyelése a felszínen elhelyezett ézékelőkkel). Állapot megfigyelések: minden megfigyelés önállóan ételmezhető étéket ad. Jellegzetesen peiodikus mintavételezéssel végezzük. Esemény megfigyelések: az esemény adott időpontban bekövetkező állapotváltozás. Mivel maga a megfigyelés is egy esemény, ezét nem lehetséges egy esemény közvetlen megfigyelése az iányított objektumban, csak annak következményeit tudjuk megfigyelni. 3

4 Real-time változók képe (RT images): a RT változó megfeleltetése a számítógépes pogamban, amelynek ételmezzük az időbeni és az amplitúdó szeinti pontosságát, valamint az időbeni évényességét. Egy RT változó képe aktuális állapot, ill. esemény megfigyelés, vagy állapot becslés. Real-time objektumok (RT objects): Egy RT objektum az elosztott endsze csomópontján belül egy olyan táoló, amely egy RT változót, vagy annak képét tatalmazza. Minden ilyen objektumhoz tatozik egy előít pontosságú óa. Amiko ez üt, egy objektum eljáás aktiválásáa keül so. Ha ez peiodikus, akko szinkon RT objektumól beszélünk. Elosztott RT objektumól beszélünk, ha a különféle csomópontokban másolat fomájában van jelen. Ee jó példa a globális óa, amelynek együttfutású másolatait hozzuk léte az egyes csomópontokban. 4

5 Időbeni pontosság: A megfigyelések évén szezett infomáció időbeni megjelenése a számítógépes pogamban és tényleges megfigyelés tényleges időpontja óhatatlanul eltének egymástól. Az időbeni pontosság azzal a d pontosság intevallummal definiálódik, amelyhez tatozóan bekövetkező amplitúdó hiba még éppen elviselhető a vezéelt endsze szempontjából. Példa: az alábbi táblázatban néhány gépjámű moto jellemző szeepel együtt a megkívánt amplitúdó pontossággal és az ennek megfeleltethető időintevallumokkal. RT kép a számítógépben max. változás pontosság időbeni pontosság Dugattyú pozíció 6000 fod/pec 0.1 3sec Gázpedál pozíció 100%/sec 1% 10 msec Moto tehelés 50%/sec 1% 20 msec Olaj és hűtővíz hőméséklet 10%/pec 1% 6 sec Az RT képek pontossági intevallumai között több, mint 6 nagyságend eltéés van. A dugattyú pozíció esetében ez a pontosság paktikusan csak állapotbecsléssel (a pogamon belüli jóslással) lehetséges. 5

6 A megfigyelés és a felhasználás között eltelt idő egy v változó esetén a következő hibát okozza: dv( t) hiba( t) ( t ) ( ) felhasználás tmegfigyelé s dt Ha egy időben pontos RT képet használunk, akko a wost-case hiba: hiba max t dv( t) dt d pontosság Kiegyensúlyozott tevezés esetén ez utóbbi az amplitúdó méési hiba nagyságendjébe kell essen. Ahhoz, hogy az RT képe alapozott számításaink pontosak legyenek, be kell tatanunk az alábbi feltételt ( t felhasználás) ( tmegfigyelés ) d pontosság

7 Példa az időbeni évényessége: szeptembe 14, vasói epülőté: egy Lufthansa A320-as Aibus túlszaladt a kifutópályán: 2 halott, 54 sebesült. A balesetet az okozta, hogy a gép kilenc másodpecig csak az egyik oldali keekén támaszkodott, ezét a fékező mechanizmusok bekapcsolása nem tötént meg, mivel annak feltételeként a vezélő logikában mindkét (fő)keék földet éését íták elő. Valójában az a következtetés, hogy a epülőgép még a levegőben van, ezét a fékező mechanizmusok nem aktiválhatók időben événytelenné vált abban a pillanatban, amiko az egyik keék földet ét. Egy peiódikusan fissített RT képet paametikusnak, vagy fázis-ézéketlennek hívunk, ha d pontoság > d fissítés + WET üzenet továbbítás. A paametikus RT kép a vevő oldalon bámiko felhasználható anélkül, hogy a beékezés és a felhasználás fázisviszonyait mélegelni kellene: még a pontossági időn belül megjön a fissítés.

8 Egy peiodikusan fissített RT képet fázis-ézékenynek hívunk, ha WET üzenet továbbítás < d pontosság < d fissítés + WET üzenet továbbítás. Ilyenko nem biztos, hogy a pontossági időn belül megjön a fissítés, ezét a fissítés és a felhasználás idejée oda kell figyelni. Példa: A fenti táblázatban szeeplő gázpedál pozíció továbbítási ideje 4 msec. Ha ekko a peiodikus lekédezés üteme kisebb, mint 6 msec, akko az RT kép paametikus, ha pedig pl. 8 msec, akko pedig fázis-ézékeny. A fázis ézékenységet megfelelő mintavételi fekvenciával, vagy állapotbecslés alkalmazásával keülhetjük el. Állandóság (Pemanence). Jelentése: megmaad/stabilizálódik/évényessé válik az üzenet állapota. Egy üzenet akko válik állandóvá/megmaadóvá/évényessé, amiko a vevő csomópont tudja, hogy minden, a jelen üzenet küldési ideje előtt elküldött üzenet má meg kellett ékezzen, vagy sosem fog megékezni.

9 Példa: Egy tatályban lévő nyomást monitoozunk egy elosztott endszeel. A csomópont: alam monito, B csomópont: opeáto, csomópont: szabályzó szelep, D csomópont: nyomás ézékelő. Lehetséges üzenetek: M DA : jelzi, hogy a nyomás hitelen megváltozott, M B : opeátoi paancs a változtatása, M BA : nincs alam helyzet, met opeátoi beavatkozás volt. Van egy eltakat, a fizikai endsze működéséből adódó csatona a szelep és a nyomásézékelő között. Téves iasztás jöhet léte, ha a B D A láncon gyosabban fut végig az infomáció, mint a B A láncon. Ennek elkeülése édekében az alam monito minden akcióját késleltetni kell. (Bizonyos akciók visszavonhatatlanok: pilóta katapultál, lőfegyve elsül, stb.) Alam monito A B Opeáto D Szelep vezélés Nyomás ézékelő Vegyük észe, hogy maga a technológia Is kommunikációs csatonát valósít meg!

10 Akció késleltetési idő: (action delay) amíg évényessé nem válik az üzenet (ezt mindig ki kell váni). Számítása, ha (1) van globális óa: t évényes = t küld + d max + 2g, ahol g az óa felbontása, ha (2) nincs globális óa: t évényes = t küld + 2d max - d min + g l, ahol g l a lokális óa felbontása. Látható, hogy a második esetben d max - d min idővel többet kell váni, met valójában a küldés ideje nem ismet, míg az első esetben a küldés időpontja az üzenet észeként elküldhető. Megjegyzés: (1) Az akció késleltetési idő számításáa vonatkozó gondolatmenet megétését segíti, ha elképzelünk egy külső megfigyelőt, aki minden időpontot isme, és tisztában van azzal is, hogy az egyes csomópontokban mi ismet és mi nem. (2) (2) Egy RT kép csak az állandóság bekövetkezése után használható. Ha ez nagyobb, mint az RT kép időbeni pontossága, akko csak az állapotbecslés segíthet.

11 Idempotencia: Ha ugyanaz az üzenet tipikusan hibatűési céllal többszö is megékezik ugyanaa a csomóponta, akko ezt az üzenethalmazt idempotensnek nevezzük, ha a a többszöi azonos üzenet hatása ugyanaz, mint az egyszeié. Ez a fogalom azét fontos, met ha az üzenet úgy konstuáljuk meg, hogy az megváltozást hodozzon, akko a többszöi üzenetküldés többszöi koekciót eedményez, miközben csak egyszeit szeettünk volna. Példa: szelep-állás 45 (állapot üzenet) szelep-állás változás 5 (esemény üzenet).

12 PS endszeek modellezési kédései Példa: Készítsünk pogamozható feszültségosztó áamköt-beendezést! U 0 (t) R Következmény: U 0 1 U(t) U t = U 0 t R + R U t = i t R i t = U 0(t) + R R legyen változtatható! Tegyük R helyébe az alábbi áamköt! R i(t) A/D D/A? U t = i t R i(t = 0) = U 0 i t = t = U 0 R U 0 U(t = 0) = 0 1 = i(t = 2 t) = U 0 R 1 R 1 R U 0 1 = U 0 1 R + R µp, DSP, felhő, U t = t = R U 0 2 U 0 U t = Ri t t U(t = 2 t) = R 1 R U 0

13 PS endszeek modellezési kédései i(t = n t) = U(t = n t) = R 1 R + R 1 R + R 2 2 ± R R n U 0 U 0 + R n 1 U 0 U R 0 + R Ha R < 1 A példából levonható következtetés: A PS endszeek nem tudják, pontosabban másképpen tudják az Ohm tövényt!

14 PS endszeek modellezési kédései Példa: Készítsünk kapacitás szimuláto beendezést! i(t) R U U t 1 t t it dt U 0 0 i(t) Integáljunk a tapéz szabállyal! U nt U 0 t U nt Itt van egy kis gond: int R 1 A példából levonható következtetés: A PS endszeek nem tudják a tapéz szabályt! n k1 i 0 t Δt i i(t) k 1t ikt függ n t 2 U -től! n 1t int 2 nδt (n+1)δt t U Nem tudjuk Kiszámolni! 0 Pedig: a tapéz szabály a bilineáis Z tanszfomációt valósítja meg! 2 z 1 s helyébe t z 1 t

15 A befogadó könyezet megismeése A méési eljáás: a megismeési folyamat észe, amelynek soán a endelkezésünke álló ismeeteinket pontosítjuk, ill. bővítjük. A méés soán a valóság jelenségeit szeetnénk megagadni. Ezt a megagadást előszeetettel végezzük olyan jellemzőke építve, amelyek valamilyen ételemben stabilitást mutatnak. Ilyen jellemzőkhöz (is) absztakció évén jutunk. Kiemelt szeephez jutnak az állapotváltozók (x), amelyek változásai a kölcsönhatások évén fellépő enegia-folyamatokhoz köthetők (feszültség, nyomás, hőméséklet, sebesség, stb.) a paaméteek (a), amelyek a kölcsönhatások intenzitásviszonyait agadják meg, és a stuktúák (S), amelyek a endsze-komponensek kapcsolatait íják le. A megismeés kölcsönhatás(ok) évén válik lehetővé. Ennek eszköze az ézékelő. A valóság tee egy olyan absztakció, amelyben a vizsgált jellemzők konkét étékei a té egy pontjának felelnek meg. A méés előtt a pont koodinátáit nem ismejük. A méések soán egy-egy ilyen pont koodinátáinak meghatáozásáa (megméésée) töekszünk, ami ismet módon csak közelítőleg lehetséges (a méés hibával tehelt). További nehézség, hogy a méendő mennyiséghez sok esetben nem féünk közvetlenül hozzá, ezét többnyie csak valamilyen leképzéséből tudunk kiindulni. Ezt a leképzést nevezzük megfigyelésnek. A méendő és a megfigyelt éték közötti út a méési/jelátviteli csatona. 15

16 A befogadó könyezet megismeése Valóság tee Megfigyelések tee Döntések/becslések tee a x S Fizikai, biológiai, kémiai oldal Modell A/D Ŝ xˆ Számítógépes/kibe oldal Invez modell â 16