Вбудовані системи керування в мехатроніці

В дисципліні окреслюються сучасні підходи теорії неперервного та дискретного управління локалізованими системами, засоби автоматизованого моделювання, структурно-параметричного аналізу  характеристик вбудованих систем, динамічні властивості та паралельні моделі обчислень. Проектування вбудованих систем із урахуванням архітектури процесора та пам'яті з упором на побудову інформаційно-обчислювальних систем реального часу. Аналіз вбудованих систем на базі специфікацій інваріантності, часової логіки, кількісного аналізу, оптимізації роботи, безпеки та конфіденційності.

Метою навчальної дисципліни є ознайомлення студентів із основами проектування вбудованих систем управління мехатронними об'єктами як кіберфізичних систем. Розглядається повний, замкнений цикл процесу прийняття рішення: моделювання — проектування — аналіз. 

Задачами вивчення навчальної дисципліни є: розтлумачення парадигми та сучасних методів проектування вбудованих систем управління для мехатронних пристроїв та систем. Ознайомитись з методами та засобами математичного моделювання процесів неперервного та дискретного характеру, попередньої оцінки динамічних властивостей систем, композиції кінцевих автоматів, особливостей реалізації паралельних обчислень в медедовищах моделювання MATLAB/Simulink та LabVIEW. Розгляд будови та реалізації вбудованих мікропроцесорів та архітектури пам'яті, багатозадачності та планування процесів у режимі реального часу. Метою є навчити студентів впроваджувати системи, обдумуючи традиційні рівні абстракції, наприклад апаратне та програмне забезпечення, обчислення та фізичні процеси. Методи аналізу роботи систем спираючись на інваріантності та часову логіку, еквівалентність та вдосконалення існуючих моделей в задачах структурної оптимізації, аналіз кількісних властивостей вбудованого програмного забезпечення, визначення меж ресурсів споживаних програмами, безпеки та конфіденційності для проектування вбудованих систем, включаючи криптографічні примітиви, безпеку протоколів, безпеку програмного забезпечення, безпечний потік інформації, дублюючі канали та захист датчиків.

Отримані знання з навчальної дисципліни стануть складовими наступних програмних результатів вмінь застосовувати методи системного аналізу, моделювання, ідентифікації та числові методи для розроблення математичних та імітаційних моделей окремих елементів та систем автоматизації в цілому, для аналізу якості їх функціонування із використанням новітніх комп’ютерних технологій. Вмінь виконувати роботи з проектування систем автоматизації, знати зміст і правила оформлення проектних матеріалів, склад проектної документації та послідовність виконання проектних робіт з врахуванням вимог відповідних нормативно-правових документів та міжнародних стандартів.

Тема 1. Динамічні властивості та моделі  неперервних та дискретних кіберфізичних систем. Основні поняття та визначення кіберфізичних систем, етапи проектування вбудованих систем управління. Розгляд усталених методів моделювання динаміки фізичних систем неперервної поведінки. Рівняння динаміки Ньютона. Поняття функціонального блоку та складові властивості систем: причинно-наслідкові, системи з пам'яттю та без пам'яті, лінійна та часова інваріантність та стабільність. Управління за зворотнім зв'язком. Методи моделювання дискретних систем, які краще відображають поведінку програмного забезпечення. Поняття простору стану, кінцевого автомату, графова модель відображення станів системи. Автомати із розширеним станом. Недетерміновані кінцеві автомати, властивості їх спостережності та керованості. Моделювання властивостей системи як кінцевого автомату.  Тема 2. Гібридні вбудовані системи управління. Об’єднання класів моделей, спільне моделювання дискретної та безперервної поведінка в рамках гібридних систем. Узгодженню іманентно паралельної природи фізичного світу з іманентно послідовним світом програмного реалізації управління. Модальні методи представлення кінцевих автоматів із узагальненою природою неперервних та дискретних процесів. Класифікація гібридних систем. Зміст синхронної композиції проектування як один із способів досягнення паралельної композиції. Асинхронна композиція кінцевого автомату. Ієрархічні кінцеві автомати. Тема 3. Моделі паралельних обчислень. Семантика паралельних обчислень, правила MoC. Структура моделей паралельних обчислень. Синхронно-реактивні моделі. Моделі обчислень потоків даних, принципи організації потоку та його синхронізації. Динаміка потоку даних. Метод структурування потоку даних. Мережі процесів обчислень Кана. Часові моделі розподілу обчислень: тригерні, дискретні та неперервні системи. Практика реалізації паралельних обчислень. Тема 4. Моделі периферійних пристроїв вбудованих систем. 

Проектування вбудованих систем, з акцентом на техніки, які використовуються для створення паралельного вбудованого програмного забезпечення в реальному часі. Обговорення датчиків та виконавчих механізмів з наголосом на тому, як їх моделювати. Типові моделі сенсорів та виконавчих механізмів. Моделювання чутливості, квантування, шуму та гармонійної дисторсії сигналів. Характеристики МЕМS сенсорів вбудованих систем: тиску, положення, орієнтації, прискорення, звуку та інші. Характеристики та моделі виконавчих механізмів: світлодіоди, двигуни постійного струму з ШИМ та зворотнім зв’язком. Тема 5. Мікропроцесори вбудованих систем та пам'ять. Проектування вбудованих процесорів, з наголосом на паралелізм апаратного забезпечення та його значення для програмістів. Типи мікропроцесорних архітектур та їх особливості, мікроконтролери, програмовані логічні контролери, сигнальні та графічні процесори. Організація паралельних обчислень, конвеєру. Паралелізм мікро інструкцій CISC та RISC мікропроцесорів. Супер масштабованість та VLІW архітектура. Мультиядерные архітектури мікропроцесорів. Типи пам'яті мікропроцесорних систем та їх ієрархія. Поняття карти пам’яті, гарвардська та нейманівська архітектура. Організація буферу та кешу, файли регістрів, методи доступу до пам’яті. Стек пам’яті та адресація. Динамічна пам’ять. Модель роботи з пам'яттю у мові високого рівня С. Тема 6. Операції введення-виведення даних у вбудованих системах. Проблеми поєднання та взаємовплив кіберфізичних компонентів систем.  Апаратне забезпечення операцій введення-виведення (І/О). Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ). Шина І/О загального призначення GPIO. Послідовні та паралельні інтерфейси та їх характеристики, шини даних. Концепція організації доступу до шини даних. Організація переривань та виключень. Контролери переривань та моделювання переривань. Тема 7. Організація багатозадачності вбудованих систем. Реалізація механізмів середнього рівня, які використовуються в програмному забезпеченні для забезпечення одночасне виконання послідовного коду. Концепція та приклад реалізації мультизадачності вбудованих систем. Програмування мовою послідовних інструкцій С. Організація та використання потоків. Кооперативна мультизадачність та режим очікування. Таймери мікропроцесора. Взаємне виключення процесів, тупикові виключення. Моделі узгодження пам’яті. Проблеми організації багатопоточності. Обчислення та передача даних. Поняття планувальника задач та його специфікація, організація систем реального часу. Моделі організації планувальника задач та їх виконання. Оцінка монотонності планувальника, часові діаграми. Алгоритм планування (планувальник) Джексона. Планування з приоритетом та взаємним виключенням. Планування мультизадачності в багатопроцесорних системах. Тема 8. Аналіз та верифікація роботи вбудованих систем.

Аналіз вбудованих систем з акцентом на методах для визначення бажаної та небажаної поведінки та перевірки відповідності реалізації форм відповідно до специфікації проектування. Часова логіка та формальна нотація поведінки І/О та еволюцію часового стану системи. Нотація може бути використана для визначення однозначно бажаної та небажаної поведінки. Характеристика та формалізми інваріантності та лінійної часової логіки роботи. Приклади використання формалізмів. Специфікація моделей, оцінка еквівалентності та удосконалення. Оцінка еквівалентності та місткості мов програмування. Метод симуляції. Оцінка досяжності результатів та верифікація даних, абстрагування результатів. Кількісні показники методи аналізу придатності систем, графоаналітичний підхід. Криптографічні методи захисту передачі та валідації даних. Цифровий підпис. Мережевий протокол захисту. Захист програмного забезпечення. Захист сенсорів та виконавчих механізмів.

60 балів за виконання практичних завдань під час лабораторних робіт. 30 балів - результати написання двох КМР та активності та 10 балів за результатами роботи під час семінарських занять при опрацюванні матеріалу самостійного вивчення.