SimInTechダイナミックシミュレーション環境のステートマシン

はじめに

SimInTechは、動的方程式が入出力関係（DataFlow表現）として表現できるシステムの数学モデルを作成するための媒体です。 SimInTech環境でステートマシンアプローチを実装するために、サブモデルの条件付き実行のブロックがあり、外部からの条件に従ってシミュレーションの停止と開始を提供しました。 このアプローチは、一般モデルを状態に分割し、各時点で実行条件がtrueに設定されているサブモデルのみを計算する機会を提供します。 ただし、このような自動アプローチの実装は、視認性の観点からはあまり便利ではなく、システムパラメータの追加調整が必要です。

現在、必要な設定はすべて、ブロックの特別なライブラリに実装されています。これにより、有限状態マシン（状態フロービュー）の形式でシステムモデルを作成でき、制御モデルの作成に使用できます。

この記事では、有限状態機械ライブラリの要素を使用して制御システムを作成する例を示します。

問題の声明

有限状態マシンを使用したシミュレーションを実証するために、ボイラー制御モデルが使用されます。 温度が設定温度よりも低い場合、コントローラーはヒーターが20秒以内にオンになり、シャッタースピードが40ターンの間になるようにします。また、インジケーターライトをオン/オフすることで、その状態を示します。

ヒーターがオンの場合、加熱力は一定であり、1リットルの水を毎秒1度加熱します。
ヒーターをオフにすると、損失は一定になり、1リットルの水を毎秒0.1度冷却します。
水の量は25リットルです。

自動温度制御のアルゴリズムは次のように動作します。

レギュレーターへの入力アクションが設定されると：
1）提供する温度の設定値（設定値）。
2）温度センサーから受け取った現在の温度値。

有限状態機械に関するモデルの説明

ヒーターコントローラーのステートマシンの動作は、次のように説明できます。
マシンには、オンとオフの2つの状態があります。
初期状態では、アクティブ状態はオフです。

状態はオフです。
熱はありません。
インジケータは5秒間隔で緑色に点滅します。
状態間の移行：オフ状態からオン状態への移行は、2つの条件が一致した場合に実行されます。コントローラーが40秒以上オフ状態であり、センサーからの温度が設定値より低い場合。

ステータス有効
加熱中です。
赤い加熱インジケータが1秒間隔で点滅します。
オン状態からオフ状態への移行は、次の2つの場合に実行されます。
1）加熱を20秒間行った。
2）センサーからの温度が設定値に達しました。

このアルゴリズムを実装する有限状態マシンスキームを図1に示します。


図1.ステートマシンのスキーム

SimInTechでのステートマシン操作の実装

オブジェクトモデルの作成

ヒーターモデルは、標準のSimInTechモデリングツールを使用して作成され、ヒーターがオン（0-オフ、1-オン）の入力でサブモデルで、出力で水温が計算されます。

図の「サブ構造」タブから「サブモデル」ブロックを配置し、図2に示すようにモデルを組み立てます。


図2.ヒーターモデル

論理変数がユニットに入力されます—ヒーター動作の兆候、1 —ヒーターがオン、0 —ヒーターがオフ。 この変数は反転され、キー「A3」に供給されます。 この変数に応じて、キーは「定数」タイプのブロックから取得した値を出力に送信します：1-加熱、または-0.1-冷却。 キーブロック「A3」の出力は、標準インテグレーターによって統合されます。 したがって、温度値が形成されます。 積分器ブロックのパラメーターを図3に示します。


図3.インテグレーターオプション

初期温度は15で、ゲインは1/25です（25リットルは所定の速度で加熱されます）。
入力でのヒーターモデルの動作を確認するには、Meanderブロックから値を指定します。出力は入力とともにグラフに表示されます。 モデル図を図4に示します。


図4.ヒーターモデルをチェックするための一般的なスキーム

シミュレーション結果を図5に示します。蛇行値が1の期間（ヒーターがオンになるシミュレーション）、モデルは積分器による加熱速度で温度を蓄積します。 蛇行値が0の期間（ヒーターがオフになっているシミュレーション）、温度は冷却速度とともに低下します。


図5.ヒーターモデルのスケジュール

したがって、作成したモデルを使用して、ヒーターコントローラーの動作をテストできることを確認しました。

ステートマシンに基づいたヒーター制御ユニットの作成

コントローラーを作成するには、「状態マシン」タブの「状態マシン状態マップ」ブロックを使用します。 図6を参照してください。


図6.「有限状態マシン」タブ、ブロック「有限状態マシンの状態のカラット」

ブロックを以前に作成したブロック「ヒーターモデル」と一緒にダイアグラムに配置します。 このブロックは標準のSimInTechサブモデルに基づいているため、サブモデルと同じ方法で操作できます：入力と出力の追加、信号の追加、プロパティの追加、内部変数の宣言と使用、信号データベースへのリンク。
ブロック「有限状態マシンの状態のマップ」をダブルクリックして移動します。 標準のサブモデルとの唯一の違いは、内部回路に追加のブロックが存在することです。これは、回路の左隅にある「状態選択ブロック」です（図7を参照）

状態マップの作成に進む前に、このブロックで、コントローラーがヒーターモデルと通信するために必要な入力と出力を準備します。

設定温度と実際の温度が入力として使用され、ヒーターのオン/オフ状態とランプ表示が出力として計算されます。

図に、「サブ構造」タブから2つのブロック「入力ポート」と2つのブロック「出力ポート」を配置し、図7に示すように名前を変更します。


図7.データ交換のために準備されたブロック「ステートマシンのステートマシンマップ」

この段階で、回路の空のメタをダブルクリックしてブロックを終了できます。上位レベルでは、ブロック「ステートマシンのステートマシン」に、一般的な回路に接続するためのブロック（入力ポートと出力ポート）が表示されます。 図8に示すように、回路を接続してブロックに署名します。


図8.「マシンの状態」ブロック

「Heater Controller」ブロック内の回路に「Machine Status」ブロックを2つ配置します。 ブロックの1つはオフ状態をシミュレートし、もう1つはオン状態をシミュレートします。 図9に示すように、それに応じてブロックに署名します。


図9.ブロック「マシンの状態」

「Heater Controller」ブロック内の回路に「Machine Status」ブロックを2つ配置します。 ブロックの1つはオフ状態をシミュレートし、もう1つはオン状態をシミュレートします。 図10に示すように、それに応じてブロックに署名します。


図10. 2つの状態が追加されたコントローラーの概略図

状態マップが正しく機能するには、システムの初期状態を指定する必要があります。 この場合、マシンの初期状態はオフになります。 クリックしてブロックを選択し、右クリックします。 ドロップダウンメニューで、[プロパティ]を選択します。 プロパティを編集するためのウィンドウが表示されます。ここで、唯一のプロパティ「デフォルト」で「はい」を選択する必要があります（図11を参照）。


図11.マップ内の最初のアクティブ状態のプロパティの設定

オートマトンと状態遷移の操作の論理の作成に進む前に、論理ブロック「More」を回路に追加し、設定温度をモデルから取得した温度と比較します。 したがって、温度が設定値未満の場合に値1を取り、温度が設定値以上の場合に値0をとる新しい論理変数を取得します。

「More」ブロックを追加し、図12に示すように回路を接続します。

図12：設定温度と測定温度の比較

SimInTechでは、「More」ブロックの出力を「Machine state」ブロックの入力に接続できないことに注意してください。最初の場合、ラインはブロック間で値を転送し、2番目の場合-状態から状態への遷移です。

状態ロジックの作成

オフ状態ブロックをダブルクリックして、ブロックの内部構造に移行します。 ブロックの初期内部構造の図を図13に示します。


図13.ブロック「ステートマシン」の内部構造

内部構造のデフォルトでは、図の上部に「実行条件の開発」ブロックが含まれています。 このブロックは、最上位構造から状態をアクティブにするコマンド（「状態ブロック」）を受け取ります。ユーザーはこのブロックを変更する必要はありません。
さらに、ブロックには特別なタイプの2つの入出力ブロックが含まれています。
1） "FROM_STATE"-州に入る;
2） "TO_STATE"-状態を終了します。
これらのポートは、上位レベル回路のブロックの入力と出力に対応しています。 これらのブロックは、タブ「Finite State Machines」にあります。それぞれ、ブロック「Status input」および「Status output」です。
自動機械の回路図は、状態に対して1つの出力を提供します（2つの条件が一致する場合：40秒間オフになり、温度が設定された温度よりも低くなります）が、2つの条件に従って状態に戻ることが可能です：ヒーターが20秒間作動するか、設定温度に到達します。 「状態入力」ブロックを「有限状態マシン」タブから図に追加します（図14を参照）。


図14.「状態マシン」タブの「入力状態」タブ

状態を終了するための条件を計算するために、設定温度と測定温度の外部比較の値が必要なので、「Substructures」タブから「Input port」ブロックを図に追加します（図15を参照）


図15.「下部構造」タブ「エントリのポート」ブロック

この状態で実行された計算の結果を取得するには、「Substructures」タブから「Output port」ブロックをダイアグラムに追加します（図16を参照）。


図16.「下部構造」タブの「出口」ポート

「入力」ポートの名前を「低温」に変更します-ここでは、測定温度と設定温度を比較する変数があり、「出力」ポートの名前は「オン/オフ」になります-ここでは、ヒーターのオン/オフの兆候を読み取ります。
状態ロジックを作成するために準備された一般的なスキームを図17に示します。


図17.ロジックの作成のために準備されたブロック「マシンの状態」

オフ状態では、マシンは40秒間オンになります。 一定時間後に水温が設定値よりも低い場合（冷入力= 1）、オン状態に切り替える必要があります。 遅延を形成するには、ブロック「State Exposure Block」を使用します。 （図18を参照）：


図18. [状態マシン]タブの[露出状態]ブロック

「実行条件」ブロックの出力に接続されているこのブロックは、タイマーを含み、指定された間隔で時間の終わりの信号を生成します。 フィールドにブロックを置き、シャッタースピードを40に設定します。

シャッター終了信号は、論理ブロック「and」を介して外部信号（old）と結合されます。 それらが一致する場合（シャットダウン時間が終了し、温度が設定値を下回っている場合）、コマンドを作成して状態を終了すると同時に、ヒーターをオンにしてオンにする信号を送信します。 作業ロジックの一般的なスキームを図19に示します。


図19オフ状態での動作ロジック

ステータスブロックから出力を形成する場合、アクティブ状態のブロックが絶えず計算して出力信号の値を生成することを考慮する必要があります（この場合、これはOn / Off出力です）。 状態が完了して終了すると、最後に計算された値が行に残ります。 この場合、状態からの出口で値1が生成され、状態が再びアクティブになるまで値が保持されます。

作業モデルの作成がオフ状態で完了した後、回路内の空の場所をダブルクリックして1レベル上に移動します（図20を参照）。


図20.ブロック「オフ」を編集した後の状態マップ

ステータスブロックの外観は、回線が変更されたときにオフになります。 ステータスブロック内に入力ポートと出力ポートを追加すると、外部のブロックに3つの入力ポートと2つの出力ポートが現れました。 信号伝送の標準ポートの色は黒、状態遷移線を接続するポートの色は赤です。 ユーザーは、データラインをステータスポートに接続できません。逆に、状態遷移ラインをデータポートに接続できません。

オン状態での作業の論理の形成に進みます。

画像をダブルクリックしてブロック内に移動します。 このブロックには、状態を終了するための2つの条件があります。 デフォルトでは、ブロックに「ステータス出力」が1つあります。 ステータスダイアグラムに2番目のブロック「ステータス出力」を配置します（図21を参照）。


図21.「状態マシン」タブの「ステータス出力」ブロック

終了条件を形成するには、温度比較値をブロックに転送する必要があります。 これを行うには、「サブ構造」タブから「出口ポート」ブロックを図に追加します（図15を参照）。

操作を20秒間制御するには、「露出状態」ブロック（図17を参照）を設定し、パラメーター「別の状態への移行時間」-20として設定します。

ブロック操作ロジックの一般的な構造は、図22に示すようになります。


図22.「オン」状態の作業の構造

オン状態に切り替えると、動作遅延タイマーが起動し、時間が経過すると最初の出力への移行が実行されます。

同時に、データを含む入力から取得された値が分析されます。 このポートで、設定温度と測定温度を比較した結果を送信します。 結果が1（真）の場合、ボイラー内の温度は設定値よりも低いため、加熱を続ける必要があります。 値が0（偽）の場合、加熱を完了する必要があります。 「演算子NOT」ブロックは、入力の反転と、2番目の出力によってオンになった状態から切り替えるコマンドの生成を提供します（図22を参照）。

このスキームのトップレベルに進みましょう。 オンになっているマシンステータスブロックに2つの追加ポートが表示されました。 そして今、ブロックには含まれています：
•状態に切り替える1つの入力ポート（赤）。
•データ用の1つの入力ポート（黒）。
•状態からの遷移用の2つの出力ポート（赤）。
図23に示すようにポートを接続します。


図23.ステートマシンアセンブリのロジック

したがって、テスト用のステートマシンに基づいた制御モデルを準備しました。 この段階で、未接続の入力ポートに関連するエラーを排除するために、インジケータ出力を有効ポートに接続しました。
この段階のインジケータポートには、ステータス（オン/オフ）が表示されます。 間隔とインジケーターの色のモデリングは後で行います。

「計算パラメータ」ボタンをクリックして計算し、設定を呼び出します（図24を参照）。


図24.「計算パラメーター」ボタン

[計算パラメータ]タブで、[最終計算時間]を700秒に設定します。 （図25を参照）


図25.計算パラメーター

[同期]タブで、[リアルタイムで同期]および[加速係数]-100のボックスをオンにします（図26を参照）。


図26.計算パラメーター。 同期する

同期モードを設定することにより、モデルの状態間の切り替えをダイアグラム上で直接観察できます。 そうしないと、計算が速すぎて、状態の切り替えはグラフでしか追跡できません。
開始ボタンを押して、計算用のモデルを実行します（図27を参照）。


図27.モデルの計算の開始

指示に従ってすべてを組み立てると、ステートマシンのロジックに基づくシステムによって制御される給湯器のモデルが得られます。 コントローラーの図では、シミュレーション中に状態から状態への切り替えを確認できます。シミュレーション時のアクティブな状態は緑色で表示されます（図28を参照）。


図28.シミュレーションモードでの完成したオートマトンのスキーム

シミュレーション結果は、図29（ヒーター動作モード）および30（ボイラー温度）に示されています。 動作モードのグラフは、初期状態では機械がオフ状態であることを示しています（図29を参照）。


図29.ヒーター操作モード


図30.ヒーター温度

温度グラフ（図30）は、初期の時点では温度が15度であり、冷却速度とともに低下することを示しています。 40秒間オフ状態になった後、オン状態への遷移が発生します（図29を参照）。 この状態では、ヒーターモデルで指定された速度で加熱が行われます（図30を参照）。 10秒間ワークアウトすると、オフ状態への移行が発生します（図29を参照）。 温度が20度の設定値に達するまで、これらのサイクルが繰り返されます。 その後、温度設定に達するとオン状態からオフ状態への遷移が実行されるため、オンサイクルが短縮されます。 これは、500秒の計算後に「動作モード」グラフに表示されます（図29を参照）。

したがって、有限状態マシンのロジックに基づいた制御モデルが機能し、ヒーター内の所定の温度を維持すると確信しました。

この状態はデフォルトでアクティブであり、開始時の出力が定義されているため、ブロックで形成する信号のオンとオフ（オン/オフ）はオフになります。 この状態を終了するとき、信号値を1だけ変更し（図18を参照）、状態がアクティブでない間は常にオン状態（1）のままです。 この有限状態マシンには2つの状態しかないため、この信号を状態マップからの出力に適用できます。 任意のアクティブ状態で、信号値が決定され、修正されます。 3つ以上の状態がある場合、各状態ブロックで「状態マップ」サブモデルの終了を決定または計算する必要があります。そうでない場合、非アクティブ状態のために定義されていない変数を使用できます。

記事の次の部分は次のとおりです。
-有限状態機械回路における他のデータ交換機能のデモ。
-インジケーターの動作をモデル化するためのネストされた状態マシンを作成するプロセス。 パート2はこちらです。
-作成された制御システムモデルからCコードを取得するプロセス。

SimInTechの試用版は、開発者のサイトからダウンロードできます。