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Entwurf, Simulation und Implementierung ereignisdiskreter Steuerungen mit PDEVS RCP Version 2.0 (WIP) Birger Freymann, Artur Schmidt, Sven Pawletta, Sven Hartmann, Thorsten Pawletta Birger Freymann [email protected] www.mb.hs-wismar.de/cea/

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Entwurf, Simulation und Implementierung ereignisdiskreter Steuerungen mit PDEVSRCP Version 2.0 (WIP)

Birger Freymann, Artur Schmidt, Sven Pawletta, Sven Hartmann, Thorsten Pawletta

Birger Freymann

[email protected]

www.mb.hs-wismar.de/cea/

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Agenda

1. Motivation

2. Rapid Control Prototyping Approach

3. PDEVS & PDEVSRCP Formalism

4. Open Problems of PDEVSRCP

5. PDEVSRCP 2.0 Formalism

6. Application Example

7. Summary and Outlook

2

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Agenda

3

1. Motivation

2. Rapid Control Prototyping Approach

3. PDEVS & PDEVSRCP Formalism

4. Open Problems of PDEVSRCP

5. PDEVSRCP 2.0 Formalism

6. Application Example

7. Summary and Outlook

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Motivation

• Nowadays control development is complextesting, maintenance, extension, …

• Ad-hoc implementations are often not possible

Design methodology:

Rapid Control Prototyping (RCP) approach by Abel (RWTH)

?

4

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Agenda

5

1. Motivation

2. Rapid Control Prototyping Approach

3. PDEVS & PDEVSRCP Formalism

4. Open Problems of PDEVSRCP

5. PDEVSRCP 2.0 Formalism

6. Application Example

7. Summary and Outlook

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Rapid Control Prototyping Approach

Rapid Control Prototyping Approach• Model based approach• Continuous control development • Avoidance of re-implementations ?

6

event based M&S approach !

usage of PDEVS for real time control

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7

Agenda

1. Motivation

2. Rapid Control Prototyping Approach

3. PDEVS & PDEVSRCP Formalism

4. Open Problems of PDEVSRCP

5. PDEVSRCP 2.0 Formalism

6. Application Example

7. Summary and Outlook

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Parallel Discrete EVent System Specification

8

PDEVS (Chow 1996) is an extension of DEVS (Zeigler 1976)

• Event-oriented modeling approach based on modular hierarchical model specification

• PDEVS - two system types:

atomic PDEVSdynamic behavior

coupled PDEVS (PDEVN)composition of atomic or coupled PDEVS

S

PDEVS Formalism

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PDEVS & PDEVSRCP

9

𝑃𝐷𝐸𝑉𝑆𝑅𝐶𝑃 = 𝑋, 𝑌, 𝑆, 𝛿𝑖𝑛𝑡, 𝛿𝑒𝑥𝑡 , 𝛿𝑐𝑜𝑛, 𝜆, 𝑡𝑎

--------------------------------------------------------------------------

𝑃𝐷𝐸𝑉𝑆𝑅𝐶𝑃 = 𝑋, 𝑌, 𝑆, 𝛿𝑖𝑛𝑡, 𝛿𝑒𝑥𝑡 , 𝛿𝑐𝑜𝑛, 𝜆, 𝑡𝑎, 𝐴 (RG CEA)

PDEVS Formalism

𝑋 = 𝑋𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙 ∪ 𝑋𝑐𝑙𝑜𝑐𝑘𝑋𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙 = {(𝑝, 𝑣)|𝑝 ∈ 𝐼𝑃𝑜𝑟𝑡𝑠, 𝑣 ∈ 𝑋𝑝}𝑿𝒄𝒍𝒐𝒄𝒌 = {("𝒄𝒍𝒐𝒄𝒌", 𝒗)|𝒗 ∈ ℝ+}

𝐴 = 𝑎1, 𝑎2, … , 𝑎𝑛 set of executable activities𝑎𝑛 = (𝑎𝑖,[𝑡𝑖𝑚𝑖𝑛,𝑡𝑖𝑚𝑎𝑥])

𝜆 ∶ 𝑆 → 𝑌 × 𝐴 combined output and activity function

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Agenda

10

1. Motivation

2. Rapid Control Prototyping Approach

3. PDEVS & PDEVSRCP Formalism

4. Open Problems of PDEVSRCP

5. PDEVSRCP 2.0 Formalism

6. Application Example

7. Summary and Outlook

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Open Problems of PDEVSRCP 11

Dynamic PDEVS components with• ta(s) ∈ {0, ∞}• ta(s) ∈ ℝ+

ta(s) ∈ {0, ∞}

Open problems:(i) Specification of activities(ii) Specification of the Real Time Clock (RTC)(iii) How are activities specified within

atomic PDEVSRCP components ?(iv) Dynamic is limited (ta(s) ∈ {0, ∞})

𝑷𝑫𝑬𝑽𝑺𝑹𝑪𝑷 = 𝑿, 𝒀, 𝑺, 𝜹𝒊𝒏𝒕, 𝜹𝒆𝒙𝒕, 𝜹𝒄𝒐𝒏, 𝝀, 𝒕𝒂, 𝑨

atomic RTCPDEVSRCP

WCT?

?

x

𝑋𝑐𝑙𝑜𝑐𝑘 = {("𝑐𝑙𝑜𝑐𝑘", 𝑣)|𝑣 ∈ ℝ+}

re-implementation

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Agenda

1. Motivation

2. Rapid Control Prototyping Approach

3. PDEVS & PDEVSRCP Formalism

4. Open Problems of PDEVSRCP

5. PDEVSRCP 2.0 Formalism

6. Application Example

7. Summary and Outlook

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PDEVSRCP 2.0 Formalism13

activities

synchronous asynchronous

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PDEVSRCP 2.0 Formalism

𝒂𝒊 = 𝑴,𝑿, 𝑺, 𝒀, 𝒇𝒆𝒙𝒕, 𝒇𝒊𝒏𝒕, 𝒇𝒐𝒖𝒕𝑴 Set of activity methods

𝑿 Set of input values

𝑺 Set of states

𝐘 Set of output values

𝒇𝒆𝒙𝒕 𝑓𝑒𝑥𝑡: 𝑆 × 𝑋 → 𝑆

𝒇𝒊𝒏𝒕 𝑓𝑖𝑛𝑡:𝑀 × 𝑆 → 𝑆

𝒇𝒐𝒖𝒕 𝑓𝑜𝑢𝑡: 𝑆 → Y

𝐏𝐃𝐄𝐕𝐒𝐑𝐂𝐏𝟐. 𝟎 = 𝑿, 𝒀, 𝑺𝑹𝑪𝑷, 𝜹𝒊𝒏𝒕𝜹𝒆𝒙𝒕, 𝜹𝒄𝒐𝒏, 𝝀𝑹𝑪𝑷, 𝒕𝒂

𝑆𝑅𝐶𝑃 = 𝑆 ∪ 𝑆𝐴𝑆𝐴 = 𝑎1, … , 𝒂𝒊, … , 𝑎𝑛 //set of activities

𝜆𝑅𝐶𝑃: 𝑆𝑅𝐶𝑃 → 𝑌 × 𝑆𝐴 // combined output and activity function

activity 𝒈𝒆𝒕𝑾𝑪𝑻 = 𝐌,𝑿, 𝑺, 𝒀, 𝒇𝒆𝒙𝒕, 𝒇𝒊𝒏𝒕, 𝒇𝒐𝒖𝒕𝑀 = 𝑟𝑒𝑎𝑑𝑆𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚𝐶𝑙𝑜𝑐𝑘𝑋 = ∅ ⇒ 𝑓𝑒𝑥𝑡 not defined𝑆 = 𝑡𝑉𝑎𝑙𝑢𝑒 with s0 = 0𝑌 = 𝑡𝑤𝑐𝑡𝑓𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑎𝑑𝑆𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚𝐶𝑙𝑜𝑐𝑘, 𝑡𝑉𝑎𝑙𝑢𝑒

𝑡𝑉𝑎𝑙𝑢𝑒 ≔ 𝑟𝑒𝑎𝑑𝑆𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚𝐶𝑙𝑜𝑐𝑘𝑓𝑜𝑢𝑡 𝑡𝑉𝑎𝑙𝑢𝑒

𝑡𝑊𝐶𝑇 ≔ 𝑡𝑉𝑎𝑙𝑢𝑒

14

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𝑹𝑻𝑪 = 𝑿, 𝒀, 𝑺𝑹𝑪𝑷, 𝜹𝒊𝒏𝒕𝜹𝒆𝒙𝒕, 𝜹𝒄𝒐𝒏, 𝝀𝑹𝑪𝑷, 𝒕𝒂𝑋 = ∅, 𝑌 = ∅ ⇒ 𝛿𝑒𝑥𝑡 , 𝛿𝑐𝑜𝑛 not defined𝑆𝑅𝐶𝑃 = 𝑆 ∪ 𝑆𝐴; 𝑆 = 𝜎, 𝑡𝐿𝑎𝑠𝑡 , 𝑡𝑊𝐶𝑇 ; 𝑆𝐴 = 𝒈𝒆𝒕𝑾𝑪𝑻𝑠𝑅𝐶𝑃,0 = (0,0,0, 𝑔𝑒𝑡𝑊𝐶𝑇)𝑡𝑎 𝜎, 𝑡𝐿𝑎𝑠𝑡 , 𝑡𝑊𝐶𝑇 , 𝑔𝑒𝑡𝑊𝐶𝑇 := 𝜎𝜆𝑅𝐶𝑃(𝜎, 𝑡𝐿𝑎𝑠𝑡, 𝑡𝑊𝐶𝑇 , 𝑔𝑒𝑡𝑊𝐶𝑇)

𝒈𝒆𝒕𝑾𝑪𝑻. 𝒇𝒊𝒏𝒕(𝒈𝒆𝒕𝑾𝑪𝑻.𝑴,𝒈𝒆𝒕𝑾𝑪𝑻. 𝑺)𝛿𝑖𝑛𝑡 𝜎, 𝑡𝐿𝑎𝑠𝑡 , 𝑡𝑊𝐶𝑇 , 𝑔𝑒𝑡𝑊𝐶𝑇

𝒕𝑾𝑪𝑻 ≔ 𝒈𝒆𝒕𝑾𝑪𝑻. 𝒇𝒐𝒖𝒕 𝒈𝒆𝒕𝑾𝑪𝑻. 𝑺𝑖𝑓 𝑡𝑊𝐶𝑇 − 𝑡𝐿𝑎𝑠𝑡 < 0.1yes: 𝜎:= 0 //VT advance = 0no: 𝜎:= 0.1; 𝑡𝐿𝑎𝑠𝑡: = 𝑡𝑊𝐶𝑇 //VT advance = 0.1

atomic RTCPDEVSRCP 2.0

PDEVSRCP 2.0 Formalism15

Virtual TimeWal

l C

lock

Tim

eReal Time Clock (RTC)

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Agenda

1. Motivation

2. Rapid Control Prototyping Approach

3. PDEVS & PDEVSRCP Formalism

4. Open Problems of PDEVSRCP

5. PDEVSRCP 2.0 Formalism

6. Application Example

7. Summary and Outlook

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Application Example

SM PDEVS

CS PDEVSRCP

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GEN GeneratorPROC ProcessorTRA TransducerINTF InterfaceRTC Real Time ClockSM Simulation ModelCS Control Software

input puffer robot

output puffer

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Application Example

CS PDEVSRCP 2.0

SM PDEVS

CS PDEVSRCP

18

GEN GeneratorPROC ProcessorTRA TransducerINTF InterfaceRTC Real Time ClockSM Simulation ModelCS Control Software

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19Application Example

virtual robot(s)

CS based on PDEVSRCP 2.0 (MATLAB/DEVS)

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Agenda

1. Motivation

2. Rapid Control Prototyping Approach

3. PDEVS & PDEVSRCP Formalism

4. Open Problems of PDEVSRCP

5. PDEVSRCP 2.0 Formalism

6. Application Example

7. Summary and Outlook

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Summary:

Analysis of first version of PDEVSRCP

Highlighting of open problems of PDEVSRCP

Definition and implementation of PDEVSRCP 2.0

Comparision of both PDEVSRCP variants

Outlook:

Classification of PDEVSRCP 2.0 in context of system therory

Usage of the new concept for robot control development

Summary and Outlook

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[1] D. Abel, A. Bollig, Rapid Control Prototyping, Methoden und Anwendung, Springer, 2006. [2] G. Maletzki, Rapid Control Prototyping komplexer und flexibler Robotersteuerungen auf

Basis des SBC-Ansatzes. Diss., Uni. Rostock/HS Wismar, 2014. [3] B.P. Zeigler, H. Praehofer, T.G. Kim, Theory of modeling and simulation 2nd ed., Acad. Pr,

2000. [4] S.M. Cho, T.G. Kim, Real Time Simulation Framework for RT-DEVS Models, Trans. Soc.

Comput. Simul. Int. 18 (4) (2001) 203–215. [5] J.L. Risco-Martín, S. Mittal, J.C. Fabero, P. Malagón, J.L. Ayala, Real-time

Hardware/Software Co-design Using Devs-based Transparent M&S Framework, in: Proc. of the Summer Computer Conf., 45:1-45:8.

[6] T. Schwatinski, T. Pawletta, S. Pawletta, C. Kai-ser: Simulation-based development andoperation of controls on the basis of the DEVS for-malism. Proc. 7th EUROSIM Conf., Vol.2, Prag, Czech Rep., 2010, 8 pages.

[7] A.C.-H. Chow, Parallel DEVS: A Parallel, Hierarchical, Modular Modeling Formalism and Its Distributed Simulator, Trans. Soc. Comput. Simul. Int. 13 (2) (1996) 55–67.

[8] B. Freymann, T. Pawletta, S. Pawletta, Multi-Robotersteuerungen mit variablen Interaktionsprinzipien auf Basis des Simulation Based Control Frameworks und dem Dicrete Event System Specification Formalismus, Proc. ASIM STS/GMMS WS, ARGESIM Rep. No.50, 2015, 67–77.

[9] B. Freymann, T. Pawletta, T. Schwatinski, S. Pawletta, Modellbibliothek für die Interaktion von Robotern in der MATLAB/DEVS-Umgebung auf Basis des SBC-Frameworks, Proc. ASIM STS/GMMS WS, ARGESIM Rep. No.42, 2014, 199–208.

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coupled PDEVN

ActivityActivity

CLOSURE UNDER COUPLING

24

PDEVS

Activity

PDEVSRCP