Progetto di Controllo dei Processi
DA UML A MATLAB
Come ricavare un modello di simulazione in ambiente Matlab
partendo da una descrizione in linguaggio UML
Studenti: Roberto Nicolino, Nicola di Lecce
Brevemente
Partendo da una analisi approfondita sulle potenzialità che oggi
offre Unified Modeling Language si mostrerà come questo
linguaggio si ponga da tramite tra cliente e committente, per
evitare inutili incomprensioni e per permettere la realizzazione di
un modello completo e dettagliato di un sistema. Grazie ad UML è
possibile realizzare simulazioni in ambiente Matlab percorrendo un
processo di integrazione completo tra le due piattaforme di
sviluppo.
Si procederà descrivendo
•
Cosa è UML e a cosa serve
•
Come integrare il linguaggio Uml con Matlab o altri ambienti di simulazione
•
Quali procedure adottare per tradurre un modello descritto in UML in un
modello utile alla simulazione
1/2
Intoduzione ad UML
• Lo Unified Modeling Language è un linguaggio per specificare,
costruire, visualizzare e documentare manufatti sia di sistemi
software, che di altri sistemi non strettamente software.
• UML rappresenta una collezione di best practices di ingegneria,
dimostratesi vincenti nella modellazione di vasti e complessi sistemi.
• UML permette di visualizzare, per mezzo di un formalismo rigoroso,
“manufatti” dell’ingegneria, consentendo di illustrare idee, decisioni
prese, e soluzioni adottate.
• Tale linguaggio favorisce, inoltre, la divulgazione delle informazioni,
in quanto standard internazionale non legato alle singole imprese.
2/2
Intoduzione ad UML
• Lo UML dispone di tutti i meccanismi necessari per la specifica di
qualsiasi dettaglio ritenuto rilevante in ogni fase del ciclo di vita del
progetto e quindi, in ultima analisi, per produrre modelli accurati.
• Lo UML, permette di realizzare modelli che si prestano ad essere
implementati con diversi linguaggi di programmazione e ambienti di
simulazione tipo Matlab
• Sul mercato sono presenti diversi tool, in grado di generare codice a
partire dal relativo modello, sia interattivamente durante la fase di
disegno, sia su richiesta. L’esistenza di queste funzionalità, sebbene
ancora non del tutto mature, dovrebbe far capire che
l’implementazione è veramente un dettaglio del disegno, specie con
linguaggi come Java.
• lo UML fornisce sia dei meccanismi molto formali, sia del testo libero
da aggiungere, ogni qual volta lo si ritenga necessario, a parti
ritenute poco chiare o particolarmente complesse, al fine di
aumentarne il livello di dettaglio.
Perché utilizzare UML ?
1/2
Perché utilizzare UML
• Ogni qualvolta, in una disciplina dell’ingegneria, vi sia la necessità di
realizzare un “manufatto”, indipendentemente dalla dimensione e
dal settore di interesse (una casa, un grattacielo, un particolare
meccanismo, un ponte, un dipartimento di un’azienda, e così via) si
procede cercando di realizzarne un modello.
• L’obiettivo è produrre, in tempi relativamente brevi e soprattutto a
costi contenuti, una versione razionalizzata e semplificata del
sistema reale che, tuttavia, consenta di evidenziarne l’aspetto finale
e di studiarne prestazioni, affidabilità e comportamento.
• Si provi a immaginare che cosa potrebbe accadere se si avviasse la
progettazione di un ponte a partire da specifiche sommarie, magari
comunicate verbalmente o, peggio ancora, se si partisse subito a
costruirlo materialmente, magari affidandosi all’esperienza di
qualche costruttore
2/2
Perché utilizzare UML
Il risultato sarebbe il seguente:
Questo è il motivo per cui è importante utilizzare
un linguaggio di modellizzazione universale
Attualmente è possibile sfruttare le caratteristiche descrittive offerte da UML
attraverso numerosi software free disponibili in rete, tra questi si segnala:
Argo UML
http://argouml.tigris.org/
Componenti UML
1/14
Componenti UML
• Il linguaggio UML contiene svariati elementi grafici che vengono
messi insieme durante la creazione dei diagrammi. Dato che l'UML
è un linguaggio, come tale utilizza delle regole per combinare i
componenti nella creazione dei diagrammi.
• L'obiettivo dei diagrammi è quello di costruire molteplici viste di un
sistema tutte correlate tra di loro.
• La notazione UML include dieci tipi di diagrammi, divisi in cinque
categorie. Si tenga presente che è assolutamente possibile costruire
e aggiungere dei diagrammi differenti dagli standard (che vengono
definiti ibridi) rispetto a quelli definiti dal linguaggio. La tabella
seguente mostra le categorie e i diagrammi corrispondenti.
Categoria
Diagrammi per analisi dei requisiti
Diagrammi
Diagrammi dei casi d’uso (use case)
Diagrammi dei package
Diagammi di struttura statica
Diagrammi delle classi (class)
Diagrammi degli oggetti (object)
Diagrammi di sequenza (sequence)
Diagrammi di interazione
Diagrammi di collaborazione (collaboration)
Diagrammi di stato (statechart)
Diagrammi di stato
Diagrammi di attività (activity)
Diagramma dei componenti (component)
Diagrammi di implementazione
Diagrammi di dilocamento (deployment)
3/14
Componenti UML:
Class Diagrams
• Per avere una idea immediata di cosa sia una classe è possibile
usare come esempio il fatto che tutti gli oggetti o esseri viventi,
spesso, sono riconducibili a determinate categorie (computers,
automobili, piante, animali). Queste categorie costituiscono le classi.
Una classe è una categoria o un gruppo di oggetti (con questo
termine si includono, per comodità anche gli esseri viventi) che
hanno attributi simili e comportamenti analoghi. I Class Diagrams
forniscono le rappresentazioni utilizzate dagli sviluppatori.
4/14
Componenti UML:
Object Diagrams
• Un oggetto è una istanza di una classe, ovvero una qualcosa di
specifico che ha dei valori determinati per i suoi attributi e dei
comportamenti specifici.
5/14
Componenti UML:
Use Case Diagrams
• Uno Use Case (caso d'uso) è una descrizione di un comportamento
particolare di un sistema dal punto di vista dell'utente. Per gli
sviluppatori, gli use case diagram rappresentano uno strumento
notevole: infatti tramite tali diagrammi, essi possono agevolmente
ottenere una idea chiara dei requisiti del sistema dal punto di vista
utente e quindi scrivere il codice senza timore di non aver recepito
bene lo scopo finale. Nella rappresentazione grafica, viene utilizzato
un simbolo particolare per l'actor (l'utente o un altro sistema che
interagisce) che si vedrà in seguito.
• L'actor è l'entità che interagisce con uno use case facendo partire la
sequenza di azioni descritte dallo use case stesso e,
eventualmente, ricevendo delle precise risposte dal sistema. Può
essere una persona o anche un altro sistema.
6/14
Componenti UML:
State Diagrams
• Ad un determinato istante, durante il funzionamento del sistema, un
oggetto si trova in un particolare stato. Gli State Diagrams
rappresentano tali stati, ed i loro cambiamenti nel tempo. Ogni state
diagram inizia con un simbolo che identifica lo stato iniziale (Start
State) e termina con un altro simbolo che rappresenta lo stato finale
(End State). Per esempio, ogni persona può essere identificato dai
seguenti stati: neonato, bambino, adolescente, adulto, anziano.
7/14
Componenti UML:
Sequence Diagrams
• I class diagrams e gli object diagrams rappresentano informazione
statica. In un sistema funzionante, tuttavia, gli oggetti interagiscono
l'uno con l'altro, e queste interazioni avvengono in relazione al
trascorrere del tempo. Il sequence diagram mostra le dinamiche,
basate sul tempo, delle varie interazioni tra gli oggetti.
8/14
Componenti UML:
Activity Diagrams
• Le attività che si riscontrano all'interno di use case o all'interno del
comportamento di un oggetto accadono, tipicamente, in una
sequenza ben definita. Tale sequenza si rappresentata con gli
activity diagrams.
9/14
Componenti UML:
Collaboration Diagrams
• Gli elementi di un sistema lavorano insieme per realizzare e
soddisfare le necessità del sistema. Un linguaggio di modellazione
deve avere un modo per rappresentare tale cooperazione. Il
Collaboration Diagram nasce proprio per questa ragione.
10/14
Componenti UML:
Component Diagrams
• Oggi, nell'ingegneria del software si utilizza sempre più il modello di
organizzazione secondo il quale ognuno nel team di lavoro lavora
su un componente differente. Il component diagram descrive questa
importante caratteristica.
11/14
Componenti UML:
Deployment Diagrams
• Il Deployment Diagram mostra l'architettura dal punto di vista fisico
e logistico di un sistema. Tale diagramma può descrivere i vari
dispositivi presenti, mostrare le varie connessioni che intercorrono
tra di essi e, ancora, il software che è installato su ogni macchina.
12/14
I simboli grafici
• Elementi Strutturali
Class
Use Case
Component
Interface
Deployment
• Elementi Comportamentali
:Name1
:Name2
:Name1
1:Messages
State
:Name2
Collaboration
Sequence
Activity
13/14
I simboli grafici
• Relazioni
Association
Generalization
Dependency
Realization
• Raggruppamento
Package
14/14
I simboli grafici
• Estensioni
<<Stereotipo>>
{Constraint}
• Annotazioni ed Actor
Note
Actor
UML: Considerazioni
• Nell’effettuare la traduzione di un sistema descritto in ambiente UML
in un sistema descritto in ambiente Matlab ci si serve
prevalentemente di:
–
–
–
–
Class Diagram
State Diagram
Collaboration Diagram
Sequence Diagram
Ambiente Matlab
• Esistono principalmente due modi per poter simulare un sistema
descritto in UML attraverso le funzionalità offerte da Matlab:
1. Mediante Simulink e Stateflow utilizzati rispettivamente per simulare
sistemi continui e ad eventi discreti (macchine a stati)
1. Mediante scrittura di codice in linguaggio S-Function, anch’esso
integrato pienamente in Matlab.
• Si procederà ora analizzando prima lo Stateflow che risulta essere
lo strumento più semplice per poter rappresentare sistemi di tipo
discreto o ibridi (in aggiunta a Simulink) e che rispetto ad S-function
è più “User Friendly”
1/5
Ambiente Matlab: Stateflow
• Lo stateflow è uno strumento di sviluppo grafico per sistemi basati
sulla teoria delle macchine a stati finiti ossia sistemi di controllo
logici (controllore on-off, scheduler), o sistemi di supervisione
(controllori ad alto livello, ecc).
• Una macchina a stati finiti, dunque, non è altro che la
rappresentazione di un sistema a eventi discreti la cui evoluzione è
regolata dal susseguirsi di condizioni vere o false.
• L’approccio utilizzato da Stateflow per descrivere un sistema a stati
discreti è quello di modellarne il comportamento, in termini di
transizioni attraverso gli stati. Lo stato attivo è determinato
basandosi sul susseguirsi di eventi sotto determinate condizioni.
Pertanto le transizioni e gli stati nel loro complesso non sono altro
che delle rappresentazioni grafiche basate su questo tipo di
approccio.
2/5
Ambiente Matlab: Stateflow
• Le macchine a stati finiti che questo ambiente di sviluppo permette
di descrivere, sono caratterizzate da uno stato, un ingresso ed
un’uscita e si connettono fra di loro mediante delle transizioni. In
dettaglio:
– Stato: è la condizione (modo) di funzionamento della macchina;
– Transizione: è la condizione di cambiamento dello stato della
macchina;
– Ingressi: sono informazioni provenienti dall’esterno (eventi, segnali);
– Uscite: sono segnali verso l’esterno il cui valore può essere funzione
degli stati o delle transizioni.
3/5
Ambiente Matlab: Stateflow
• Di seguito è riportato un semplice esempio di controllo On-Off di un
forno per porre in evidenza le parti caratterizanti di una Macchina a
Sati descritta in Stateflow:
4/5
Ambiente Matlab: Stateflow
• Le macchine a stati finiti che questo ambiente di sviluppo permette
di descrivere, sono caratterizzate da uno stato, un ingresso ed
un’uscita e si connettono fra di loro mediante delle transizioni. In
dettaglio:
– Stato: è la condizione (modo) di funzionamento della macchina;
– Transizione: è la condizione di cambiamento dello stato della
macchina;
– Ingressi: sono informazioni provenienti dall’esterno (eventi, segnali);
– Uscite: sono segnali verso l’esterno il cui valore può essere funzione
degli stati o delle transizioni.
5/5
Ambiente Matlab: Stateflow
• Le transizioni avvengono al verificarsi di un evento che può
coincidere ad esempio con la variazione di un “oggetto Dato” o
“Tempo”.
• Tali oggetti sono variabili di tipo numerico utilizzate da Stateflow per
scambiare informazioni con Simulink, e quindi con il Workspace di
Matlab, o con altre Macchine a Stati.
Ambiente Matlab:
Considerazioni
• Come già anticipato, è anche possibile tradurre una descrizione
UML in ambiente Matlab attraverso le S-Function, rispettando le
regole di scrittura ampiamente trattate in letteratura.
• Una S-Function è una descrizione, di un sistema dinamico,
realizzata attraverso un linguaggio di programmazione, il cui codice
può essere scritto utilizzando i linguaggi Matlab o C.
• Mediante S-Function è possibile descrivere un sistema ibrido
completo e pronto per la simulazione, semplicemente analizzando la
descrizione UML.
Da UML a Matlab: Un Esempio
UML-Matlab: Esempio
• Si vedrà ora quali procedure adottare per poter realizzare un
modello di simulazione Matlab-Simulink partendo da una
descrizione UML di un sistema di tipo ibrido. Verrà considerato
come sistema una cella di lavoro da poter utilizzare in catene di
montaggio industriali
• Il sistema, costituito da due bracci robotici, da una rastrelliera, da
una attrezzatura su cui eseguire la saldatura, da un nastro
trasportatore, e da un pallet svolge ciclicamente le seguenti azioni:
–
–
–
–
–
–
–
–
Prelievo pezzo A con Movimentatore da rastrelliera;
Deposito pezzo A su attrezzatura di saldatura;
Prelievo pezzo B con Movimentatore da rastrelliera;
Deposito pezzo B su attrezzatura di saldatura;
Esecuzione saldatura a punti (Saldatore);
Posizionamento dell’assieme su pallet (Movimentatore);
Ripetizione saldatura per un secondo pezzo;
Allontanamento del pallet con due pezzi saldati dalla cella.
UML-Matlab: Esempio
• Analizzando tale cella sarà possibile modellare la dinamica dei
robots con uno schema Simulink tempo continuo e il funzionamento
di tutti gli altri componenti come una sequenza di operazione
discrete, ottenendo un sistema complessivamente Ibrido. Verrà
elaborata prima una descrizione del sistema in UML, seguendo le
procedure già descritte ossia la realizzazione di:
–
–
–
–
Class Diagram
State Diagram
Collaboration Diagram
Sequence Diagram
• In seguito, servendosi dello State Diagram, si rappresenteranno
mediante precise regole di traduzione, le componenti discrete del
sistema in ambente Stateflow.
UML-Matlab: Esempio
• La soluzione adottata per la cella di lavoro prevede che il robot2
(Saldatore) sia posto rispetto alla tavola girevole dalla parte opposta
al robot1 (Movimentatore). In figura si indicano schematicamente
con Ras la rastrelliera, con R1 e R2 rispettivamente il robot1 e il
robot2, con TG la tavola girevole, con P il pallet e con Tr il
trasportatore.
Class Diagram
• Una volta scelti i componenti del sistema si procede con la
realizzazione del Class Diagram che servirà a specificare quali
oggetti costituiscono il sistema e a grandi linee che relazioni ci sono
tra questi tipi di oggetti, ossia che operazioni compiono.
• Il diagramma contiene pertanto una classe generica Robot e due
istanze di tale classe: Saldatore e Movimentatore. Associate ad
esse vi è una classe Pezzo, che è a sua volta associata, con
molteplicità 2, alla classe Assemblato (composizione dei pezzi A e
B). La comunicazione tra i vari elementi della cella è garantita da 3
segnali presenza_pezzo, finecorsa_nastro e presenza assemblato,
inviati ai due Robot dalle classi Rastrelliera, TavolaGirevole e
NastroTrasportatore.
• La Dinamica è trattata come una classe a se in cui andranno
specificate attraverso delle Note o delle Constraint le equazioni
differenziali che regolano il funzionamento del braccio Saldatore e
del braccio Movimentatore.
State Diagram
• Nella realizzazione dello State Diagram si è tenuto conto che il
sistema è costituito da due elementi fondamentali che risultano
essere i due Robots.
• Il funzionamento della cella di lavoro nel suo complesso si basa
infatti sulle azioni che i due Robots devono compiere per poter
effettuare la movimentazione dei pezzi e la saldatura.
• Le altre componenti ossia la Tavola Girevole, la Rastrelliera e il
Nastro Trasportatore sono visti come degli elementi passivi di cui i
Robots si servono per poter ricavare delle informazioni o per poter
impartire dei comandi.
State Diagram
• Si è scelto dunque di realizzare due State Diagram:
– uno per il robot Movimentatore;
– uno per il robot Saldatore.
• Di seguito per completezza sono riportati i rispettivi schemi
Collaboration Diagram
• Il Collaboration Diagram visualizza lo scambio dei messaggi che
avviene tra i vari componenti del sistema, come rappresentato in
figura:
Sequence Diagram
• La realizzazione del Sequence Diagram risulta abbastanza
semplice, basta considerare infatti la sequenza delle interazioni che
avvengono durante il funzionamento del sistema e rappresentarle
secondo la sintassi.
Matlab: Simulink e Stateflow
• Una volta terminata la realizzazione dei diagrammi UML si passa
alla traduzione del sistema in un modello di simulazione all’interno di
Matlab. Pertanto si procede con la descrizione della componente
continua attraverso dei blocchetti simulink e con la descrizione della
componente discreta mediante una macchina a stati.
Regole di Traduzione
• Si riportano per completezza i passaggi che devono essere effettuati
per poter trasformare la descrivere un sistema in UML e poi
trasformare tale descrizione in un modello Matlab:
1. Analisi dei componenti e delle specifiche di progetto
2. Descrizione dettagliata della dinamica del sistema
3. Realizzazione di opportuni controllori che consentano il rispetto delle
specifiche
4. Scrittura del Class Diagram UML
5. Scrittura dello State Diagram
6. Scrittura del Collaboration Diagram e del Sequence Diagram
7. Realizzazione del modello Matlab (componenti continue con Simulink e
discrete con Stateflow)
8. Eventuale generazione di codice per la configurazione e la
programmazione dei componenti del sistema.
Regole di Traduzione
• L’unicità di questa procedura è garantita anche grazie ai numerosi
strumenti offerti da UML per realizzare la descrizione di un sistema,
tra questi assume rilevante importanza il costrutto constraint.
• La sua funzione è quella di fornire dei vincoli che garantiscano le
specifiche determinanti del sistema.
Sviluppi Futuri
• UML, che di fatto oggi è uno standard, si pone al vertice tra gli
strumenti che consentano di strutturare in differenti fasi un qualsiasi
tipo di progettazione. Pertanto si rivela estremamente utile nella
produzione di software, o in altri campi dell’ingegneria, tra cui anche
quello dell’automazione industriale.
• Se si utilizzasse UML come tramite ossia come punto di unione tra
chi ha il compito di descrivere e progettare e chi ha invece il compito
di realizzare si potrebbero eliminare inutili e spiacevoli
incomprensioni che spesso sono alla base del fallimento di un
determinato processo produttivo e di sviluppo.
• Uno sviluppo futuro potrebbe essere quello di racchiudere le regole
di traduzione da UML a Matlab in un software che permetta di
generare in modo univoco codice in formato S-Function inserendo i
parametri della dinamica e fornendo i file dei diagrammi UML del
sistema.
Sviluppi Futuri
• Questo permetterebbe senza dubbio di descrivere un sistema
attraverso un linguaggio universale che non risulti legato a nessun
tipo di programma (Matlab, Scilab e così via) ma che attraverso
regole simili a quelle per Matlab permetta di sfruttare quella
descrizione su qualsiasi piattaforma di simulazione e con qualsiasi
sistema operativo (Linux, Windows).