DA UML A MATLAB

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DA UML A MATLAB
Progetto di Controllo dei Processi

• Come ricavare un modello di simulazione in
  ambiente Matlab partendo da una descrizione in
  linguaggio UML

Studenti Roberto Nicolino, Nicola di Lecce
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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.

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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

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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 dellingegneria,
  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.

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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. Lesistenza di queste
  funzionalità, sebbene ancora non del tutto
  mature, dovrebbe far capire che limplementazione
  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.

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Perché utilizzare UML ?
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Perché utilizzare UML

• Ogni qualvolta, in una disciplina
  dellingegneria, 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 unazienda, e così
  via) si procede cercando di realizzarne un
  modello.
• Lobiettivo è produrre, in tempi relativamente
  brevi e soprattutto a costi contenuti, una
  versione razionalizzata e semplificata del
  sistema reale che, tuttavia, consenta di
  evidenziarne laspetto 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 allesperienza di qualche costruttore

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Il risultato sarebbe il seguente
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Perché utilizzare UML
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Questo è il motivo per cui è importante
utilizzare un linguaggio di modellizzazione
universale
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Attualmente è possibile sfruttare le
caratteristiche descrittive offerte da UML
attraverso numerosi software free disponibili in
rete, tra questi si segnalaArgo
UMLhttp//argouml.tigris.org/
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Componenti UML
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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.

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Categoria Diagrammi
Diagrammi per analisi dei requisiti Diagrammi dei casi duso (use case)
Diagammi di struttura statica Diagrammi dei package
Diagammi di struttura statica Diagrammi delle classi (class)
Diagammi di struttura statica Diagrammi degli oggetti (object)
Diagrammi di interazione Diagrammi di sequenza (sequence)
Diagrammi di interazione Diagrammi di collaborazione (collaboration)
Diagrammi di stato Diagrammi di stato (statechart)
Diagrammi di stato Diagrammi di attività (activity)
Diagrammi di implementazione Diagramma dei componenti (component)
Diagrammi di implementazione Diagrammi di dilocamento (deployment)
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Componenti UML Class Diagrams
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• 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.

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Componenti UML Object Diagrams
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• 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.

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Componenti UML Use Case Diagrams
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• 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.

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Componenti UML State Diagrams
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• 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.

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Componenti UML Sequence Diagrams
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• 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.

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Componenti UML Activity Diagrams
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• 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.

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Componenti UML Collaboration Diagrams
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• 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.

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Componenti UML Component Diagrams
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• 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.

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Componenti UML Deployment Diagrams
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• 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.

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I simboli grafici

• Elementi Strutturali

• Elementi Comportamentali

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I simboli grafici

• Relazioni

• Raggruppamento

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I simboli grafici

• Estensioni

ltltStereotipogtgt
Constraint

• Annotazioni ed Actor

Actor
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UML Considerazioni

• Nelleffettuare 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

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Ambiente Matlab

• Esistono principalmente due modi per poter
  simulare un sistema descritto in UML attraverso
  le funzionalità offerte da Matlab
• Mediante Simulink e Stateflow utilizzati
  rispettivamente per simulare sistemi continui e
  ad eventi discreti (macchine a stati)
• Mediante scrittura di codice in linguaggio
  S-Function, anchesso 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

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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.
• Lapproccio 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.

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Ambiente Matlab Stateflow

• Le macchine a stati finiti che questo ambiente di
  sviluppo permette di descrivere, sono
  caratterizzate da uno stato, un ingresso ed
  unuscita 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
  dallesterno (eventi, segnali)
• Uscite sono segnali verso lesterno il cui
  valore può essere funzione degli stati o delle
  transizioni.

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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

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Ambiente Matlab Stateflow

• Le macchine a stati finiti che questo ambiente di
  sviluppo permette di descrivere, sono
  caratterizzate da uno stato, un ingresso ed
  unuscita 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
  dallesterno (eventi, segnali)
• Uscite sono segnali verso lesterno il cui
  valore può essere funzione degli stati o delle
  transizioni.

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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.

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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.

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Da UML a Matlab Un Esempio
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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 dellassieme su pallet
  (Movimentatore)
• Ripetizione saldatura per un secondo pezzo
• Allontanamento del pallet con due pezzi saldati
  dalla cella.

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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.

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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.

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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.

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(No Transcript)
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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.

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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

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Collaboration Diagram

• Il Collaboration Diagram visualizza lo scambio
  dei messaggi che avviene tra i vari componenti
  del sistema, come rappresentato in figura

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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.

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(No Transcript)
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Matlab Simulink e Stateflow

• Una volta terminata la realizzazione dei
  diagrammi UML si passa alla traduzione del
  sistema in un modello di simulazione allinterno
  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.

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(No Transcript)
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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
• Analisi dei componenti e delle specifiche di
  progetto
• Descrizione dettagliata della dinamica del
  sistema
• Realizzazione di opportuni controllori che
  consentano il rispetto delle specifiche
• Scrittura del Class Diagram UML
• Scrittura dello State Diagram
• Scrittura del Collaboration Diagram e del
  Sequence Diagram
• Realizzazione del modello Matlab (componenti
  continue con Simulink e discrete con Stateflow)
• Eventuale generazione di codice per la
  configurazione e la programmazione dei componenti
  del sistema.

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Regole di Traduzione

• Lunicità 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.

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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 dellingegneria, tra cui anche quello
  dellautomazione 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.

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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).