سامانه‌های رایافیزیکی
Cyber-Physical Systems
| شماره درس: ۴۰۸۴۳.۱ | تعداد واحد: ۳ |
| مقطع: کارشناسی ارشد | نوع درس: نظری |
| پیش‌نیاز: – | هم‌نیاز: – |
اهداف درس
در اکثر سامانه‌های پیشرفته، اجزای محاسباتی به موجودیت‌های فیزیکی مرتبط هستند که در سال‌های اخیر تحت عنوان «سامانه‌های رایافیزیکی» شناخته می‌شوند. نمونه‌هایی از این سامانه‌ها در وسایل نقلیه خودکار، ربات‌های جراحی، شبکه‌های هوشمند و تولیدات مشترک انسان و ربات وجود دارد. با گذراندن این درس، دانشجویان تحصیلات تکمیلی قادر خواهند بود، توصیف، مدل‌سازی، طراحی، تحلیل و کنترل سامانه‌های رایافیزیکی را انجام دهند. همچنین می‌توانند درک عمیقی از تعامل بین دینامیک پیوسته ناشی از موجودیت‌های فیزیکی (به عنوان مثال سامانه‌های مکانیکی) و دینامیک گسسته ناشی از عناصر محاسباتی (مانند کنترل رویداد گسسته)، که منجر به اصطلاح دینامیک ترکیبی (Hybrid Dynamic) می‌شود، داشته باشند. آن‌ها می‌توانند جنبه‌های دینامیکی مربوط به سامانه‌های رایافیزیکی را استخراج کنند و راه‌حل‌هایی را به تنهایی توسعه دهند که با مشخصات داده شده برای اینگونه سامانه‌ها مطابقت داشته باشد.
ریز مواد
- مقدمه
- یک سامانه رایافیزیکی چیست؟ ویژگی‌های کلی سامانه‌های رایافیزیکی، کاربردها، مثال‌های انگیزشی، خلاصه‌ای از عناوین، راهنمایی سازماندهی درس
- دینامیک پیوسته
- قوانین نیوتن، مدل‌های کنشگر، کنترل کننده بازخورد
- مدل‌سازی، معادله‌های دیفرانسیل معمولی، ویژگی‌های سامانه‌های مبتنی بر دینامیک پیوسته، شبیه سازی معادله‌های دیفرانسیل، تحلیل پایداری، مقدمه‌ای بر کنترل سامانه‌های پیوسته
- دینامیک گسسته
- مدل‌سازی (Moore/Mealy machine, Petri nets, Satecharts)، منطق زمانی، مقدمه‌ای بر وارسی مدل‌های گسسته، سنتز کنترل کننده‌ها
- دینامیک ترکیبی
- مدل‌سازی (Timed Automata, Hybrid Automata, Hybrid Statecharts)، شبیه‌سازی سامانه‌های ترکیبی، تحلیل پایداری، تحلیل دسترس‌پذیری، کنترل نظارتی
- سخت‌افزارهای مرسوم
- حسگرها و محرک‌ها، پردازنده‌های نهفته (با کارایی بالا، کم‌توان)، معماری‌های حافظه، ورودی و خرجی
- قابلیت اتکا در سامانه‌های رایافیزیکی
- زمان‌بندی بی‌درنگ در سامانه‌های رایافیزیکی
- نگاه کلی به زمان‌بندی، زمان‌بندی تک‌هسته‌ای، زمان‌بندی چندهسته‌ای و چالش‌های آن، زمان‌بندی آگاه از توان، انرژی و دما، مدل‌ها و الگوریتم‌های زمان‌بندی پیشرفته
- طراحی سامانه‌های بحرانی مختلط و بررسی چالش‌های آن به‌عنوان مثالی از سامانه‌های رایافیزیکی
ارزیابی
- امتحان میان‌ترم: حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد
- امتحان پایان‌ترم: حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد
- پروژه و تمرین‌ها: حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد
مراجع
- R. Alur. Principles of Cyber-Physical Systems. MIT Press, 2015.
- M. Wolf. Applications in Cyber-Physical Systems and Mobile Computing. Elsevier, 2014.
- E. A. Lee and S. A. Seshia. Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach. MIT Press, 2016.
- A. J. Van Der Schaft. An Introduction to Hybrid Dynamical Systems. Springer, 2000.
- K.S. Narendra and A.M. Annaswamy. Stable Adaptive Systems. Dover Publications, 2004.
- G. Buttazzo. Hard Real-Time Computing Systems: Predictable Scheduling Algorithms and Applications. New York, NY, USA: Springer, 2011.
- P. Marwedel. Embedded System Design: Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems. Springer, 2021.