复杂反应型系统控制器设计方法

专利名称：复杂反应型系统控制器设计方法
技术领域：
本发明涉及一种控制器设计方法，尤其涉及一种复杂反应型系统控制器设计方法。
背景技术：
复杂反应型系统是指那些结构组成复杂且同时包括离散状态行为和连续动态行 为两种动态特征的反应型系统。飞行器控制系统、汽车电子控制系统等都是典型的复杂 反应型系统。在复杂反应型系统设计过程中，设计人员首先进行系统顶层设计。在该阶段， 设计人员采集用户需求，并对其进行分析、分解和精化，并基于用户需求进行系统的分 析与设计，得到系统总体设计方案。其中总体设计方案是后续设计工作的依据，它决定 了最终设计出的物理样机是否运行正确并满足用户需求，因此设计人员应首先保证总体 设计方案正确且满足用户需求。通常一个控制器或控制系统的设计过程有制定任务调研，控制计算机选型，有 关硬件电路设计，控制软件设计、编码、调试，硬件、软件的实验室联调及仿真和现场 调试五个步骤。对于复杂反应型系统来说，控制软件的设计遵循软件工程的方法论，用 工程的概念、原理、技术及方法来开发和维护系统的控制软件，以提高软件的质量，减 少软件中的问题，增加其可维护性。软件设计的过程通常遵循软件开发瀑布模型，严格 按照需求分析、概要设计、详细设计、编码、调试的步骤逐步开发。各个阶段间是由大 量的文档传递信息，然而文档本身在传递过程中是不可测试的，因此在软件开发的各个 阶段之间形成了沟通障碍。另外由于这个过程的生命周期太长，文档的不可测试，需求 的错误被逐层积累，只有系统测试时才能发现。这就产生了矛盾大部分错误已积累形 成，但只能在后面发现。因此在纠正错误时，文档架构代价高昂。传统的复杂反应型系统传统控制器设计方法也是一种文档驱动式设计方法，所 谓文档驱动式是指系统顶层设计阶段给出的设计方案是文档形式且该阶段设计工作缺乏 必要的系统级辅助设计及仿真验证手段，即设计人员虽然能够采用Simulink等工具软件 对控制算法等单领域/角度进行建模及仿真验证，但缺乏系统级的仿真验证手段，因此 设计人员无法保证总体设计方案运行正确且满足用户需求。而一旦总体设计方案中存在 歧义和错误，那么这些歧义和错误会在后续设计阶段甚至硬软件联调阶段得到放大和蔓 延，等到发现时再进行修改，其代价是巨大的。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对传统复杂反应型系统开发方式的不足以及常 规控制器设计方法不适用于复杂反应型系统开发的现状，提出一种复杂反应型系统控制 器设计方法。本发明采用以下技术方案来解决上述技术问题
一种复杂反应型系统控制器设计方法，包括以下步骤步骤1、根据用户任务要求对复杂反应型系统进行需求分析与确认；步骤2、根据复杂反应型系统的属性，确定其业务需求和系统的结构、功能、性 能与行为，将复杂反应型系统的控制软件划分为逻辑部分和控制律部分；步骤3、根据确定的复杂反应型系统的业务需求对复杂反应型系统的逻辑功能进 行建模，确定复杂反应型系统的控制模态；步骤4、根据确定的复杂反应型系统的业务需求设计复杂反应型系统控制算法， 进行控制律的设计；步骤5、将所建立的复杂反应型系统逻辑功能模型和复杂反应型系统控制律模型 融合起来进行协同仿真与验证；步骤6、利用所设计的复杂反应型系统逻辑功能模型和复杂反应型系统控制律模 型构建复杂反应型系统平台无关模型；步骤7、进行复杂反应型系统嵌入式硬件平台的设计，包括硬件平台的搭建、硬 件驱动程序的编写以及适用于该硬件平台操作系统适配器的设计；步骤8、对复杂反应型系统平台无关模型进行模型编译，将其转换成基于抽象操 作系统的与平台相关的源代码；步骤9、进行构件组装，将上一步所生成的基于抽象操作系统的与平台相关的源 代码和嵌入式开发平台所自动生成的基于模型的代码框架进行链接、组装后，使其经过 步骤7所设计的操作系统适配器和对应的语言编译的处理，生成依赖于特定操作系统的 PSM目标系统。本发明的复杂反应型系统控制器设计方法，将控制器设计，尤其是控制软件设 计指定为一个更高层次的抽象模型。通过对模型的解释/执行或者自动生成代码，抽象 模型可以自动转化为可工作的软件应用，使得控制软件开发更加快捷，开发成本更低， 软件质量更高。同时，开发者不必花费大量的时间和精力在代码编写和测试上，可以 更加专注于如何搭建系统功能性构架，花更多的精力去解决控制系统关键部分的技术攻 关。如果开发过程中有人中途加入，他不需要阅读大量的源代码，而仅仅需要理解这些 高级模型就可以投入工作。另外，由于模型是依据功能抽象出来的，避免了文档的二义 性，且有更好的易读性。


图1为本发明的复杂反应型系统控制器设计方法流程图；图2为具体实施方式
中所述某型无人机复杂反应型系统需求模型；图3为具体实施方式
中所述某型无人机复杂反应型系统逻辑功能图；图4为具体实施方式
中所述控制律任务工作流程图；图5为具体实施方式
中所述控制软件PIM模型与PSM模型的组成及关系示意 图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
本具体实施方式
中，在Rhapsody与Simulink软件环境下实现本发明的复杂反 应型系统控制器设计方法。Rhapsody是嵌入市场上领先的基于SysML/UMLTM 2.0的 模型驱动开发(MDD)环境，在快速开发的时间压力以及交付高质量的系统和软件二者 之间做出很好的平衡。Rhapsody提供的建模环境充分考虑了快速开发、可测试性、降 低成本、创建高质量交付产品等需求。通过高度的集成和自动化的系统工程和软件工程 过程，可以开发完整的可实施系统，Rhapsody开发的架构能够实现开发的高质量和高效 率。Rhapsody拥有的核心技术，为系统工程师和软件开发人员提供了 UML/SysML兼容 工具，并可以扩展到对特定领域的建模。Rhapsody提供了真正的协同工作环境，适应任 何大小的团队有效地沟通和提高开发效率。结合图形化的统一建模语言(UML)和系统建 模语言(SysML)以及高级系统设计和分析能力，Rhapsody提供了一个完整的模型驱动开 发环境，覆盖了从需求获取到分析、设计、实现以及测试全过程。Rhapsody使用集成的 需求管理和跟踪特性，确保设计永远满足需求。迭代地利用UML和SysML进行开发， 工程师和开发人员可以在系统层次对复杂系统进行逻辑功能设计，并使用可测试性技术 (DFT)在开发的初期减少缺陷，并总是对照需求对设计进行确认。另外，Rhapsody为工 程师和开发人员提供了生成完整应用的能力，缩减了开发周期。创新的代码可视化功能 连同强大的逆向工程能力一起，提供了集成原有代码和重用现有IP的能力。Rhapsody作 为一个模型驱动开发(MDD)的系统和软件建模解决方案，在优化嵌入系统和软件的性能 的同时，很好地解决了沟通、可裁减，可跟踪和降低成本等一系列具有挑战性的问题。 在本发明中采用Rhapsody进行复杂反应型系统控制器控制逻辑的建模。Simulink是用来建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境，包括连续系统， 离散系统和混合系统。Simulink提供了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交 互平台。通过Simulink提供的丰富的功能块，可以迅速地创建动态系统模型。另外， Simulink也是实时代码生成工具Real-Time Workshop的支持平台。Simulink是层次化建 模工具，数据管理工具，定制子系统工具。无论工程师的系统有多复杂，都可以轻松完 成简明精确的模型描述。Simulink包括超过一千个模块以实现对构建系统常用的应用函 数的描述。它们包括·连续、离散动态系统模块。例如积分和单位延迟模块·算法模块。例如加法、乘法和查表模块 结构模块。例如mux，switch和信号和总线选择·特定领域的应用。例如航空航天，通讯，信号处理，机械，电力......·采用MATLAB，FORTRAN、Ada和C代码生成自定义模块·基于模型和单个模块的完善的CallBack机制，允许用户对模型的仿真过程进 行定制Simulink 环境中集合了 Aerospace Blockset、Simulink Control Design、 Simulink FixedPoint> Simulink Response Optimization、 Simulink Parameter Estimation、 Real-TimeWorkshop等众多功能模块支持用户对航空航天、汽车、电子和工业过程等领域 的复杂系统建立建明精确的模型，并对其在时域、频域进行特性分析，设计各种控制律 并进行调试、仿真验证，并提供可视化观测等。Simulink已成为控制专业领域内进行控 制律设计的常用工具，本发明采用Simulink来进行复杂反应型系统控制器中控制律模型的设计。如附图1所示，本发明具体按照以下步骤进行复杂反应型系统控制器的设计步骤1、根据复杂反应型系统总体设计要求对复杂反应型系统进行需求分析与确 认，在Rhapsody中利用UML中的用例图对需求进行分析和确认，使用用例方式确定控制 软件的范围、外部交互对象、用例及其之间的关联关系，然后以用例为基础，通过顺序 图描述的场景对系统进行分析，确定控制软件应该具备的功能、行为及性能。在复杂反 应型系统中，复杂反应型系统负责采集系统的外围设备的状态信息和系统传感器的输出 信息，实时解算出对外围设备和执行机构的控制量，实现对复杂反应型系统的全过程控 制。用例是系统中的一个功能单元，可以被描述为参与者与系统之间的一次交互作用。 用例模型的用途是列出系统中的用例和参与者，并显示哪个参与者参与了哪个用例的执 行。例如图2以某型无人机复杂反应型系统为例，在Rhapsody中利用UML用例图来描 述其需求。图中操作者有外控手(地面控制人员)，传感器组和执行机构；主要的用例 有控制律解算、信号采集、信号输出和任务调度管理四个用例。信号采集和信号输出用 例表达了系统对信号的处理功能；控制律解算用例主要用来表达系统的基本功能，它用 用例之间的关系泛化来表示，即图中的飞控用例和导航用例，分别表示飞行控制解算和 导航解算。任务调度管理用例负责管理各个任务之间的调度关系及数据的传递。步骤2、在需求分析及系统分析基础上，对复杂反应型系统从功能、行为和性能 上进行分解，得到其离散状态行为部分和连续状态行为部分。任何一复杂反应型系统的 控制器在形式上都可分为离散状态行为部分和连续状态行为部分。其中离散状态行为用 来描述复杂反应型系统控制器的逻辑部分，主要是其控制模态的集合；连续部分主要是 指控制算法亦即控制律部分。步骤3、根据确定的复杂反应型系统需求，在Rhapsody软件环境中利用UML类 图、对象图、状态图、顺序图、活动图与协作图等描述复杂反应型系统的逻辑功能，确 定复杂反应型系统各种控制模态。图3以某型无人机复杂反应型系统为例，在Rhapsody 软件环境中利用UML状态图建立其逻辑功能图。图中“neikong”表示内控模态、
“waikong”表示外控模态、“hunkong”表示混控模态。内控模态即自动模态飞行，无 人机上电后默认进入内控模态，在内控状态下无人机可以自动完成起飞、沿预定航线飞 行、下滑和着陆等动作。外控模态使无人机复杂反应型系统进入直接舵面操纵方式。在 直接舵面操纵方式下，操纵员通过操纵杆直接操纵无人机的舵面、发动机风门及前轮， 控制无人机的飞行或地面滑跑运动方向；混控模态使无人机复杂反应型系统进入角指令 操纵方式。通过发送指令进入相应的飞行模态。步骤4、根据确定的复杂反应型系统需求对复杂反应型系统控制算法进行建模， 在Simulink软件环境中完成复杂反应型系统控制律的设计。如图4为某型复杂反应型系 统控制律任务工作流程所示，在软件运行过程中，控制律任务实时等待调度管理任务发 送的数据消息。当消息队列中有新数据时，控制律任务进入就绪状态，获得运行权。控 制律任务解析数据消息后，根据当前控制模态进行控制律解算，得出控制指令，输出给 执行机构。步骤5、将所建立的复杂反应型系统逻辑功能模型和复杂反应型系统控制算法模 型融合起来进行协同建模与仿真，在分别验证两种模型的正确性之后进行模型的集成验证。如果验证正确则继续往下进行，若验证错误则返回步骤2重新进行设计。步骤6、利用所设计的复杂反应型系统逻辑功能模型和复杂反应型系统控制律模 型构建复杂反应型系统平台无关模型(PIM模型)。利用点对点的方式将在Simulink软件 开发环境中建立的mdl模型(即控制算法模型)导入到Rhapsody软件开发环境中，和在 Rhapsody软件开发环境中建立的UML模型进行集成。MATLAB提供了将Simulink模型 转化为实时或非实时程序的软件工具Real-time Workshop (RTW)，它是基于Simulink的 一个代码生成工具，能将Simulink模型转化为标准的C语言代码或C++代码，加上系统 提供的模型运行框架，它们构成一个完整的C/C++语言程序。这些程序代码经编译连接 生成可执行文件后，可以脱离MATLAB环境独立运行。将在Simulink中设计的控制律模 型利用RTW生成可执行代码，并进行模型封装，封装后的模型利用flowport进行数据交 换。在Rhapsody软件中利用扩展profile机制，将在Simulink中封装好的模型以及生成的 代码同时导入Rhapsody中即完成Matlab和Rhapsody之间的点对点的无缝连接，即满足 所建立的所有模型都在Rhapsody软件环境中，既实现了复杂反应型系统的系统级协同仿 真，又集成了完整的平台无关的复杂反应型系统控制软件模型(PIM模型)。步骤7、进行复杂反应型系统嵌入式硬件平台的设计。根据复杂反应型系统需 求，确定控制器的输入接口、输出接口、运算能力以及数据存储容量等指标，设计合适 的嵌入式硬件平台，同时进行硬件驱动程序的编写以及适用于该硬件平台操作系统适配 器的设计。针对具体操作系统的特定配置，设计Rhapsody实时框架中的抽象操作系统适 配器。Rhapsody平台下软件实现过程是利用代码自动生成技术来实现，主要是通过基于 Rhapsody内置实时框架OXF (Object Execution Framework)来完成代码的实现策略。实时 嵌入式系统软件框架是一个在操作系统之上应用程序之下的中间件，应用程序的编写或 自动产生都基于有统一接口的实时嵌入式系统软件框架，这样就使应用软件的开发与具 体的平台无关，解决了嵌入式应用的移植问题。Rhapsody的实时框架完全开放，用户可 以根据特定的操作系统以及应用环境进行构建。具体构建过程包括(1)修改实时框架 OXF ； (2)编写Makefile，建立动态库；(3)修改Rhapsody属性，添加Rhapsody下具体 操作系统开发环境。步骤8、对复杂反应型系统PIM模型进行模型编译，将PIM模型转换成基于抽象 操作系统的与平台相关的源代码(如C，C++, JAVA等)，即PSM模型。对复杂反应型 系统PIM模型进行模型编译，将PIM模型转换成基于抽象操作系统的与平台相关的源代 码(如C，C++, JAVA等)，即PSM模型。图5为PIM模型与PSM模型的组成及关系 图。其中PIM由UML模型和Simulink模型共同构成，将PIM模型转换成基于OXF框架 的嵌入式控制软件PSM模型(代码)。首先，根据代码生成目的配置Rhapsody及RTW 的代码生成机制。前者包括目标平台类型、目标代码类型、是否加入调试代码等，后者 包括目标代码类型、求解器算法及求解步长等。其中Rhapsody代码生成机制在软件设计 调试时与最终发布时使用不同的配置，比如软件设计及调试时目标平台类型一般设置为 开发平台并且需要加入调试代码；软件最终发布时则将目标平台设置为实际部署平台并 且去除其中的调试代码。然后，基于此配置分别将PIM模型中的UML部分与Simulink 部分分别使用Rhapsody代码生成器和RTW生成目标代码。适当修改RTW代码，然后将 RTW代码嵌入到Rhapsody软件环境UML模型所生成的代码中，最后进行协同编译。由UML模型所生成的代码和RTW生成的代码共同构成嵌入式控制软件完整PSM模型(代 码)。步骤9、进行构件组装，将上一步所生成的PSM源码和嵌入式开发平台所自动 生成的基于模型的代码框架进行链接、组装后，使其经过第7步所设计的操作系统适配 器和对应的语言编译的处理，生成依赖于特定操作系统的PSM目标系统，即可被传输到 设计的嵌入式硬件平台中进行测试和使用，PIM模型设计完毕并转换成PSM模型(代 码)后，需要进行运行测试，验证控制软件设计是否满足要求。在测试过程中如果发现 问题，则返回步骤6修改控制软件PIM模型，并重新按照步骤8生成代码。如此循环迭 代，直至设计满足要求，最终完成复杂反应型系统控制器的设计。相比现有技术，本发明的复杂反应型系统控制器设计方法具有以下优点一、通过本发明，可实现快速的对复杂反应型系统控制器设计。通过在模型层 进行控制软件开发，提高软件开发层次，使设计人员能专心于控制软件业务逻辑模型设 计；二、通过将复杂反应型系统分为逻辑部分和控制律部分，分别从这两个截然不 同专业领域内进行复杂反应型系统控制器的开发设计，提高了复杂反应型系统控制器的 设计效率；三、通过从模型到代码的自动化生成，减轻了代码编写工作量，并避免了传统 手工编码方式带来的一系列问题。四、通过基于框架的代码自动生成，实现了复杂反应型系统控制软件在不同嵌 入式硬件平台之间的方便移植。
权利要求
1.一种复杂反应型系统控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤1、根据用户任务要求对复杂反应型系统进行需求分析与确认；步骤2、根据复杂反应型系统的属性，确定其业务需求和系统的结构、功能、性能与 行为，将复杂反应型系统的控制软件划分为逻辑部分和控制律部分；步骤3、根据确定的复杂反应型系统的业务需求对复杂反应型系统的逻辑功能进行建 模，确定复杂反应型系统的控制模态；步骤4、根据确定的复杂反应型系统的业务需求设计复杂反应型系统控制算法，进行 控制律的设计；步骤5、将所建立的复杂反应型系统逻辑功能模型和复杂反应型系统控制律模型融合 起来进行协同仿真与验证；步骤6、利用所设计的复杂反应型系统逻辑功能模型和复杂反应型系统控制律模型构 建复杂反应型系统平台无关模型；步骤7、进行复杂反应型系统嵌入式硬件平台的设计，包括硬件平台的搭建、硬件驱 动程序的编写以及适用于该硬件平台操作系统适配器的设计；步骤8、对复杂反应型系统平台无关模型进行模型编译，将其转换成基于抽象操作系 统的与平台相关的源代码；步骤9、进行构件组装，将上一步所生成的基于抽象操作系统的与平台相关的源代码 和嵌入式开发平台所自动生成的基于模型的代码框架进行链接、组装后，使其经过步骤7 所设计的操作系统适配器和对应的语言编译的处理，生成依赖于特定操作系统的PSM目 标系统。
2.如权利要求1所述复杂反应型系统控制器设计方法，其特征在于，该方法是在 Rhapsody与Simulink软件环境下实现。
3.如权利要求2所述复杂反应型系统控制器设计方法，其特征在于，步骤2具体为在 Rhapsody软件中利用UML用例图来描述复杂反应型系统的需求，依据其结构、功能、性 能与行为将需求分为逻辑部分和控制律部分。
4.如权利要求2所述复杂反应型系统控制器设计方法，其特征在于，步骤5具体为 利用模型与代码同步导入的方法，将在Simulink软件开发环境中建立的mdl模型导入到 Rhapsody软件开发环境中，联合mdl模型与UML模型进行协同仿真与验证；并在步骤 6中基于这两种验证过的模型共同构建复杂反应型系统的复杂反应型系统平台无关模型模 型。
5.一种将PIM模型转换为基于OXF框架的嵌入式控制软件PSM模型的方法，所述 PIM模型由UML模型和Simulink模型构成，其特征在于，首先根据代码生成目的配置 Rhapsody及RTW的代码生成机制；然后基于此配置分别将PIM模型中的UML部分与 Simulink部分分别使用Rhapsody代码生成器和RTW生成目标代码；适当修改RTW代 码，然后将其嵌入Rhapsody中UML模型所生成的代码中，两者共同构成嵌入式控制软件 完整PSM模型。
6.一种抽象操作系统适配器的构建方法，所述抽象操作系统适配器基于Rhapsody软 件平台，其特征在于，该方法是基于Rhapsody内置实时框架OXF来完成代码，具体包括 以下步骤(1)修改实时框架OXF;(2)编写Makefile，建立动态库；(3)修改Rhapsody属性，添加Rhapsody下具体操作系统开发环境。
全文摘要
本发明公开了一种复杂反应型系统控制器设计方法，属于控制器设计领域。本发明方法采取控制软件和嵌入式硬件平台并行的方式。控制软件的设计首先根据复杂反应型系统属性将其划分为逻辑部分和控制律部分，然后利用模型驱动开发的思想分别对这两部分进行建模，最后利用基于模型导入的模型集成方式将控制器的逻辑部分和控制律部分结合起来，构成完整的平台无关的复杂反应型系统控制软件；最后，利用特定的操作系统适配器，将PIM模型转换成PSM模型，并将其下载到所设计的硬件平台中，完成复杂反应型系统控制器的设计。本发明使设计人员可专心于复杂反应型系统逻辑模型的构建而不用考虑控制器软件的编写，大幅提高了复杂反应型系统控制器的开发效率。
文档编号G05B13/04GK102012673SQ20101056193
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者刘兴华, 周在华, 庄丽葵, 张寅生, 徐慧, 曹云峰, 王彪, 王西超 申请人:南京航空航天大学