本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域，特別設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的建模開發(fā)方法。

背景技術(shù)：

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是典型的混合實(shí)時(shí)系統(tǒng)，是多學(xué)科(機(jī)械/機(jī)電、自動(dòng)化、電子、計(jì)算機(jī))交叉融合的機(jī)電一體化產(chǎn)品，具備控制系統(tǒng)平臺(tái)多樣性、控制對(duì)象多樣化的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的開發(fā)方法采用“不同學(xué)科的工程師進(jìn)行軟硬件并行開發(fā)->集成測(cè)試->開發(fā)優(yōu)化再測(cè)試”的螺旋上升方法，這種方法各取所長(zhǎng)具備良好的效果，但存在效率低、可重用性低、實(shí)時(shí)性難保證等問題。至今，隨著直線電機(jī)、電主軸、傳感器、伺服控制和變頻器等高性能零部件的成熟和控制算法的突破，數(shù)控系統(tǒng)所追求的高速度、高精度已經(jīng)日趨完善。進(jìn)一步提高數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)效率、實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的個(gè)性化定制、同時(shí)保證數(shù)控系統(tǒng)的功能和非功能(主要是實(shí)時(shí)性和可靠性)要求，需要對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略與方法學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新研究。

模型驅(qū)動(dòng)方法和領(lǐng)域工程各自以模型和領(lǐng)域?yàn)橹行模谙到y(tǒng)開發(fā)方面取得了眾多成果。基于組件/構(gòu)件進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)也是學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)，基于組件的開發(fā)方法能解決數(shù)控系統(tǒng)軟件復(fù)用度低，可配置性差的問題，但其人工編碼的方式無(wú)法從根本上解決數(shù)控系統(tǒng)中非功能屬性的滿足與編碼過(guò)程中的測(cè)試集成問題。

特定領(lǐng)域建模是近年來(lái)發(fā)展迅速的軟件工程新方法，并且在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。以模型為核心，以特定領(lǐng)域?yàn)閷?shí)施對(duì)象，構(gòu)建該領(lǐng)域的建模語(yǔ)言以達(dá)到領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)的快速開發(fā)以及實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域?qū)哟蔚闹赜谩?/p>

有限狀態(tài)機(jī)能表達(dá)出事情驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，被廣泛應(yīng)用于裝備控制系統(tǒng)研發(fā)，但缺乏對(duì)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的有效描述。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提高數(shù)控系統(tǒng)特定領(lǐng)域建模開發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制和系統(tǒng)可重用，克服數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)方法上存在的上述問題。提出一種數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)分層有限狀態(tài)機(jī)建模開發(fā)方法，在保證功能和實(shí)時(shí)性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)、個(gè)性化定制的數(shù)控系統(tǒng)快速開發(fā)。

包括以下步驟：

(1)多視圖的描述數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)的特性包括多個(gè)方面，如數(shù)據(jù)流、系統(tǒng)行為、任務(wù)同步等，為了降低建模的復(fù)雜性，采用多視圖的描述策略，不同的系統(tǒng)特性放置在不同的視圖里。

(2)基于端口的數(shù)據(jù)流描述

依據(jù)步驟(1)，對(duì)元模型數(shù)據(jù)流進(jìn)行元建模。數(shù)據(jù)流用來(lái)描述數(shù)據(jù)在各個(gè)功能模塊之間的流向，從而體現(xiàn)模塊與模塊之間的交互關(guān)系。基于端口的數(shù)據(jù)流描述策略，即每個(gè)功能模塊包含若干數(shù)據(jù)端口，端口類型包括輸入端口和輸出端口。一個(gè)模塊的輸出端口連接另一個(gè)模塊的輸入端口，表明功能模塊的執(zhí)行順序。

(3)數(shù)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為分析

依據(jù)步驟(1)，對(duì)元模型的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行分析。數(shù)控系統(tǒng)包括五個(gè)主要狀態(tài)，分別是空閑狀態(tài)、配置狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、錯(cuò)誤報(bào)警狀態(tài)和急停狀態(tài)。首先系統(tǒng)啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)初始化階段，進(jìn)入空閑狀態(tài)。配置請(qǐng)求和運(yùn)動(dòng)請(qǐng)求事件可以使系統(tǒng)分別進(jìn)入配置狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之后首先進(jìn)行軸組檢查，然后啟動(dòng)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)軸，軸組就緒，開始判斷運(yùn)動(dòng)模式，從而進(jìn)入不同的子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，主要有自動(dòng)加工狀態(tài)、手動(dòng)加工運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和手輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及回零運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)加工狀態(tài)和手動(dòng)加工狀態(tài)可以通過(guò)暫停事件使系統(tǒng)進(jìn)入暫停狀態(tài)。如果運(yùn)動(dòng)完成，則重新回到空閑狀態(tài)；如果遇到錯(cuò)誤，則進(jìn)入錯(cuò)誤報(bào)警狀態(tài)；如果遇到急停事件，則進(jìn)入急停狀態(tài)，也可以解除急停重新進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(4)行為元建模

依據(jù)步驟(3)，采用實(shí)時(shí)分層有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)行為元建模。數(shù)控系統(tǒng)的核心任務(wù)為時(shí)間和事件并存的復(fù)雜混合任務(wù)集，如連續(xù)加工中的插補(bǔ)、位置控制均具有強(qiáng)實(shí)時(shí)周期性特點(diǎn)，I/O監(jiān)控為弱實(shí)時(shí)周期性任務(wù)，單純使用狀態(tài)機(jī)或分層有限狀態(tài)機(jī)僅僅能描述事情驅(qū)動(dòng)的任務(wù)切換狀態(tài)遷移，但對(duì)于復(fù)雜混合任務(wù)描述無(wú)能為力。因此，提出一種實(shí)時(shí)分層有限狀態(tài)機(jī)，在分層有限狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上，增加實(shí)時(shí)屬性參數(shù)，把傳統(tǒng)狀態(tài)機(jī)定義為一個(gè)六元組：

RTFSM＝(T，S，E，δ，s₀，s_e)

其中：T為時(shí)間屬性；

S為有窮狀態(tài)集；

E為有窮事件集；

δ為從S×E到S上的映射或轉(zhuǎn)移集合；

s₀∈S為系統(tǒng)初始狀態(tài)；

s_e∈S為系統(tǒng)終止?fàn)顟B(tài)。

已知第i層RTHFSM為RTHFSM_i＝(T_i，S_i，E_i，δ_i，s₀，s_e)，狀態(tài)遷移如下所示：

第一步：存在某個(gè)狀態(tài)s_x∈S_i，且其具有下層RTFSMi+1；

第二步：則當(dāng)系統(tǒng)RHTFSM處于第i層的狀態(tài)s_x時(shí)，首先判讀T_i是否為實(shí)時(shí)周期性任務(wù)，當(dāng)時(shí)間屬性T_i達(dá)到，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入RTHFSMi+1進(jìn)行執(zhí)行。T_i＝0即為非周期性任務(wù)，即為事情驅(qū)動(dòng)任務(wù)，跳轉(zhuǎn)進(jìn)入下一層；

第三步：如果第i+1層RTHFSM有可能還會(huì)存在更下一層的RHTFSMi+2，則跳轉(zhuǎn)第二步執(zhí)行。

(5)完成元建模后，經(jīng)過(guò)元模型解釋器形成計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)工具。

(6)依據(jù)步驟(5)所生成的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)工具，可針對(duì)特定硬件平臺(tái)構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)模型，并配置模型屬性。數(shù)控系統(tǒng)模型可為車床數(shù)控系統(tǒng)、銑床數(shù)控系統(tǒng)。步驟(1)至步驟(6)為模型層。

(7)進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)件庫(kù)的開發(fā)和完善，實(shí)施計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)四級(jí)任務(wù)調(diào)度算法，實(shí)施模型轉(zhuǎn)換和源代碼自動(dòng)生成算法。

(8)依據(jù)步驟(6)和(7)，將模型導(dǎo)入MATLAB、UPPAAL等工具分別進(jìn)行功能驗(yàn)證和實(shí)時(shí)性能驗(yàn)證。

(9)依據(jù)步驟(7)和(8)，驗(yàn)證無(wú)誤的模型進(jìn)行源代碼自動(dòng)生成。依據(jù)映射規(guī)則庫(kù)，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的代碼庫(kù)和構(gòu)件庫(kù)，進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)源代碼粘合和構(gòu)件匹配。

(10)依據(jù)步驟(9)，編譯連接源代碼，生成可執(zhí)行的數(shù)控系統(tǒng)軟件。步驟(7)至(10)為實(shí)施層。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明針對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，采用實(shí)時(shí)分層有限狀態(tài)機(jī)理論，構(gòu)建計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)元模型，繼而建立計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域建模語(yǔ)言。用戶采用該建模語(yǔ)言，通過(guò)可視化的模型搭建，實(shí)現(xiàn)模型驗(yàn)證和源代碼自動(dòng)生成，繼而生成特定平臺(tái)下的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。該開發(fā)方法在保證計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)功能和實(shí)時(shí)性能的前提下，能提高計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的效率，提高計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的可重用性和可靠性。

附圖說(shuō)明

附圖1是本發(fā)明的基于實(shí)時(shí)分層有限狀態(tài)機(jī)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)建模開發(fā)方法程圖；

附圖2計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)四級(jí)任務(wù)調(diào)度算法示意圖；

附圖3是模型功能和實(shí)時(shí)性能驗(yàn)證示意圖；

附圖4是源代碼生成算法示意圖；

附圖5是數(shù)控系統(tǒng)建模環(huán)境使用示意圖。

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明基于實(shí)時(shí)分層有限狀態(tài)機(jī)的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)建模開發(fā)方法，包括領(lǐng)域?qū)雍蛯?shí)施層兩個(gè)層次。領(lǐng)域?qū)影ㄓ?jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)元建模和用戶建模，實(shí)施層包括模型的功能和非功能驗(yàn)證及模型的源代碼自動(dòng)生成階段。如附圖1所示，采用GME元建模軟件101，基于實(shí)時(shí)分層有限狀態(tài)機(jī)理論102，進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)元模型103構(gòu)建。元模型經(jīng)過(guò)屬性配置和OCL語(yǔ)言規(guī)約后，經(jīng)過(guò)GME內(nèi)置的元模型解釋器104生成計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)建模語(yǔ)言105，該語(yǔ)言具備可視化的建模環(huán)境。數(shù)控系統(tǒng)用戶106可利用改建模環(huán)境進(jìn)行特定平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)模型搭建107。至此，均是開發(fā)方法領(lǐng)域?qū)用?。通過(guò)面向不同工具的模型解釋器108，數(shù)控系統(tǒng)模型可在工具里進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)功能和實(shí)時(shí)性能驗(yàn)證109，數(shù)控系統(tǒng)模型可經(jīng)過(guò)模型解釋器109，根據(jù)映射庫(kù)匹配源代碼和構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)模型的源代碼自動(dòng)生成111，經(jīng)過(guò)源代碼的編譯、連接、運(yùn)行110，即可形成特定平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)112。

具體步驟如下：

(1)領(lǐng)域?qū)佑?jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)元模型描述

采用元建模工具GME多視圖的方式，針對(duì)功能和實(shí)時(shí)性能進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)描述。元模型描述由一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)分層有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行規(guī)約整體描述。功能描述包括HMI人機(jī)交互管理系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)。實(shí)時(shí)性能描述包括四級(jí)調(diào)度任務(wù)算法描述。如HMI人機(jī)交互管理系統(tǒng)，由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)不同狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的描述(如手動(dòng)、自動(dòng)模式切換等)。數(shù)控系統(tǒng)軟件界面采用統(tǒng)一的元素進(jìn)行描述，包括按鈕、編輯框、靜態(tài)文本框等。

元模型描述過(guò)程中使用OCL語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)建模的規(guī)約。元模型經(jīng)過(guò)GME內(nèi)置的解釋器解釋，生成計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)建模語(yǔ)言，同時(shí)是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)建模環(huán)境。

(2)領(lǐng)域?qū)佑?jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)模型搭建

如附圖5所示。使用步驟(1)所生成的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)建模環(huán)境501，采用多視圖方式，分別進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)功能建模和實(shí)時(shí)性能建模。功能建模包括HMI人機(jī)交互管理軟件502建模(包括各種狀態(tài)下軟件界面建模505及各元素搭建和配置508)、運(yùn)動(dòng)控制建模503(包括軸控制、軸組管理506及插補(bǔ)算法配置、伺服控制建模、四級(jí)調(diào)度算法配置509)、PLC建模504(包括主軸、冷卻、潤(rùn)滑、刀架507的I/O分配、定制510).

(3)實(shí)施層計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證是開發(fā)方法的重要環(huán)節(jié)，驗(yàn)證領(lǐng)域用戶模型的邏輯、功能、數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能。如圖3所示。用戶模型301，使用已經(jīng)開發(fā)好的不同平臺(tái)的模型解釋器(302，302，304等)，分別解析用戶模型到相應(yīng)工具進(jìn)行模型驗(yàn)證。包括simulink下的邏輯功能驗(yàn)證305、truetime工具下的實(shí)時(shí)性能驗(yàn)證306、UPPAAL下的實(shí)時(shí)性驗(yàn)證307。

實(shí)時(shí)性能驗(yàn)證中，集成了本發(fā)明的數(shù)控系統(tǒng)四級(jí)任務(wù)調(diào)度算法。如圖2所示。首先對(duì)任務(wù)進(jìn)行類型判斷201，分為四種情況。第一種為強(qiáng)實(shí)時(shí)周期性任務(wù)202，如插補(bǔ)算法等，采取相應(yīng)的第一級(jí)調(diào)度算法206；第二種為強(qiáng)實(shí)時(shí)突發(fā)性任務(wù)203，如急停、暫停等，采取相應(yīng)的第二級(jí)調(diào)度算法207；第三種為弱實(shí)時(shí)周期性任務(wù)204，如診斷、狀態(tài)顯示燈，采取相應(yīng)的第三級(jí)調(diào)度算法208；第四種為非實(shí)時(shí)任務(wù)，如數(shù)控程序編輯、語(yǔ)法糾錯(cuò)等，采取相應(yīng)的第四級(jí)調(diào)度算法(即事件驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn))。

(4)實(shí)施層數(shù)控系統(tǒng)源代碼自動(dòng)生成

如附圖4所示，用戶模型401可以通過(guò)模型翻譯器402翻譯成特定平臺(tái)下的產(chǎn)品級(jí)源代碼。模型翻譯器根據(jù)映射規(guī)則庫(kù)403進(jìn)行判斷。如匹配源代碼庫(kù)404，把相應(yīng)模型和源代碼匹配，進(jìn)行源代碼的粘合406。如匹配構(gòu)件庫(kù)405，進(jìn)行構(gòu)件的匹配407。最后形成數(shù)控系統(tǒng)源代碼408，源代碼經(jīng)過(guò)編譯、連接，可形成數(shù)控系統(tǒng)。