基于模型集成运算的嵌入式装备控制系统开发方法的研究

摘要

信息技术的迅速发展和经济全球化，给装备制造业带来新的机遇和挑战。作为装备的中枢部分——控制系统，其技术水平标志着设备的自动化和智能化水平。嵌入式系统的发展和应用为提高装备的整体性能开辟新的途径，成为装备市场竞争的关键因素。面向领域建模以其崭新的理念被誉为“下一代建模方法”，它将嵌入式软件的开发重心由底层代码转变为领域模型。本文采用基于面向领域建模思想的模型集成运算理论构建面向装备控制领域的嵌入式系统开发环境，建立面向该领域的建模语言，研究嵌入式控制系统的开发方法，为装备控制领域嵌入式系统的开发提供快速有效的解决方案。 在对模型集成运算理论进行深入研究的基础上，针对装备控制领域的发展需求和嵌入式系统的特点以及目前嵌入式系统开发所面临的问题，提出了面向装备控制领域的嵌入式系统开发总体框架。整个框架可以分为两个层次：领域层和应用层。其中，领域层通过领域元模型的抽象与建模和解释器的设计与实现，为用户层提供建模语言、集成开发环境和解释器。用户可以直接使用建模语言和开发环境建立所需的应用模型。解释器是建立在该领域内统一的元模型的基础之上，能够对多样化的用户模型进行解释。 在建立领域元模型之前，首先要对装备控制领域进行领域分析，获取嵌入式系统在装备控制领域的应用需求。本文从控制系统的组成、功能、性能、约束以及硬件平台等五个方面分析了该领域的共性与特点。基于嵌入式控制系统的本体论分析，提出了装备控制系统元模型的构建方法：定义构成系统的各个部件→确定每个部件的特性→建立各部件之间的关系。 然后，根据该构建方法，以领域分析为依据，以控制系统的本体论为基础，从多个方面和多个层次建立了装备控制领域的元模型，形成该领域嵌入式系统的建模语言——CSML。装备领域的工程人员可以采用CSML语言对嵌入式控制系统从结构、行为、约束、硬件平台以及任务部署等多个方面进行定制。通过模型解释器实现程序代码的生成，从而实现领域应用的快速定制，提高开发效率，缩短开发周期。 模型解释器是以用户模型为输入，以其他格式数据为输出的转换器。可以分为三种：模型转换解释器、工具集成解释器和代码解释器，分别实现从用户模型到其他模型、特征文件(仿真/验证工具的可识别格式)以及程序代码的解释。在深入研究解释器开发需要用到的模型访问接口的基础上，基于元生成的方法，实现了具有部分功能的代码解释器。这些解释器能够将用户模型的数据处理模块和人机界面解释成程序代码，再经编译器编译生成目标代码。另外，针对装备控制系统的领域需求，探讨了在解释器开发过程中所涉及到的跟嵌入式控制系统非功能要求紧密相关的问题和解决办法。最后，采用所研究开发的装备控制领域的建模语言和嵌入式控制系统开发环境，分别建立了三个系统的模型：液压拉深机控制系统、计算机数控系统和焊接过程监控系统。通过这三个应用系统的建模和部分功能的代码生成，验证了本文提出的嵌入式控制系统开发框架的可行性以及建模语言CSML的在装备控制领域的适用性。 本文所研究的嵌入式控制系统开发框架、建模语言以及开发环境是模型集成运算理论在装备控制领域的一个尝试。对该方法的深入研究可能为嵌入式控制系统的描述、设计以及实施等开发过程的自动化提供有效途径，为提高装备控制系统的可靠性、可重用性和可维护性等性能提供有利措施，对提升我国装备制造业的技术水平具有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1装备控制的发展需求

1.2嵌入式控制系统

1.2.1嵌入式控制系统的特点

1.2.2嵌入式控制系统开发所面临的问题

1.3嵌入式控制系统的开发方法及相关研究现状

1.3.1 Jackson开发方法

1.3.2模型驱动开发方法

1.3.3面向领域的开发方法

1.3.4模型集成运算

1.3.5 MDA、DSM与MIC

1.3.6其它相关研究

1.4本文主要研究内容

第二章嵌入式控制系统开发的总体框架

2.1 MIC理论

2.1.1系统开发过程

2.1.2通用建模环境

2.1.3元模型建模语言

2.1.4面向领域的建模语言

2.2总体框架的设计目标

2.2.1快速定制

2.2.2模型层验证与仿真

2.2.3设计空间搜索

2.2.4工具集成

2.3总体框架

2.4本章小结

第三章嵌入式控制系统的元模型构建

3.1控制系铳的领域分析

3.1.1系统的组成

3.1.2系统的功能

3.1.3系统的性能

3.1.4系统的约束

3.1.5系统的硬件平台

3.2控制系统的本体论

3.2.1本体论的来源

3.2.2控制系统的本体论

3.3控制系统的元模型设计

3.3.1元模型的抽象方法

3.3.2系统的部件划分

3.3.3部件的特性定义

3.3.4部件之间的关系定义

3.3.5模型的合成

3.4本章小结

第四章模型解释器的设计

4.1模型解释器的功能

4.2模型解释器的实现方法

4.2.1直接实现方法

4.2.2基于设计模式的实现方法

4.2.3基于元生成的方法

4.3模型解释器开发框架

4.4模型访问接口

4.4.1元对象网络

4.4.2构造对象网络

4.5非功能性要求相关

4.5.1消息通信

4.5.2并发访问控制

4.5.3任务同步

4.5.4避免死锁

4.5.5内存管理

4.6本章小结

第五章装备控制系统开发实例

5.1液压拉深机控制系统

5.1.1系统需求

5.1.2系统建模

5.1.3人机界面生成

5.2计算机数控系统

5.2.1系统需求

5.2.2系统建模

5.3焊接过程监控系统

5.3.1系统需求

5.3.2系统建模

5.3.3实验结果与分析

5.4本章小结

论文总结与展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见