基于Simulink的飞控基础模型库的设计及生成代码性能优化研究

摘要

随着基于模型开发（MBD，Model-Based Design）设计方式的逐渐成熟，使用基于模型开发的方法来进行飞控系统软件开发也越来越流行。然而基于模型开发的飞控系统自动生成的嵌入式产品代码的运行效率（处理器在环测试的时间效率）普遍远低于手工代码的运行效率，导致其无法达到系统的实时性要求，因此如何提高基于模型的飞控系统自动生成代码的运行效率成为了开发人员关注的热点。本文从该热点出发，从多个方面对影响自动生成代码效率的因素进行分析研究，并提取飞控系统通用基础功能进行优化建模组成了飞控基础模型库。之后基于该模型库重新搭建了飞控控制律并进行优化，自动生成了代码，最后将生成的代码集成到半实物仿真平台进行闭环仿真，将其运行效率与手工代码及优化前模型代码运行效率进行对比，以验证飞控基础模型库及其他优化方法对提高飞控系统自动生成代码运行效率的有效性。研究主要包括以下内容。 第一，本文首先分析了飞控系统通用基础功能，给出了飞控基础模型库需求分析以及自动生成代码运行效率优化需求分析，接着对整体方案进行了设计。 第二，依照整体方案，本文从模型搭建逻辑优化、平台对代码运行效率的影响以及模型到代码实现过程中的优化三个方向出发进行优化研究。其中模型搭建逻辑优化是从代码运行效率提升的方式反向归纳模型逻辑搭建方式，同时参考了手工编码经验进行优化；Simulink平台对代码运行效率的影响研究分为三个方面：Stateflow编程方式、数据类型和平台生成代码优化配置项；模型到代码实现过程的优化是模型速率转换过程中缓冲区的优化。 第三，基于自动生成代码优化关键技术研究，设计并搭建了飞控基础模型库，其中包括空间换时间预处理模块与其他基础功能模块，模型库搭建完成后进行了仿真和测试。之后基于该库搭建了飞控系统进行优化，并自动生成了代码。 第四，为了验证飞控基础模型库和缓冲区优化及平台优化配置项能够有效提升模型代码的运行效率，同时也为了验证搭建的飞控系统模型代码是否能满足实时性要求，本文对模型自动生成的代码进行了闭环仿真，从而验证了飞控基础模型库的实时性，解决了基于模型的飞控系统自动生成代码的运行效率远低于手工代码的问题。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究动态

1.2.1 基于模型设计的软件开发方法

1.2.2 飞控系统基于模型设计的开发方法

1.2.3 模型扩展库及代码性能优化研究现状

1.3 论文研究内容及意义

1.4 论文章节安排

第二章 飞控基础模型库及代码优化需求分析和方案设计

2.1 飞控基础模型库功能需求分析

2.2 自动生成代码性能需求分析

2.3 总体方案设计

2.3.1 代码优化方案设计

2.3.2 总体开发流程设计

2.4 本章小结

第三章 自动生成代码优化关键技术研究

3.1 飞控系统生成代码运行效率影响因素分析

3.2 模型搭建逻辑优化

3.2.1 空间换时间预处理

3.2.2 基础运算的优化

3.3 Simulink平台影响代码效率因素分析

3.3.1 离散系统中Stateflow编程方式效率对比

3.3.2 连续系统中数据类型对代码效率优化的方法

3.3.3 平台其他生成代码优化配置选项

3.4 多速率转换缓冲区优化研究及改进

3.4.1 多速率转换缓冲区优化研究

3.4.2 缓冲区优化方法改进

3.4.3 改进后的实验与结果分析

3.5 本章小结

第四章 飞控基础模型库的设计与实现

4.1 概述

4.2 预处理模块设计

4.2.1 预处理模块非内联S函数的编写

4.2.2 编写TLC文件实现非内联S函数的内联化

4.2.3 自定义模型库添加到系统模型库

4.3 飞控基础模型库设计

4.3.1 积分器等模块设计与实现

4.3.2 迭代器模块设计与实现

4.3.3 多路选择器设计与实现

4.3.4 位操作模块设计与实现

4.3.5 限幅等模块的设计与实现

4.4 飞控基础模型库的仿真测试

4.4.1 模型静态检查

4.4.2 模型静态测试

4.4.3 模型动态测试

4.5 本章小结

第五章 飞控系统生成代码性能测试验证

5.1 基于飞控基础模型库搭建飞控系统控制律

5.1.1 纵向通道控制律设计

5.1.2 横侧向通道控制律设计

5.2.1 控制律模型缓冲区优化

5.2.2 飞控系统控制律仿真

5.2.3 控制律代码自动生成

5.3 飞控系统闭环仿真测试

5.3.1 闭环仿真测试平台简介

5.3.2 飞控系统闭环仿真

5.3.3 运行效率对比结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献