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設計參考/Design Reference

基于模型的軟件開發環境SCADE的技術特點和開發流程設計淺析

-----2019-05-09

 在過程控制和運動控制系統中,特別是在嵌入式控制系統中,PID(比例-微分-積分)控制器因其結構簡單,物理意義明確,使用中不需精確的系統模型等先決條件應用廣泛。鑒于嵌入式控制系統設計的嚴格要求,傳統的嵌入式PID控制器通常采用手工編程來實現。該種實現方式費時費力,可靠性低。為解決傳統設計方法不足,本文研究了基于模型的高安全性應用程序開發環境-SCADE的技術特點,在該環境下完成了PID控制器的設計與仿真,并對生成的代碼進行了分析和效率測試。最終表明,該設計方法切實有效。

  1 SCADE軟件設計流程

SCADE(Safety-Critical ApplicaTIon Develooment Environment)是Esterel Teclmologies公司研制的一套高安全性的嵌入式軟件開發環境,針對嵌入式軟件的特點,運用Correct By ConstrucTIon的設計理念,提供了一種基于模型的圖形化開發方式,覆蓋了從需求分析到代碼實現的整個軟件開發流程。

  SCADE提供了一系列的開發工具套件,實現了直觀的圖形化需求建模,基于模型的仿真驗證,標準C代碼自動生成、開發文檔自動生成等多種功能。其嚴謹的建模理論和經過高安全性標準鑒定代碼生成器KCG,保證了軟件需求到產品代碼的高度同步。軟件設計流程如圖1所示。

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  2 PID控制器設計

  在模擬控制系統中,控制器最常用的規律是PID控制。常規PID控制系統由PID控制器和被控對象組成,具體如圖2所示。

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  PID控制器是一種線性控制器,它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差,將偏差的比例(P),積分(I)和微分(D)通過線性組合,構成控制量對被控對象進行控制。其控制規律為

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  式中,u(t)為進入受控對象的控制變量;e(t)為誤差信號,e(t)=r(t)-y(t),r(t)為給定參考輸入值。由于計算機控制是一種采樣控制,根據采樣時刻的偏差值直接計算控制量,必須進行離散處理,用求和的形式代替積分,用增量的形式代替微分。式(1)離散化得:

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  由式(2)在SCADE中構造PID控制器,其結果如圖3所示,其中控制參數Kp、Ki、Kd和誤差ek為輸入,uk為輸出,t為采樣時間。

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  3 PID控制系統實現

  本控制系統中,被控制對象傳遞函數

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  ,其中J=0.0067,D=0.10經離散化后得:

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  由式(3)在SCADE中構造控制對象如圖4所示,Uk為輸入,Yk為輸出。

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  最后,由PID控制器和被控制對象,按照圖2所示的結構圖,構造閉環控制系統。

  4 仿真分析

  利用SCADE Editor完成系統建模后,進入到模型的仿真分析階段。SCADE提供了一系列的驗證機制,來確保軟件需求模型描述的正確性和安全性,包括模型靜態檢查,模擬仿真、覆蓋率分析,形式驗證等等。本文首先利用SCADE模型靜態檢查功能,確保模型無基本語語義錯誤后,使用SCADESimulator進行仿真分析驗證控制率,然后通過SCADE內置的代碼生成器生成C代碼,進一步對代碼進行效率分析測試。

  4.1 模型仿真

  根據PID的特性,Kp影響系統的響應速度和精度,Ki影響系統的穩態精度,Kd會對系統的動態特性有影響。據此,對PID控制參數進行整定,得到Kp=8.0,Ki=0.0,Kd= 0.5。設階躍響應r=1.0,采樣時間為0.005秒。輸入相應的控制參數,調用SCADE Simulator仿真環境,得到的系統階躍響應仿真曲線如圖5所示(橫坐標單位ms)。

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  4.2 代碼測試

  SCADE內置的代碼生成器KCG可以自動生成ANSI C的嵌入式產品代碼,且代碼是完全面向工程的產品代碼,可以直接嵌入到產品中去而不需要做任何修改。因為SCADE模型基于嚴格的數學理論,它能保證代碼運行的結果和仿真結果完全一致,并且該代碼生成器通過了軍工及航空業及能源業相關標準的鑒定。

  此前軟件設計人員手工編寫代碼,在后期驗證階段要花費大量的時間來驗證程序的正確性和規范性。使用SCADE之后,只要模型級別仿真測試無誤,那么后續該部分的代碼單元測試可以省略。另外,SCADE提供了模型級別的覆蓋率分析,對于代碼的覆蓋率分析也可以在模型級別完成。這樣,勢必能在很大程度地節省驗證工作和驗證時間。

  為了完成代碼的效率測試分析,在前面系統仿真結果正確的基礎上,通過SCADE KCG自動生成C代碼。生成的軟件代碼可以直接在VC等C語言開發工具下進行正確編譯,添加主函數后,代碼即可直接運行。此處,在主函數內添加clock 函數,用以計算程序執行一定步數所消耗的時間。主函數如下:

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  對代碼進行編譯運行,在相同環境下,將生成的代碼與手寫代碼進行比較,得到結果如表1所示:

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  通過表1可以看出,SCADE生成的代碼與手寫代碼在運行相同步數的情況下,所耗費的時間基本一致,代碼執行效率略高。

  通過分析SCADE生成代碼發現,代碼中每個變量在作用域內僅賦值一次,代碼內無遞歸調用,無死循環,無動態指針,無動態內存分配。因此,在同樣的測試標準下,SCADE生成的代碼失效率比手寫代碼要小很多,相應安全性也更高。

  5 結論

  本文研究了基于模型的軟件開發環境SCADE的技術特點和開發流程,在SCADE下完成了PID控制系統的設計、仿真、測試。通過案例研究表明,采用SCADE進行嵌入式軟件開發,將軟件開發流程的重點由編碼階段提前到設計階段,這樣更易于在設計早期發現不足。模型設計完成后,通過代碼生成器自動生成代碼,可在很大程度上減少開發時間和可發成本,提高開發效率。而且,SCADE生成的代碼滿足一系列的安全特性,可讀性良好,和手寫代碼效率相當。因此,SCADE在高可靠性的嵌入式軟件設計領域,應用前景廣泛。

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