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控制系统基于模型的系统工程开发方法研究

作　者: 王黎明
导　师: 陈平
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 控制系统层次化建模软件在环硬件在环远程调试
分类号: V448
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

航天领域控制系统要求必须具有极高的可靠性、可测试性和可重用性,对国内航天领域控制系统来说,还需要考虑国产化、开发人员习惯和开发周期短等问题。基于模型的系统工程是一种新兴的系统工程技术,它以模型贯穿了整个开发周期,可以有效地提高系统的可靠性和开发效率。本文针对航天领域的控制系统开发问题,采用基于模型的系统工程思想,对航天领域控制系统开发的全过程提供支持。本文的具体研究内容包括：1)提出了一种针对航天领域控制系统开发的方法论。该方法论包括了对建模、模型验证、自动代码生成、软件在环、硬件在环和远程调试等开发过程的支持,以及对这些过程中开发方法和支撑开发工具的支持。2)针对物理模型和控制器的开发,分别提出了基于控制流模型扩展的数据流图层次化建模方法和基于状态图加程序流程图的控制器模型建模方法。3)为验证2)中建模方法得到的模型实例是否满足给定的约束,给出了基于一阶逻辑的模型验证方法。4)针对2)中的模型,提出了各自的自动代码生成算法。特别地,针对程序流程图,提出了由标准流程图模型到结构化C代码的自动生成算法。5)在自动代码生成的基础上,给出了物理模型和控制器模型代码的软件在环测试和硬件在环测试方法。6)为了便于定位在环测试中发现的各种缺陷,提出了一种基于虚拟机的远程逆向调试方法。实验研究和工程应用充分表明,本文所提出的航天领域控制系统开发方法能有效提高系统的可靠性、可测试性、可重用性和开发效率,相应的开发工具满足了国产化的要求并且符合国内开发人员的习惯。本文相关成果已成功应用于某型洲际弹道导弹的研制中。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-23
  1.1 研究背景与意义  9-10
  1.2 基于模型的系统工程  10-13
    1.2.1 控制系统基本概念  10-11
    1.2.2 基于模型的系统工程  11-13
  1.3 研究现状  13-19
    1.3.1 基于模型的系统工程  13
    1.3.2 可视化建模技术  13-16
    1.3.3 模型确认技术  16
    1.3.4 自动代码生成技术  16-17
    1.3.5 软件在环和硬件在环测试技术  17-18
    1.3.6 远程调试技术  18-19
  1.4 方法论概述  19-20
  1.5 论文的主要工作与组织结构  20-23
第二章特定领域层次化建模技术研究  23-47
  2.1 引言  23
  2.2 物理模型建模  23-33
    2.2.1 模型的选取  23-24
    2.2.2 扩展数据流模型  24-26
    2.2.3 工具实现  26-30
    2.2.4 工程案例  30-33
  2.3 控制器模型建模  33-42
    2.3.1 模型的选取  33-34
    2.3.2 状态图模型  34-35
    2.3.3 程序流程图模型  35-36
    2.3.4 数据字典  36
    2.3.5 工具实现  36-40
    2.3.6 工程案例  40-42
  2.4 可重用构件和构件库  42-45
    2.4.1 构件的描述  42-43
    2.4.2 构件的生成  43-44
    2.4.3 构件的使用  44
    2.4.4 实验检验  44-45
  2.5 本章小结  45-47
第三章基于一阶逻辑的模型确认技术研究  47-61
  3.1 引言  47
  3.2 基于一阶逻辑的模型确认  47-48
  3.3 模型的形式化描述  48-49
  3.4 物理模型中的约束  49-52
    3.4.1 约束定义  49-50
    3.4.2 约束的形式化描述  50-52
  3.5 控制器模型中的约束  52-54
    3.5.1 约束定义  52-53
    3.5.2 约束的形式化描述  53-54
  3.6 模型实例到一阶逻辑的转换  54
  3.7 层次化的模型确认过程  54-56
    3.7.1 层内的模型确认  55
    3.7.2 层间的模型确认  55-56
    3.7.3 程序流程图的结构化实时检测  56
  3.8 工具实现  56-57
  3.9 实验检验  57-60
  3.10 本章小结  60-61
第四章基于模板的自动代码生成技术研究  61-85
  4.1 引言  61-62
  4.2 扩展数据流图代码生成  62-67
    4.2.1 模型排序  62-63
    4.2.2 代码生成规则  63-66
    4.2.3 工程案例  66-67
  4.3 程序流程图代码生成  67-75
    4.3.1 程序流程图的结构分析与识别  67-69
    4.3.2 循环结构的线性化  69
    4.3.3 分支结构域的确定  69-72
    4.3.4 结构化C代码的生成  72
    4.3.5 算法复杂度分析  72
    4.3.6 实验检验  72-73
    4.3.7 工程案例  73-75
  4.4 状态图代码生成  75-84
    4.4.1 基本状态和复合状态的代码生成  75-77
    4.4.2 历史状态的处理  77-79
    4.4.3 状态迁移  79-83
    4.4.4 工程案例  83-84
  4.5 本章小结  84-85
第五章软件在环测试和硬件在环测试技术研究  85-101
  5.1 引言  85-86
  5.2 软件在环测试  86-91
    5.2.1 测试分析  86-87
    5.2.2 测试方案  87-88
    5.2.3 工具实现  88-89
    5.2.4 实验检验  89-91
  5.3 硬件在环测试  91-99
    5.3.1 测试分析  91
    5.3.2 测试方案  91-95
    5.3.3 工具实现  95-97
    5.3.4 工程案例  97-99
  5.4 本章小结  99-101
第六章远程调试技术的设计与研究  101-113
  6.1 引言  101
  6.2 远程逆向调试方案  101-108
    6.2.1 交叉编译  103-105
    6.2.2 状态记录  105-107
    6.2.3 状态回放  107
    6.2.4 逆向调试  107-108
  6.3 工具实现  108-109
  6.4 实验检验  109-110
  6.5 本章小结  110-113
第七章结束语  113-115
  7.1 本文工作总结  113-114
  7.2 进一步研究方向  114-115
致谢  115-117
参考文献  117-127
攻读博士学位期间的研究成果  127-128
  学术论文  127-128
  参加研究的科研项目  128

控制系统基于模型的系统工程开发方法研究

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