浅析基于组合化设计思想的控制系统自动生成

【摘 要】 机电控制系统的设计基本上采用手工设计的方法，存在着“智能”自动化程度不高、对设计人员的设计经验要求高、控制软件复用性差等问题， 因此尝试进行对机电控制系统拟实设计与仿真系统的研究，模拟手工机电控制系统的设计过程，实现机电控制系统的设计从硬件选型、应用软件生成至系统运行仿真的自动化过程。

【关键词】 机电 控制系统

1 控制系统组合化设计思想

1.1 控制系统硬件组合化设计思想

微电子技术的发展己经成为当代科学技术发展的强大推动力，并给方方面面带来了深刻的影响。因此，国外近年来在电子工业和计算机工业中推行一种不同于传统设计思想的所谓“开放式体系结构”的设计思想。

开放式体系结构在硬件组成方面导致了工业测控系统采用组合优化方法的盛行，人们不再采用传统的设计方法，即针对不同应用系统要求，选用成熟的现成的硬件模块和软件进行组合而成。组合化设计的基础是模块化，或称为积木化。工业测控系统的设计也可以采用向儿童搭积木玩具一样的方法进行。硬软件产品的模块化是实现组合化设计的关键，其优点是显而易见，可以将系统划分为若干个硬软件功能模块，由研究开发部门根据积累的经验尽可能完善地设计，并制定其规格系列，用这些现成的功能模块可以迅速的配套成各种用途的应用系统，能简化设计工作并显著缩短设计周期。并且结构灵活，便于更新和扩充，使系统适应性强，在使用过程中可根据需要通过更换一些模板或进行局部改装以满足不断变化的特殊需要。

1.2 控制系统软件组态思想

在硬件组合化设计的同时，系统软件也可采用组合化方法设计。那么，对于应用软件的编制呢？应用软件通常是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序，由于系统要实现的功能各不相同，采取的方式各种各样，如何实现对其自动生成呢？在PC机软件开发中的先进设计思想一基于组件的软件开发方法，其思想类似于组合化设计技术，即软件开发不再从小粒度的“软件片”开始构造，而是以组件为核心，利用现有组件进行装配。

通过对控制软件的分析不难看出，有许多基本的控制与运算模块是大部分程序经常要使用的，对特定硬件的操作也遵循固定的模式和步骤，即输入、处理、输出三个环节，控制流程只有顺序、跳转、分支等结构，所以，也可以借鉴在PC机软件开发中流行的基于组件的软件开发思想，将控制软件中的固定部分抽象为特定类的组件，再通过调整参数的手段制造出软件的模块，最后集成为应用系统软件。值得注意的是与硬件组合化设计方法不同的是这里的模块不再是硬组件，而是含参数的软组件，可以随控制任务要求而实例化，以满足控制任务多变的要求。

2 控制系统硬件设计的关键技术研究

2.1 基于组合化设计思想的控制器设计

在控制系统中，主控制器占据着相对重要的地位，下面首先讨论控制器的设计方法。组合化设计的基础是硬件的模块化，而模块化后的硬件实现灵活组装的基础是硬件的标准化。纵观当今世界，无论软件产品还是硬件产品，都是朝着一个共同的标准发展，即向着标准化，规范化，统一化方向发展。究其原因，主要是产品的标准化设计能够使各个生产厂家生产的产品能够互相兼容，标准统一，接口方便，从而能运用于某一个具体的系统，有利于产品的推广和系统的开发，从而推动社会生产不断向前发展。另外，硬件的模块化、标准化也是实现软件组态的基础。可喜的是在工控领域的发展中，越来越多的控制器产品已逐渐实现了模块化，并遵循着业界的这样或那样的标准。下面以工控领域中几种典型的控制系统展开讨论控制器的标准化、模块化的实现情况。

（1）可编程控制器（PLC）控制系统。按照结构形式的不同，PLC主要分为箱体式和模块式两类。箱体式结构又称为整体式结构，它的特点是将PLC的基本部件很紧凑的安装在一个标准机壳内，构成一个整体，组成PC的一个基本单元（主机）或扩展单元，基本单元上设有扩展端子通过扩展电缆与扩展单元等相连，以构成PLC的不同配置。箱体式结构的PLC体积小，微小型PLC采用这种结构型式较多。模块式结构PLC，顾名思义，是由一些标准模块（组件）、单元所构成。这些标准模块如CPU模块、离散量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、各种功能模块、电源模块等。将这些模块插在框架上或基板上组装即可构建PLC控制系统。各功能模块功能是独立的，外形尺寸是统一的，插入什么模块可根据需要灵活配置。目前中、大型PLC和一些小型PLC多采用这种结构形式。可以说，PLC硬件设计基本上实现了模块化设计，但是值得注意的是PLC的设计并不是严格的标准化，事实上，目前各厂家PLC产品多数均成系列化生产，品种齐全，同一厂家的模块彼此可以兼容，但不同厂家之间的产品往往不能兼容。（2）单片机控制系统。由于单片机控制系统硬件电路设计的随意性大，单片机控制系统并没有实现模块化、标准化，但是作为软件组态的基础，硬件的模块化设计是必须的。通过对单片机控制系统的分析，可以发现各部分的硬件电路都要通过一定的接口方式衔接，如系统内部的总线结构、系统对外的串行和并行通信接口、模拟信号输入/输出等，根据这些接口可以将系统按功能划分为几个部分，对每一部分而言，其硬件电路都遵循通用的接口标准，所以在一定程度上实现单片机控制系统的模块化、标准化是可行的。综上所述，控制器的模块化、标准化均是可以实现的，那么，当控制器模块化、标准化后，按照组合化设计思想，对控制器的设计问题便转化为按照控制要求对现有硬件模块进行挑选，然后按照相应的规则组装起来。实现其自动化设计的途径为按照各硬件性能的不同构建控制器硬件库，当经过数据挖掘和方案分析得到系统控制器要求后，按此要求查询控制器硬件库，可得到合适的硬件型号，至此实现对控制器的设计。然后可根据控制元件和传感检测元件分配I/O地址，为后续的软件设计做准备。

2.2 基于专家系统的控制系统硬件选型

硬件选型系统通过对用户信息的分析和相关计算，应用适当的推理规则提出可行方案集，经经济性能评估，为用户选择出最优方案。按照用户信息的完整性，推理可分为确定性推理和非确定性推理。其中，确定性推理相对简单，在收集用户对硬件性能的具体要求后，据此进行分析、计算，推理选出合适的硬件。不确定推理是在缺少足够信息时做出判断，不确定是一个问题，因为它妨碍我们做出最好的决定，甚至导致做出一个坏的决定，用来处理不确定性的理论有很多，例如可以采用颇具经典概率风格的处理方法，即根据厂家对其产品生产、销售及用户反馈信息得到的使用概率作为硬件选型的不确定性推理的依据。

3 控制系统软件组态的关键技术

要有效地实现控制系统软件组态设计必须解决的基本问题有：功能模块（可重用构件）的提取与制作；可重用构件库的组织与检索；功能模块的组装。我们不难看出，可重用构件始终是解决问题的基本。

3.1 功能单元的提取与制造

构件是组态软件中的最小部分，是组装软件所用的“零件”。应用组合化设计方法的根本前提是提取构件。为了保证软件构件及其生成对象具有较强的独立性，构件应具有信息封装的特性，即其内部状态在生成对象之外是不可见的，只能由其自身的方法对其进行操作，并且通过接口描述与外界交换信息。实际系统的软件可逐级分解为不同层次的构件，设计时这些构件必须满足下面的标准：a.必须能完成经常出现的功能，即具有通用性；异只完成规范说明的功能，不提供额外的功能；b.构件的行为功能不能依赖于其它同级构件，即保持其独立性；具有良好的适应平台的能力，即对系统硬件的适应能力，能适用于各种主机的控制系统；c.具有良好的接口，为了使构件具有较强的适应能力和可重用性，必须使构件遵守统一的接口标准，例如运算模块，要保证输入/输出的数据格式的统一，使各运算模块能够无缝连接，组成完成特定计算任务的功能模块。

提取与制造自己的控制系统的功能模块一般来说分为四个步骤。首先，需要机电控制系统领域专家根据领域知识，专家经验以及现有系统资料对领域构件进行需求分析，然后运用面向对象的分析方法对每类构件进行设计，主要设计其实现的功能和接口，注意保证其开放性，再由系统开发人员对已经设计好的构件进行编程，最后对它们进行独立调试、测试、修改，形成一个完善的模块。

3.2 功能单元的组装

软组件的装配问题是一个复杂而又没有统一标准的问题。它实现的主要功能是将领域构架，领域组件和系统专用组件组装成一个应用系统。需要系统开发人员结合自己所开发的系统的实际情况设计特定的组装方式。这一过程的实现也要经过分析，设计，编程和整个系统测试四个步骤。实际可达到的组装水平决定于领域构件的细化程度。当领域构件未经细化时，只能在系统分析阶段组装一个分析模型，然后在这个分析模型基础上进行整个系统的设计与编程。当领域构件细化到设计级时，系统的分析模型和设计模型都可以通过组装得到，然后进行系统的编程。如果领域构件的细化程度达到了源程序级，则分析模型，设计模型和整个系统的源程序都可以通过组装得到。基于功能模块的控制系统软组件组装反映为程序结构的变化。通常的程序设计方法有自顶向下开发和自底向上开发2种。

自顶向下开发是先开发主程序，用功能结点代替子程序，再设计相应的子程序；自底向上开发是先开发子程序，再利用子程序开发主程序。这两种方法各有优缺点。自顶向下开发注重程序的线索，符合日常的思维习惯，程序的结构清晰、不易出错，但适合演变的能力差、软件结合效果不好；自底向上开发注重模块思想，在软硬件结合和利用现成软件方面具有优势，但组合出的主程序结构不清晰，查错较困难。

开发过程中可以将上面两种开发方法的优势结合起来，即自顶向下规划，自底向上设计。开发过程中先用自顶向下的方法按控制流程构造出主程序框架，再根据功能结点的要求，利用相应的组件类制造和组合成结点所需的组件实例，最后将这些组件安装到相应的结点位置上，拼接成所需的应用程序。如果需求变化，改变框架结构和组件组合即可，不需要修改组件类；对某类组件进行优化时，由于接口关系不变，也不需要修改程序其他部分；由于组件必须标准化，且与硬件密切结合，就解决了现有软件的重用和硬软件结合的问题。组件在制作过程中经过反复测试，并采用可靠的装配机制，即能够保证控制软件生成的正确性、可靠性。

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