Развитие метода объектно-ориентированного анализа для задач проектирования гибридных систем управления Колесов Юрий Борисович

Содержание к диссертации

Введение 7

1. Объектно-ориентированный анализ при разработке сложных СУ 9

1. Выделение объектов и их связей 10

2. Определение желаемого поведения системы 14

2. Требования к инструментальным средствам моделирования сложных
СУ. 18

3. Требования к входному языку: 21

4. Требования к проведению вычислительного эксперимента: 22

5. Требования к интегрированной среде: 23

3. Общая характеристика работы 23

6. Актуальность темы 23

7. Цели исследования 24

8. Методы исследования 25

9. Научная новизна 25

10. Практическая значимость 26

11. Достоверность результатов 27

12. Реализация результатов работы 27

13. Апробация работы 27

14. Структура и объем работы 28

15. Положения, выносимые на защиту 28

Глава 1. Анализ существующих подходов к объектно-ориентированному

моделированию гибридных систем 29

1. Существующие подходы к моделированию гибридных систем 29

16. Гибридное поведение в модели сложной СУ 30

17. Гибридные модели в инструментальных средствах для «больших» ЭВМ 35

3. Гибридные модели в современных инструментах моделирования. 39

4. Гибридные модели на базе формализма «гибридный автомат»... 48

2. Существующие языки объектно-ориентированного моделирования.. 51

1. Simula-67 и НЕДИС 53

2. ObjectMath 53

3. Omola 54

4. Modelica 56

5. Объектно-ориентированное моделирование карт состояний 59

6. Инструменты «блочного моделирования» 59

7. Анализ существующих языков ООМ применительно к системно-аналитическому моделированию 60

3. Выводы 62

Глава 2. Математические модели гибридной системы 64

1. Математические модели непрерывной системы 65

8. Математические модели непрерывной изолированной системы. 65

9. Компонентные модели непрерывных систем 69

10. Пустая непрерывная система 75

11. Преобразование описания непрерывной системы к вычислимой форме.75

2. Математические модели гибридного автомата 84

12. Последовательный гибридный автомат 84

13. Обобщенный гибридный автомат 89

14. Гибридное время 93

15. Эквивалентный последовательный гибридный автомат 95

16. Иерархический гибридный автомат 97

17. Принцип синхронной композиции гибридных автоматов 98

18. Правила интерпретации синхронного параллельного гибридного автомата 102

2.8 Явная синхронизация гибридных автоматов с помощью сигналов.
104

3. Выводы 105

Глава 3. Язык объектно-ориентированного моделирования гибридных
систем 107

1. Объекты и классы 107

2. Пакеты и проект 114

3. Переменные 116

4. Типы данных 118

1. Скалярные типы 119

2. Регулярные типы 121

3. Комбинированный тип (запись) 123

4. Явно определяемые типы 123

5. Сигналы 124

6. Автоматическое приведение типов 125

5. Система уравнений 125

6. Карта поведений 125

7. Структурная схема 129

1. Объекты 129

2. Связи 130

3. Регулярная структура 131

4. Переменная структура 132

8. Правила видимости 134

9. Наследование классов 135

1. Добавление новых элементов описания 137

2. Переопределение унаследованных элементов 137

10. Полиморфизм 140

11. Язык управления экспериментом 141

12. Функциональный стиль моделирования 144

13. Использование пассивных объектов 149

14. Выводы 150

Глава 4. Архитектура программных средств автоматизации моделирования
гибридных систем 152

1. Общая структура 152

2. Средства редактирования математической модели 156

3. Средства генерации программы модели 160

4. Интегрированная среда 162

5. Исполняющая система 164

1. Определения базовых классов 164

2. Численные библиотеки 164

3. Блок продвижения модельного времени 166

4. Алгоритм продвижения гибридного модельного времени 168

5. Реализация условных уравнений 180

6. Реализация функции временной задержки в гибридной модели. 181

7. Процессы обновления диаграмм 184

8. Процесс синхронизации с реальным временем 187

9. Процесс останова по условию 189

10. Интерактивное взаимодействие с пользователем 190

6. Распределенные модели гибридных систем 191

7. Комплексный моделирующий стенд 193

8. Выводы 195

Глава 5. Применение результатов диссертации и направления дальнейших
исследований 197

1. Сравнение пакета Model Vision Studium с другими пакетами гибридного моделирования 197

2. Применение пакетов семейства Model Vision 198

1. Применение для научных исследований 198

2. Применение в учебном процессе 199

3. Применение при разработке систем управления 200

3. Основные направления дальнейших исследований 201

4. Выводы 205

Заключение 207

Литература 210

Приложение 1. Примеры гибридных систем 219

1. Пример 1: прыгающий мячик 219

4. Пример 1 в подсистеме Simulink пакета MATLAB 220

5. Прииер 1 на языке Modelica 221

6. Пример 1 в пакете Model Vision Stadium 222

2. Пример 2: мячик, падающий на пружину 222

7. Пример 2 в подсистеме Simulink пакета MATLAB 223

8. Пример 2 на языке Modelica 224

9. Пример 2 в пакете Model Vision Stadium 224

3. Пример 3: отрывающийся маятник 226

10. Пример 3 в подсистеме Simulink пакета MATLAB 228

11. Пример 3 на языке Modelica 230

12. Пример 3 в пакете Model Vision Stadium 232

4. Пример 4: выпрямитель 234

13. Пример 4 на языке Modelica 235

14. Пример 4 в пакете Model Vision Stadium 235

5. Пример 5. Синхронная и асинхронная композиция гибридных
автоматов 236

Приложение 2. Примеры моделей на языке MVL 240

1. Пример 1. Синхронизация с помощью сигнала: часы с боем 240

2. Пример 2. Компонентная модель отрывающегося маятника 242

1. Вариант 1. Использование локальных классов 242

2. Вариант 2. Использование независимых классов 244

3. Пример 3. Наследование. Двумерное движение в воздухе 246

Введение к работе

Во второй половине прошлого столетия в ряде областей техники (преимущественно военного направления) появились т.н. «сложные технические системы» [4,50,55], к которым относятся и сложные системы управления (СУ) динамическими объектами.

Можно выделить следующие характерные особенности сложных СУ [46,20,28]: имеется много объектов управления со сложной структурой связей между ними и с внешней средой; объекты управления имеют разнородные физические принципы действия (электрические, механические, гидравлические, оптические и др. системы); имеется много различных режимов работы, причем эти режимы не совпадают, то есть, один режим работы одной подсистемы может требовать переключений режимов работы других подсистем; имеется значительная неопределенность в поведении объектов управления и внешней среды; система имеет иерархическую многоуровневую структуру; устройства управления помимо задач обычного непрерывного управления решают также задачи логического управления, диагностики и др.; большая часть функций управления реализуется программно на встроенных ЭВМ и микропроцессорах; очень часто программное обеспечение и аппаратура разрабатываются одновременно; часто состав и структура системы изменяется в ходе ее функционирования.

К «традиционным» сложным СУ относятся системы управления ракетными и космическими комплексами, комплексами противовоздушной и противоракетной обороны, некоторые АСУ ТП и др. В последнее десятилетие роль сложных СУ резко возросла. Благодаря прогрессу микроэлектроники появились дешевые, надежные и быстродействующие встроенные микропроцессоры и ЭВМ. Это привело, во-первых, к усложнению алгоритмов управления и контроля в «традиционных» сложных СУ, а во-вторых, к появлению программной реализации функций управления и контроля во все большем числе технических объектов. Некоторые характерные черты сложных СУ появились даже в таких «бытовых» технических системах как автомобиль, стиральная машина, микроволновая печь и т.п. [17]. Соответственно расширился и круг инженеров-проектировщиков, занятых разработкой и сопровождением сложных СУ.

Одним из основных источников трудностей при разработке сложных СУ являются многочисленные ошибки в программном обеспечении (ПО) встроенных ЭВМ и микропроцессоров [11,62,,15,48]. Эти ошибки приводят к затягиванию этапов динамической комплексной отладки и испытаний, а также к неожиданным отказам системы во время эксплуатации. Эти ошибки обусловлены прежде всего логической сложностью комплекса программ. Не случайно число изменений в программных модулях, координирующих работу подсистем, на порядок превышает число изменений в модулях, реализующих отдельные функции [47,48].

С 1970-х гг. активно разрабатываются методологии структурного проектирования сложных программных комплексов, такие как SADT [111], IDEF [68], метод Йордана [125] и др. С конца 80-х годов начали также интенсивно развиваться объектно-ориентированные методологии разработки программного обеспечения. В настоящее время объектно-ориентированный подход считается наиболее современным и прогрессивным [17,11,62]. В 1997 г. OMG (Object Management Group) приняла язык UML [12,85], появившийся в результате слияния ряда известных методологий, в качестве стандарта языка объектно-ориентированного моделирования. В настоящее время уже существуют разработанные рядом компаний CASE-средства, поддерживающие язык UML, например, такой известный продукт как Rational Rose [7]. Существуют также и отличные от UML объектно-ориентированные методологии, например методология ROOM для разработки систем реального времени [123], а также различные комбинации структурного и объектного подходов [62]. В данной работе мы будем ориентироваться на понятийный аппарат языка UML.

Практикой показано, что при разработке сложного программного обеспечения самые принципиальные просчеты делаются на самых ранних этапах разработки и что обнаружение и устранение этих ошибок на ранних этапах в десятки и сотни раз быстрее и дешевле, чем на завершающих этапах разработки и испытаний [48]. Поэтому в объектно-ориентированной разработке сложных СУ особенно важен этап объектно-ориентированного анализа.

Похожие диссертации на Развитие метода объектно-ориентированного анализа для задач проектирования гибридных систем управления

Развитие метода D-разбиения в задачах анализа и синтеза систем управленияГрязина Елена Николаевна

Частотные методы анализа и проектирования систем с разрывным управлением и их примененияБойко Игорь Михайлович

Управление развитием информационно-аналитической системы современного вуза на основе архитектурного подходаНестеров Маским Игоревич

Развитие методов анализа и оптимизации импульсных систем управления с динамически изменяющимся интервалом регулированияАнтоновская Ольга Георгиевна

Развитие методов анализа и синтеза нечетких супервизорных систем автоматического управленияКиселев Евгений Викторович

Анализ эволюционного развития сложного технического объекта методом идентификации его параметров (На примере баллистических ракет с ЖРД) Ардышева Елена Валерьевна

Анализ состояния, моделирование и прогнозирование развития и методы информационного обеспечения рационального процесса диагностики заболеваний органов пищеваренияШамардина Елена Николаевна

Системный анализ, комплексная оценка и совершенствование методов управления развитием промышленной инфраструктуры регионаПирогов Василий Николаевич

Развитие методов управления качеством реконструкции моделей геологических сред на основе системного анализа процессов обработки геолого-геофизической информацииГригорьевых, Андрей Викторович

Методы создания и использования речевых баз данных и инструментальных средств анализа и исследования речи для развития речевых технологийБогданов, Дмитрий Степанович