基于actor技术的嵌入式异构控制系统研究

论文摘要

由于基于计算机的离散控制器与连续的机械装置交互，有规律的数据采样与不规则的交互交错，因此复杂控制系统通常是异构的。这些异构成分对控制系统的设计施加了极大的影响，在端对端的控制系统建模和仿真中，从控制算法到软件、硬件的实现，常常丢失了模型和代码之间紧密的对应关系，放弃了软件的复用性，增加了软件设计的复杂度，产生的软件是弱化的，难于在不同的平台上应用。针对复杂控制系统的异构性，本文比较了基于模型的设计和基于平台的设计，分析了基于模型的硬件和软件设计的优越性，引入actor(角色)和计算模型的概念，提出了面向actor的系统设计方法，通过分离以数据为中心的计算组件和以控制流为中心的时序和调度机制解决异构问题。介绍了嵌入式软件常用的计算模型，使用形式化的计算模型去管理actor之间的交互，计算模型能分层异构地去管理异构成分，提高可理解性，获得actor和框架的可复用性。本文详细讲述了面向actor的软件设计方法，使用平台和有用的建模属性对控制系统进行分层异构，使actor定义语言和actor组成语言正交化，用多种计算模型使actot的设计具有高度的多态性，以适应异构系统的要求。这种方法是通过PtolemyⅡ软件环境实现的。作为一个例子，这种面向actor的设计方法应用到一个具有周期性的单摆运动系统的仿真设计中。将与平台无关的功能和时限从与平台相关的调度和通信事件中分离，且模式转换具有可预报性，其与平台无关性使得它有更好的实时性、可靠性及可复用性，使它特别适合有硬实时约束的复杂嵌入式异构系统的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题目的和意义
• 1.2 项目背景
• 1.2.1 嵌入式系统的定义
• 1.2.2 嵌入式异构系统的复杂性
• 1.2.3 嵌入式实时控制软件
• 1.2.4 嵌入式异构系统级的设计
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要工作
• 1.5 论文的章节安排
• 第二章 Ptolemy嵌入式异构系统设计方法学
• 2.1 引言
• 2.2 Ptolemy工程
• 2.3 系统建模和设计
• 2.3.1 嵌入式实时控制软件
• 2.3.2 Ptolemy II方法
• 2.4 Ptolemy II计算模型
• 2.4.1 连续时间CT
• 2.4.2 离散时间DT
• 2.4.3 离散事件DE
• 2.4.4 组件交互CI
• 2.4.5 通讯顺序处理CSP
• 2.4.6 分布式离散事件DDE
• 2.4.7 有限状态机FSM
• 2.4.8 过程网络PN
• 2.4.9 同步数据流SDF
• 2.4.10 Giotto
• 2.4.11 同步的/反应的SR
• 2.4.12 时间多任务TM
• 2.5 可视的设计方法
• 2.6 Ptolemy II软件的使用方法
• 2.6.1 选择和复制模块
• 2.6.2 在模型窗口中移动模块
• 2.6.3 设置模块参数
• 2.6.4 在模块之间连接线段
• 2.7 小结
• 第三章 嵌入式硬件和软件系统中面向actor的设计
• 3.1 引言
• 3.2 基于平台的设计
• 3.3 异构系统的嵌入式研究
• 3.3.1 系统研究内容
• 3.3.2 系统研究方法
• 3.4 基于模型的设计
• 3.4.1 Ptolemy II的建模和设计
• 3.4.2 Ptolemy II建模设计优越性
• 3.5 小结
• 第四章 面向actor的嵌入式异构系统的软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 传统的控制系统设计与面向actor的设计
• 4.2.1 常规控制系统开发过程
• 4.2.2 基于嵌入软件的控制系统开发过程
• 4.3 面向actor的设计方法
• 4.3.1 Actor
• 4.3.2 Director
• 4.3.3 分层异构
• 4.3.4 actor之间的通信
• 4.4 选择计算模型
• 4.5 小结
• 第五章 单摆运动系统面向actor仿真
• 5.1 单摆运动系统
• 5.2 面向actor的设计步骤
• 5.3 面向actor的单摆运动系统仿真设计
• 5.3.1 系统的可视化设计
• 5.3.2 系统的XML设计
• 5.4 仿真结果
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录（攻读硕士期间发表论文）