[发明专利]基于实时分层有限状态机的计算机数控系统建模开发方法

权利要求书

1.基于实时分层有限状态机的计算机数控系统建模开发方法，包括领域层和实施层两大阶段，其特征在于包括以下步骤：

(1)多视图的数控系统元模型描述策略

数控系统的特性分为三个视图，包括数据流、系统行为、任务同步，为了降低建模的复杂性，采用多视图的描述策略，不同的系统特性放置在不同的视图里；

(2)基于端口的数据流描述

依据步骤(1)，对元模型数据流进行元建模，数据流用来描述数据在各个功能模块之间的流向，从而体现模块与模块之间的交互关系；采用基于端口的数据流描述策略，每个功能模块包含若干数据端口，端口类型包括输入端口和输出端口；一个模块的输出端口连接另一个模块的输入端口，表明功能模块的执行顺序；

(3)数控系统动态行为分析

依据步骤(1)，对元模型的动态行为进行分析，数控系统包括五个主要状态，分别是空闲状态、配置状态、运动状态、错误报警状态和急停状态；首先系统启动，经过初始化阶段，进入空闲状态，配置请求和运动请求事件可以使系统分别进入配置状态和运动状态；进入运动状态之后首先进行轴组检查，然后启动相关的运动轴，轴组就绪，开始判断运动模式，从而进入不同的子运动状态，主要有自动加工状态、手动加工运动状态和手轮运动状态以及回零运动状态，自动加工状态和手动加工状态可以通过暂停事件使系统进入暂停状态；如果运动完成，则重新回到空闲状态，如果遇到错误，则进入错误报警状态，如果遇到急停事件，则进入急停状态，也可以解除急停重新进入运动状态；

(4)行为元建模

依据步骤(3)，采用实时分层有限状态机进行数控系统行为元建模，数控系统的核心任务为时间和事件并存的复杂混合任务集，连续加工中的插补、位置控制均具有强实时周期性特点，I/O监控为弱实时周期性任务，单纯使用状态机或分层有限状态机仅仅能描述事情驱动的任务切换状态迁移，但对于复杂混合任务描述无能为力；提出采用实时分层有限状态机，在分层有限状态机(HSM)的基础上，增加了时间属性参数；

(5)完成元建模后，经过元模型解释器形成计算机数控系统开发工具；

(6)依据步骤(5)所生成的计算机数控系统开发工具，针对特定硬件平台构建数控系统模型，并配置模型属性，数控系统模型为车床数控系统、铣床数控系统，步骤(1)至步骤(6)为模型层；

(7)进行数控系统构件库的开发和完善，实施计算机数控系统四级任务调度算法，实施模型转换和源代码自动生成算法；

(8)依据步骤(6)和(7)，将模型导入MATLAB和UPPAAL工具分别进行功能验证和实时性能验证；

(9)依据步骤(7)和(8)，验证无误的模型进行源代码自动生成，依据映射规则库，对应相应的代码库和构件库，进行数控系统源代码粘合和构件匹配；

(10)依据步骤(9)，编译连接源代码，生成可执行的数控系统软件，步骤(7)至(10)为实施层。

2.根据权利要求1所描述的基于实时分层有限状态机的计算机数控系统建模开发方法，其特征在于：步骤(7)所述实施计算机数控系统四级任务调度算法，将计算机数控系统任务划分为强实时周期性第一级任务、强实时突发性第二级任务、弱实时周期性第三级任务、非实时第四级任务；针对不同的任务，采用不同的任务调度算法。

3.根据权利要求1所描述的基于实时分层有限状态机的计算机数控系统建模开发方法，其特征在于：步骤(8)所述实施计算机数控系统模型验证，将模型导入matlab进行逻辑和功能验证，将模型导入UPPAAL进行实时性能验证。

4.根据权利要求1所描述的基于实时分层有限状态机的计算机数控系统建模开发方法，其特征在于：步骤(9)所述实施计算机数控系统源代码自动生成，用户模型通过模型翻译器翻译成特定平台下的产品级源代码；模型翻译器根据映射规则库进行判断，将相应模型和源代码匹配，进行源代码的粘合，匹配构件库，进行构件的匹配。

5.根据权利要求1所描述的基于实时分层有限状态机的计算机数控系统建模开发方法，其特征在于：步骤(5)所形成的计算机数控系统开发工具，表现为图形化的可视化环境，同时为计算机数控系统建模环境。