專利名稱：基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于模型的系統(tǒng)工程領(lǐng)域，具體涉及一種在多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層設(shè)計時的基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法。
背景技術(shù)：
隨著社會的發(fā)展和進步，人們所研究的問題變得日益復(fù)雜。這類極其復(fù)雜的研究對象被稱為系統(tǒng)，它是由相互聯(lián)系、相互依賴的各個部分組成的具有特定功能的有機整體， 而每個系統(tǒng)本身又是某個更大系統(tǒng)的組成部分，系統(tǒng)工程正是為研究這類復(fù)雜系統(tǒng)而產(chǎn)生的學(xué)科。隨著系統(tǒng)信息量的極度膨脹以及系統(tǒng)的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程逐漸顯出其弊端，因此，基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering, MBSE)便應(yīng)運而生，它具有知識表示的無二義性、便于交流和傳播、支持信息的轉(zhuǎn)換、支持模型的集成等優(yōu)點。在MBSE中，系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程中的所有信息均是以模型來表示，因此，系統(tǒng)層建模成為了 MBSE研究的一個主要問題。為此，國際系統(tǒng)工程學(xué)會(International Council of Systems Engineering, INCOSE)和對象管理組織(Object Management Group, 0MG)聯(lián)合提出了標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)建模語言(Systems Modeling Language, SysML)，它是在統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language,UML)基礎(chǔ)上針對系統(tǒng)工程應(yīng)用的而提出的一種通用建模語言，可以支持包含硬件、軟件、信息等多領(lǐng)域系統(tǒng)的描述、設(shè)計、分析、驗證等。系統(tǒng)的行為可以分為三種時間連續(xù)行為(time-continuous behavior)，基于事件的離散 亍為(event-based discrete behavior)，t昆合 亍為(hybrid behavior) 時|、司連續(xù)行為是指系統(tǒng)的狀態(tài)變量隨時間發(fā)生連續(xù)變化，該“連續(xù)”并非數(shù)學(xué)意義上的取值連續(xù)， 而是指該變化符合一致的規(guī)律；離散行為是指系統(tǒng)狀態(tài)根據(jù)事件的激發(fā)或條件的改變而發(fā)生跳變；混合行為是上述二者行為的結(jié)合，系統(tǒng)狀態(tài)在連續(xù)變化的同時，又可能發(fā)生離散的跳變。對于多域復(fù)雜機電產(chǎn)品來講，其行為也將是十分復(fù)雜的離散與連續(xù)的混合，因此，多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模需要同時表示上述三種行為。但是，目前基于SysML可以表示離散行為，對于連續(xù)行為，也可以間接地進行表示，但對于離散/連續(xù)的混合行為，則是無法表示的。當(dāng)前大部分混合行為建模方法的理論基礎(chǔ)都是混合狀態(tài)機(Hybrid Automata)。 在該理論模型中，混合系統(tǒng)被描述為一個有限狀態(tài)機H = (Loc, Var, Lab, Edg, Act, Inv)。 在每一個位置(Location) 1 e Loc中，狀態(tài)變量(State variable) χ e Var根據(jù)當(dāng)前位置的活動(Activity) f e Act(I)隨時間進行連續(xù)變化。每個位置可以被賦予一個不變量 (Invariant) inv e Inv (1)，一旦該不變量為假，狀態(tài)機將自動退出該位置。在兩個位置之間，可以有轉(zhuǎn)換(TransitiorOe e Edg表示狀態(tài)之間的離散瞬時跳變。從該定義可以看出， 位置和轉(zhuǎn)換共同描述了混合行為中的離散部分，構(gòu)成混合行為模型的框架；而基于函數(shù)的連續(xù)行為被賦予到每一個位置，描述該位置上狀態(tài)變量的連續(xù)變化情況。當(dāng)前存在的大部分混合行為建模方法均是以上述狀態(tài)和轉(zhuǎn)換為行為建模的基礎(chǔ)， 在狀態(tài)中賦予不同的連續(xù)行為表示方法，如Hybrid UML以微分代數(shù)方程描述，HyROOM以塊圖表示，Mechatronic UML以組合結(jié)構(gòu)圖表示。但是，這些表示方法均存在一些問題，主要有(1)連續(xù)行為是以純文本的方式進行描述，缺乏形式化的模型表示；(2)行為與結(jié)構(gòu)之間的參數(shù)關(guān)系難以表示；(3)狀態(tài)(Mate)不是可實例化的模型元素，因此無法支持狀態(tài)的重用，使得整個行為模型缺乏重用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以對三種系統(tǒng)行為進行統(tǒng)一描述、使用方便、快捷高效的基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法，其實施步驟如下1)在系統(tǒng)層設(shè)計模型中獲取物理子系統(tǒng)所包含的物理構(gòu)件；2)基于SysML參數(shù)圖對各物理構(gòu)件的連續(xù)行為進行動力學(xué)建模；3)對SysML參數(shù)圖中的塊和屬性進行有順序要求的約束定義，擴展形成具有有序約束塊和有序約束屬性的有序參數(shù)圖，基于有序參數(shù)圖對各物理構(gòu)件的離散行為進行建模，并基于有序參數(shù)圖視圖融合機制將離散行為與連續(xù)行為融合，實現(xiàn)混合行為建模；4)在系統(tǒng)層設(shè)計模型中獲取所有控制子系統(tǒng)的功能模塊及對其控制功能的要求；5)基于有序參數(shù)圖離散及連續(xù)約束塊對控制功能塊的離散行為和連續(xù)行為進行建模，將各控制功能塊混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合；6)確定物理構(gòu)件和控制功能塊之間各個連接構(gòu)件使用位置兩端的構(gòu)件類型，根據(jù)構(gòu)件類型選擇連接能量端口連接器、信號端口連接器、事件端口連接器或者數(shù)據(jù)端口連接器，并根據(jù)選取的連接器將物理構(gòu)件與控制功能塊相連。作為本發(fā)明技術(shù)方案的進一步改進所述步驟1)中獲取所有物理子系統(tǒng)所包含的物理構(gòu)件時還一并獲取各物理構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和層次關(guān)系；所述步驟3)中將各物理構(gòu)件混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合時，如果有序約束塊還包含有有序約束屬性，則根據(jù)物理構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和層次關(guān)系建立狀態(tài)內(nèi)部包含子狀態(tài)形成層次化的狀態(tài)框架模型。所述步驟1)中獲取物理構(gòu)件時，通過對物理構(gòu)件的本征屬性、流變量和勢變量建模進行實例化來完成對物理構(gòu)件的建模。所述步驟幻中將各物理構(gòu)件混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合時，通過有序參數(shù)圖的有序約束塊所包含的約束屬性，將連續(xù)約束塊以動作的形式表示為離散約束塊的屬性，并通過有序參數(shù)圖以及有序參數(shù)圖提供的底層模型元素之間的關(guān)系將連續(xù)行為賦予離散狀態(tài)來實現(xiàn)混合行為的連續(xù)部分和離散部分的融合。所述步驟幻中對控制功能塊的離散行為和連續(xù)行為進行建模時，對執(zhí)行控制器的狀態(tài)、執(zhí)行控制的轉(zhuǎn)換和執(zhí)行控制的動作進行建模。所述步驟幻中將各控制功能塊混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合時，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求對前述定義的控制元件的執(zhí)行控制圖和連續(xù)行為進行實例化，通過對具體的數(shù)據(jù)端口、事件端口、執(zhí)行控制器等的定義、給出的參數(shù)與約束要求以及所述步驟幻中有序參數(shù)圖混合行為建模方法將各控制功能塊混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合。所述步驟6)中還提供具有能量端口和信號端口的傳感器塊和具有信號端口的致動器塊，所述傳感器塊通過能量端口與物理構(gòu)件相連，所述致動器塊通過信號端口與控制功能塊相連。本發(fā)明具有下述優(yōu)點1、本發(fā)明基于有序參數(shù)圖，有效實現(xiàn)了系統(tǒng)層離散/連續(xù)混合行為的建模方法， 設(shè)計給出基于SysML的通用混合行為統(tǒng)一表示模型，然后研究多域產(chǎn)品的控制部分的混合行為建模方法，并在此基礎(chǔ)上采用連接器建模要素提供的連接機制，將多領(lǐng)域元件進行互連，從而以“網(wǎng)絡(luò)化”的方法對整個系統(tǒng)進行建模，系統(tǒng)的整體行為通過元件自身行為以及連接器隱含行為共同描述，具有建模方法統(tǒng)一、使用方便、快捷高效的優(yōu)點。2、本發(fā)明采用SysML的參數(shù)圖而非常用的狀態(tài)機圖作為混合行為建模的基礎(chǔ)，通過提出有序參數(shù)圖的概念，使其具備支持離散和混合行為建模的能力，尤其適用于多域復(fù)雜機電產(chǎn)品系統(tǒng)層設(shè)計，使用戶在進行多域復(fù)雜機電產(chǎn)品系統(tǒng)層設(shè)計時，可以方便地實現(xiàn)對其離散、連續(xù)及混合行為的定義與建模。3、本發(fā)明針對復(fù)雜機電系統(tǒng)行為自身的特點及其對特定語義的要求，基于SysML 分別對其控制部分、物理部分及其相互連接部分的離散行為、連續(xù)行為及混合行為的語義進行了形式化的統(tǒng)一表達，尤其是對基于SysML進行多域復(fù)雜產(chǎn)品的混合行為建模進行了描述，可用于對復(fù)雜機電系統(tǒng)的控制部分、物理部分行為以及元件之間的互連建模，以支持基于SysML的網(wǎng)絡(luò)化多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)行為的表示。從而在多域復(fù)雜機電產(chǎn)品系統(tǒng)層設(shè)計與總體設(shè)計時，為設(shè)計者提供一種統(tǒng)一、方便的離散、連續(xù)、離散/連續(xù)混合行為建模機制、 方法及完整的解決方案，使設(shè)計者可以快捷高效地實現(xiàn)對多域復(fù)雜機電產(chǎn)品行為的定義與建模。


圖1為本發(fā)明實施例的框架流程示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例質(zhì)量塊Mass的行為模型示意圖。
圖3為本發(fā)明實施例質(zhì)量塊基于參數(shù)圖的行為模型示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例質(zhì)量塊能量端口的模型示意圖。
圖5為本發(fā)明實施例的有序參數(shù)圖的原理示意圖。
圖6為本發(fā)明實施例彈球的模型示意圖。
圖7為本發(fā)明實施例彈球的離散部分的模型意圖。
圖8為本發(fā)明實施例彈球的連續(xù)部分的模型意圖。
圖9為本發(fā)明實施例中倒擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為本發(fā)明實施例中倒擺系統(tǒng)控制子系統(tǒng)的模型示意圖。
圖11為本發(fā)明實施例中倒擺系統(tǒng)基于有序參數(shù)圖的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖
圖12為本發(fā)明實施例中倒擺系統(tǒng)的系統(tǒng)層行為模型示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法實施步驟如下1)在系統(tǒng)層設(shè)計模型中獲取物理子系統(tǒng)所包含的物理構(gòu)件；2)基于SysML參數(shù)圖對各物理構(gòu)件的連續(xù)行為進行動力學(xué)建模；3)對SysML參數(shù)圖中的塊和屬性進行有順序要求的約束定義，擴展形成具有有序約束塊和有序約束屬性的有序參數(shù)圖，基于有序參數(shù)圖對各物理構(gòu)件的離散行為進行建模，并基于有序參數(shù)圖視圖融合機制將離散行為與連續(xù)行為融合，實現(xiàn)混合行為建模；4)在系統(tǒng)層設(shè)計模型中獲取所有控制子系統(tǒng)的功能模塊及對其控制功能的要求；5)基于SysML參數(shù)圖離散約束塊對控制功能塊的離散行為和連續(xù)行為進行建模， 將各控制功能塊混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合；6)確定物理構(gòu)件和控制功能塊之間各個連接構(gòu)件使用位置兩端的構(gòu)件類型，根據(jù)構(gòu)件類型選擇連接能量端口連接器、信號端口連接器、事件端口連接器或者數(shù)據(jù)端口連接器，并根據(jù)選取的連接器將物理構(gòu)件與控制功能塊相連。本實施例具有下述優(yōu)點①基于有序參數(shù)圖的混合行為表示機制這是其中最為關(guān)鍵與基礎(chǔ)的部分，通過對參數(shù)圖的約束語義進行修改，包含一系列抽象的模型元素，為混合行為建模提供底層支持機制。②統(tǒng)一的物理系統(tǒng)行為建模策略基于統(tǒng)一的動力學(xué)原理，對涉及多種物理域 (如機械、電氣、液壓等)的物理元件屬性和行為進行基于SysML的統(tǒng)一描述，在動力學(xué)層面上對多物理域進行統(tǒng)一建模。③控制系統(tǒng)行為建模策略基于SysML對具體、蘊含控制語義的模型元素進行了基于IEC61499標(biāo)準(zhǔn)的建模；并將之與通用的混合行為結(jié)合，建立控制元件的三類行為的語義模型。步驟1) 步驟3)為物理子系統(tǒng)的行為建模步驟1)中獲取所有物理子系統(tǒng)所包含的物理構(gòu)件時還一并獲取各物理構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和層次關(guān)系；步驟3)中將各物理構(gòu)件混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合時， 如果有序約束塊還包含有有序約束屬性，則根據(jù)物理構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和層次關(guān)系建立狀態(tài)內(nèi)部包含子狀態(tài)形成層次化的狀態(tài)框架模型。由于系統(tǒng)層設(shè)計模型包含所有物理子系統(tǒng)所包含的物理元件，因此在系統(tǒng)層設(shè)計模型中獲取物理子系統(tǒng)所包含的物理構(gòu)件時通過查找即可得到。步驟1)中獲取物理構(gòu)件時，通過對物理構(gòu)件的本征屬性、流變量和勢變量建模進行實例化來完成對物理構(gòu)件的建模。本實施例中，物理構(gòu)件統(tǒng)一用SysML的Mereoptype 擴展對象《Physical》塊表示，如機械系統(tǒng)的質(zhì)量、彈簧與阻尼、電子系統(tǒng)的電阻、電容與電感等。本實施例先預(yù)先定義好了各物理構(gòu)件庫，對其各自的本征屬性、流變量和勢變量等已經(jīng)進行詳細(xì)的描述，因此只要基于具體構(gòu)件給定的一些參數(shù)對預(yù)先定義的各物理構(gòu)件的本征屬性、流變量和勢變量進行實例化即可完成建模。如對質(zhì)量塊，其本構(gòu)屬性是質(zhì)量大小， 根據(jù)具體實例中給出的質(zhì)量即可進行定義，而其勢變量和流變量是與其所屬的物理域有關(guān)的，如果此時考慮的為平動域，則其流變量是受力f，勢變量是速度ν ；如果此時考慮的是轉(zhuǎn)動域，則其流變量是力矩t，勢變量是轉(zhuǎn)動速度W。不同的物理構(gòu)件具有不同的本征方程，本征方程描述了物理塊所遵循的物理定律，如質(zhì)量塊遵循牛頓第二定律，即f = m*v’。通過初始條件來給出流變量或勢變量的初始值，用于描述物理塊的初始狀態(tài)，并且用作仿真求解的初始條件。本發(fā)明基于SysML的參數(shù)圖來完成連續(xù)行為的建模。在某質(zhì)量塊的連續(xù)行為模型中如圖2所示，該質(zhì)量塊Mass用物理塊表示，它包含三個屬性本征屬性m，流變量f和勢變量v，其中m表示了該質(zhì)量塊的本質(zhì)特征，f和ν是該質(zhì)量塊的狀態(tài)變量，質(zhì)量塊通過兩個能量端口 R和C與外界傳遞能量。如圖3所示，基于質(zhì)量塊參數(shù)圖的行為模型中，質(zhì)量塊的本征方程和初始條件分別與質(zhì)量塊的相關(guān)屬性相綁定，約束這些屬性按照指定的規(guī)律發(fā)生變化，從而描述了質(zhì)量塊的行為。如圖4所示，能量端口 R和C的類型均是Trans 1 ational，這是一個EnergyType類型的塊，表示該質(zhì)量塊所屬的物理域是平動，其能量流通過速度ν和受力f兩個變量共同描述。圖中還包括兩個連續(xù)約束塊=NewtonLaw描述了牛頓定律的方程，MassInit描述了起始速度以及流變量和勢變量的定義。這兩個約束塊均為可重用的客觀描述。將它們連接到質(zhì)量塊上，作為質(zhì)量塊的約束屬性從而描述質(zhì)量塊的行為。這里它們分別用作質(zhì)量塊的初始條件Initial和本征方禾呈 IntrinsicEqn0物理子系統(tǒng)除離散行為與連續(xù)行為外，可能還會存在離散/連續(xù)的混合行為，而 SysML本身并沒有提供對象來直接對混合行為進行建模。本實施例步驟幻中將各物理構(gòu)件混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合時，通過有序參數(shù)圖的有序約束塊所包含的約束屬性，將連續(xù)約束塊以動作的形式表示為離散約束塊的屬性，并通過有序參數(shù)圖以及有序參數(shù)圖提供的底層模型元素之間的關(guān)系將連續(xù)行為賦予離散狀態(tài)來實現(xiàn)混合行為的連續(xù)部分和離散部分的融合。如圖5所示，本實施例有序參數(shù)圖(Serialized Parametric Diagram, SPD)對參數(shù)圖中的塊(Block)和屬性進行有順序要求的約束定義，形成有序約束塊 Serialized Constraint Block, SCB)禾口有序約束屬性(Serialized Constraint Property, SCP)。這樣，某一時刻只能有一個約束屬性發(fā)生作用，SCP之間的順序通過序列關(guān)系(kquence)描述。某一時刻，發(fā)生約束作用的SCP被稱為活動的SCP。SCB中的約束可以有不變量，用以限定SCP保持活動狀態(tài)的時間，一旦不變量被違反，SCP必須退出活動狀態(tài)轉(zhuǎn)為非活動狀態(tài)。步驟幻中對混合行為詳細(xì)的建模步驟包括A) SysML參數(shù)圖的擴展，形成有序參數(shù)圖(Serialized Parametric Diagram, SPD) (圖2)。擴展方法是對參數(shù)圖中的塊(Block)和屬性進行有順序要求的約束定義，形成有序約束塊 Serialized Constraint Block, SCB)和有序約束屬性(Serialized Constraint Property, SCP)。這樣，某一時刻只能有一個約束屬性發(fā)生作用，SCP之間的順序通過序列關(guān)系(kquence)描述。某一時刻，發(fā)生約束作用的SCP被稱為活動的SCP。SCB中的約束可以有不變量，用以限定SCP保持活動狀態(tài)的時間，一旦不變量被違反，SCP必須退出活動狀態(tài)轉(zhuǎn)為非活動狀態(tài)。B)進行離散行為的建模其核心是對狀態(tài)(Mate)和轉(zhuǎn)換(Transition)的建模。 本發(fā)明先基于有序約束塊定義《Discrete》，以對SCB進行專有化，特指用于表示離散行為的SCB。然后將滿足如下條件的狀態(tài)建立為離散行為的狀態(tài)所屬塊在其生命周期中的某階段內(nèi)遵循統(tǒng)一的規(guī)律進行變化，則將該階段視為此對象的一個狀態(tài)。將能引起狀態(tài)發(fā)生變化的外部行為、事件或激勵等建模為轉(zhuǎn)換，且建立狀態(tài)和轉(zhuǎn)換之間的關(guān)聯(lián)聯(lián)系。C)進行連續(xù)行為的建?；赟ysML參數(shù)圖建立用微分代數(shù)方程(DAE)表示的連續(xù)行為。這里，為支持后續(xù)的動態(tài)仿真的需求，在將連續(xù)約束塊的參數(shù)分為自變量和因變量的基礎(chǔ)上，進一步建立基于因果性的函數(shù)以表示狀態(tài)變量的變化。D)通用混合行為的統(tǒng)一表示建?；赟PD的有序約束塊所包含的約束屬性，將連續(xù)約束塊以動作的形式表示為離散約束塊的屬性，通過參數(shù)圖以及SPD提供的底層模型元素之間的關(guān)系實現(xiàn)將連續(xù)行為賦予離散狀態(tài)，從而實現(xiàn)融合。此時，如果有序約束塊還包含有有序約束屬性，則狀態(tài)內(nèi)部也可以包含子狀態(tài)，從而形成層次化的狀態(tài)框架。一個彈球的混合行為模型中，彈球是一個簡單但是典型的混合系統(tǒng)。它包括兩個狀態(tài)在空中按照自由落體定律的運動，以及撞地瞬間發(fā)生的速度反向衰減的狀態(tài)。圖6中對彈球系統(tǒng)進行了定義，兩個狀態(tài)分別由離散約束塊Above ground和Impact ground表示。由連續(xù)控制塊Free fall和Impact分別表示自由落體定律和撞地瞬間的速度反向衰減。兩個連續(xù)控制塊作為動作，連接到離散約束塊上，形成視圖的融合。圖7和圖8分別顯示了離散狀態(tài)以及完整的混合行為。離散狀態(tài)圖只顯示了彈球的離散行為，便于工程人員觀察離散狀態(tài)的變化；而完整的混合行為將連續(xù)行為表示的約束定律也顯示出來，便于工程人員觀察系統(tǒng)變量的變化規(guī)律。步驟4) 步驟5)為控制子系統(tǒng)行為建模步驟4)中在系統(tǒng)層設(shè)計模型中獲取所有控制子系統(tǒng)的功能模塊及對其控制功能的要求這個過程是比較容易完成，基于多域復(fù)雜產(chǎn)品的系統(tǒng)層設(shè)計模型，通過查找即可得到各控制子系統(tǒng)的功能模塊及對其控制功能的要求；步驟幻中對控制功能塊的離散行為和連續(xù)行為進行建模時，對執(zhí)行控制器的狀態(tài)、執(zhí)行控制的轉(zhuǎn)換和執(zhí)行控制的動作進行建模。本實施例中，基于離散約束塊來完成，將之用來表示控制功能塊的離散行為。這里，本發(fā)明基于SysML對這些模型元素的語義進行了基于IEC61499標(biāo)準(zhǔn)的建模，在SysML中基于該標(biāo)準(zhǔn)建立控制系統(tǒng)的功能模型，其中主要包含對執(zhí)行控制器的狀態(tài)、執(zhí)行控制的轉(zhuǎn)換和執(zhí)行控制的動作進行的建模步驟5)中將各控制功能塊混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合時，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求對前述定義的控制元件的執(zhí)行控制圖和連續(xù)行為進行實例化，通過對具體的數(shù)據(jù)端口、事件端口、執(zhí)行控制器等的定義、給出的參數(shù)與約束要求以及步驟幻中混合行為建模方法將各控制功能塊混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合。連續(xù)行為建模方法同樣也可以用于控制子系統(tǒng)的連續(xù)行為建模，這里控制子系統(tǒng)的連續(xù)行為以功能塊的控制算法來表示?？刂谱酉到y(tǒng)混合行為建模時，在上述工作的基礎(chǔ)上，主要是根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求對前述定義的控制元件的執(zhí)行控制圖和連續(xù)行為進行實例化，不僅要對具體的數(shù)據(jù)端口、事件端口、執(zhí)行控制器等進行定義，更重要的是基于給出的參數(shù)與約束要求，通過上述步驟3)中給出的混合行為模型進行實例化完成對控制子系統(tǒng)離散/連續(xù)混合行為的定義。如針對附圖9所示的倒擺系統(tǒng)，建立的控制子系統(tǒng)如圖10所示它包含四個數(shù)據(jù)端口，其中X、V、theta、W用于接收狀態(tài)變量值，u用于輸出控制信號。其行為模型的執(zhí)行控制器包含兩個狀態(tài)在stateEC狀態(tài)下，采用實驗控制器所定義的控制算法FunctionEC ；在 stateBC狀態(tài)下，采用基礎(chǔ)控制器的控制算法FunctionBC。如圖11所示，基于有序參數(shù)圖描述了執(zhí)行控制中心的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程它以StateEC為起始狀態(tài)，當(dāng)theta超過0. 004時， 切換到stateBC。行為模型中的各參數(shù)分別由相應(yīng)的端口傳入或傳出，如控制算法的因變量 Va會從控制元件的u端口輸出，它們之間通過綁定器連接，顯示這種數(shù)據(jù)綁定關(guān)系。步驟6)為物理子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)行為的連接建模步驟6)中還提供具有能量端口和信號端口的傳感器塊和具有信號端口的致動器塊，傳感器塊通過能量端口與物理構(gòu)件相連，致動器塊通過信號端口與控制功能塊相連。本實施例中將物理構(gòu)件和控制功能塊的具體連接步驟如下a)先確定連接構(gòu)件使用位置兩端的構(gòu)件類型；b)基于連接構(gòu)件兩端的構(gòu)件類型，選取合適的連接器類型。本發(fā)明提供了四種連接器，分別用于連接能量端口、信號端口、事件端口和數(shù)據(jù)端口。其中，能量連接器在同種類型的不同能量端口之間傳遞能量，它隱含了基爾霍夫定律的語義，即通過同一能量連接器相連的多個能量端口的流變量和勢變量滿足基爾霍夫定律。其他三類連接器分別用于在相應(yīng)端口之間傳遞信號、事件和數(shù)據(jù)。此外，還提供了兩種特殊的塊《Sensor》與《Actuator》， 分別用于表示傳感器和致動器。傳感器可以有能量端口和信號端口，它通過能量端口與普通物理塊相連，從而探測該端口上的流變量和勢變量值，通過信號端口與控制塊相連，從而將狀態(tài)變量值發(fā)送給控制塊。致動器通過信號端口與控制器相連，接收來自控制器的控制信號，通過能量端口與控制塊相連，從而為物理系統(tǒng)提供能量以促使其發(fā)生相應(yīng)的運動。c)利用選取的連接器將物理子系統(tǒng)的器件、控制子系統(tǒng)的器件連接起來，形成一個網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)。如針對整個倒擺系統(tǒng)，其整個系統(tǒng)的行為模型如圖12所示?？梢钥闯?該圖中各元件的連接與圖9中一致，反映了現(xiàn)實世界中倒擺系統(tǒng)各元件的連接情況。能量端口之間通過energy connector連接，該連接隱含基爾霍夫定律，表示能量的傳遞情況; 信號端口之間采用signal connector連接，將變量值以信號方式進行傳遞?；诟髟陨淼男袨槟Ｐ?，以及它們之間的連接關(guān)系(連接關(guān)系隱含了行為描述)，可以完整的描述整個系統(tǒng)的行為模型。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅限于上述實施方式，凡是屬于本發(fā)明原理的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的原理的前提下進行的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法，其特征在于其實施步驟如下1)在系統(tǒng)層設(shè)計模型中獲取物理子系統(tǒng)所包含的物理構(gòu)件；2)基于SysMLS參數(shù)圖對各物理構(gòu)件的連續(xù)行為進行動力學(xué)建模；3)對SysML參數(shù)圖中的塊和屬性進行有順序要求的約束定義，擴展形成具有有序約束塊和有序約束屬性的有序參數(shù)圖，基于有序參數(shù)圖對各物理構(gòu)件的離散行為進行建模，并基于有序參數(shù)圖視圖融合機制將離散行為與連續(xù)行為融合，實現(xiàn)混合行為建模；4)在系統(tǒng)層設(shè)計模型中獲取所有控制子系統(tǒng)的功能模塊及對其控制功能的要求；5)基于有序參數(shù)圖離散及連續(xù)約束塊對控制功能塊的離散行為和連續(xù)行為進行建模， 并將各控制功能塊混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合；6)確定物理構(gòu)件和控制功能塊之間各個連接構(gòu)件使用位置兩端的構(gòu)件類型，根據(jù)構(gòu)件類型選擇連接能量端口連接器、信號端口連接器、事件端口連接器或者數(shù)據(jù)端口連接器，并根據(jù)選取的連接器將物理構(gòu)件與控制功能塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法，其特征在于所述步驟1)中獲取所有物理子系統(tǒng)所包含的物理構(gòu)件時還一并獲取各物理構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)系和層次關(guān)系；所述步驟3)中將各物理構(gòu)件混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合時，如果有序約束塊還包含有有序約束屬性，則根據(jù)物理構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和層次關(guān)系建立狀態(tài)內(nèi)部包含子狀態(tài)形成層次化的狀態(tài)框架模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法，其特征在于所述步驟1)中獲取物理構(gòu)件時，通過對物理構(gòu)件的本征屬性、流變量和勢變量建模進行實例化來完成對物理構(gòu)件的建模。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法，其特征在于所述步驟3)中將各物理構(gòu)件混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合時，通過有序參數(shù)圖的有序約束塊所包含的約束屬性，將連續(xù)約束塊以動作的形式表示為離散約束塊的屬性， 通過有序參數(shù)圖提供的底層模型元素之間的關(guān)系將連續(xù)行為賦予離散狀態(tài)來實現(xiàn)混合行為的連續(xù)部分和離散部分的融合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法，其特征在于所述步驟幻中對控制功能塊的離散行為和連續(xù)行為進行建模時，對執(zhí)行控制器的狀態(tài)、執(zhí)行控制的轉(zhuǎn)換和執(zhí)行控制的動作進行建模。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法，其特征在于所述步驟5)中將各控制功能塊混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合時，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求對前述定義的控制元件的執(zhí)行控制圖和連續(xù)行為進行實例化，通過對具體的數(shù)據(jù)端口、事件端口、執(zhí)行控制器等的定義、給出的參數(shù)與約束要求以及所述步驟幻中的有序參數(shù)圖混合行為建模方法將各控制功能塊混合行為的連續(xù)部分和離散部分融合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6中任意一項所述的基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法，其特征在于所述步驟6)中還提供具有能量端口和信號端口的傳感器塊和具有信號端口的致動器塊，所述傳感器塊通過能量端口與物理構(gòu)件相連，所述致動器塊通過信號端口與控制功能塊相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于SysML的多域復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層行為建模方法，其實施步驟如下1)獲取物理子系統(tǒng)所包含的物理構(gòu)件；2)基于SysML參數(shù)圖，對各物理構(gòu)件的連續(xù)行為進行動力學(xué)建模；3)將SysML參數(shù)圖擴展形成有序參數(shù)圖，基于有序參數(shù)圖對各物理構(gòu)件的離散行為進行建模；并基于有序參數(shù)圖視圖融合機制將離散行為與連續(xù)行為融合，實現(xiàn)混合行為建模；4)獲取控制子系統(tǒng)的所有功能模塊；5)基于有序參數(shù)圖對控制功能塊的離散行為和連續(xù)行為進行建模，并實現(xiàn)混合行為的連續(xù)部分和離散部分的融合建模；6)通過連接器將物理構(gòu)件與控制功能塊相連。本發(fā)明具有建模方法統(tǒng)一、使用方便、快捷高效的優(yōu)點。
文檔編號G05B13/04GK102393635SQ20111018950
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者劉玉生, 曹悅 申請人:浙江大學(xué)