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一种基于数控机床的多维集成设计框架
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摘要 - 关于设计要求多样化的数控系统设计面临的挑战，
本文提出了多维集成设计框架，可以提供一种方便有效的方法
数控系统设计。作为这个框架的重要组成部分，a
建模语言是基于IEC 61499和分级政策开发的。通过封装CNC功能
功能块，以自下而上的方式构建控制系统，可以灵活构建数控系统的各种架构。为了早日研究数控系统的可靠性
设计阶段，形式验证结合到设计框架中。具有正式的型号和规格
数控系统的动静特性可以
通过使用模型检查自动验证。考虑到系统性能的多目标特征，设计框架采用多目标优化技术来检测最合适的设计方案。为了实现上述步骤之间的无缝集成，开发了一种工具链形式的设计平台，可以有效提高系统设计的效率。最后，对运动控制器的设计进行实验，通过该实验可以证明拟议框架的有效性摘要 - 关于设计要求多样化的数控系统设计面临的挑战，
本文提出了多维集成设计框架，可以提供一种方便有效的方法
数控系统设计。作为这个框架的重要组成部分，a
建模语言是基于IEC 61499和分级政策开发的。通过封装CNC功能
功能块，以自下而上的方式构建控制系统，可以灵活构建数控系统的各种架构。为了早日研究数控系统的可靠性
设计阶段，形式验证结合到设计框架中。具有正式的型号和规格
数控系统的动静特性可以
通过使用模型检查自动验证。考虑到系统性能的多目标特征，设计框架采用多目标优化技术来检测最合适的设计方案。为了实现上述步骤之间的无缝集成，开发了一种工具链形式的设计平台，可以有效提高系统设计的效率。最后，对运动控制器的设计进行实验，通过该实验可以证明拟议框架的有效性窗体底端
摘要
数控系统的设计困难源自于需求的多元化，在本文中提出了一种多维集成设计框架，它为数控系统设计提供了一种更加方便高效的方法。 关于设计要求多样化的数控系统设计面临的挑战，此框架最重要的一个部分是基于IEC 61499和分级模式发展而来的建模语言。通过将数控系统的功能封装进功能块并用底层语言构建控制系统，复杂的数控系统就能灵活的被构建出来。为了早日在设计层面研究出数控系统的可靠性，我们将在设计框架中进行正式的验证。有了正式的型号和规格后，数控系统的动态和静态特性就能通过模型检查自动验证。该设计框架采用多目标优化设计检测最合适的设计方案来评估系统性能的多目标特性。
为了实现上述步骤之间的无缝整合，设计平台以工具链的形式开发，这可以有效地提高系统设计的效率。最后我们进行了一项关于运动控制器的实验，通过这个实验，此框架的有效性就可以被证明了。
关键词：数控系统、设计框架、建模、验证、优化
1，简介
当今这个快速改变的全球市场和更短的产品生命周期对数控系统的灵活性和可重构性提出了更高的要求。与此同时，随着控制需求的增加，未来的数控系统将会更加的智能，实现更加复杂的功能。由于在效率和可靠性方面存在缺陷,传统的以编程为目标的发展方法已经越来越难以满足在高性能数控系统的设计要求。因此，先进的系统级设计框架急需解决上述问题。
事实上，数控系统的挑战反映在设计要求的多样性及他们之间的强耦合。第一（如图一所示），从受控对象来看，各种专用机器都需要数控系统的各种架构。第二，为了提高数控系统的可移植性和互操作性，一个基于工业标准的通用建模语言应该被用来简化系统设计。第三，数控系统在小批量和定制产品中被重新配置。这意味着在产品需求变化时，新的控制系统能够通过现有的数控功能进行快速的重建。并且，作为一种安全的循环系统，应该将有效的验证技术和设计进程结合起来，以确保数控系统的可靠性。此外，在实践中，数控系统的性能表现出多目标的特点，因此应考虑相应的优化策略为选择设计方案提供参考。最后，为了实现自动化设计，我们需要发展一种集成设计平台，通过这个平台，可以覆盖整个过程的设计，包括建模，验证和优化。
图1 设计需求的多样性
在[2]中，作者提出并实现了一种用于开发开放式CNC控制器软件的内核，他可以通过动态地使用流程和资源模型来组织和管理不同的控制软件模块。在[3]中，一种概念性的智能数控系统框架模型正在被设计与实施。在[4]中，作者提出了一种称为TTM / ATRTTL的新建模方法（定时转换模型/全时实时时间逻辑）
用于指定CNC系统以提高系统的可靠性。虽然上述研究可以提高数控系统的开放程度、智能化及可靠性，但他们很少注意其便携性。 为了填补这个空白，基于工业标准的设计方法逐渐成为新的研究趋势。作为分布式工业过程测量和控制系统的标准，IEC 61499[5] 提供了一种先进的独立硬件设计及分级应用控制方式，并在CNC域名中得到应用。在[6]中，根据IEC 61499中定义的分层FB结构，CNCML（CNC建模语言）具有明确的语法、开发了明确的语义来描述CNC
系统。在[7]中，根据IEC 61499规定的分配机制，创建了控制系统设备。在[8] [9]中，作者证明了IEC 61499的参考架构可用于创建计算机数字控制器，提供互操作性，可移植性，可配置性，和分布特征。以上研究证明了基于IEC 61499标准设计数控系统的可行性，但是，由于缺乏设计验证和优化的必要分析，这就很难保证系统设计在实践中的完整性。
虽然数控系统设计研究取得了很大进展，但由于复杂的设计需求，仍缺乏有效整合方法。针对这个缺陷，本文提出了基于数控系统的多维集成设计框架，它由层次建模，形式组成验证，多目标优化与开发设计平台组成。在建模阶段，建模语言（IS）首先根据分层语法和语义来定义。然后，通过在任务层构建正式模型，就可以使用模型的定性和定量观点验证系统行为的正确性。经过正式验证，我们采用多种客观优化技术来比较设计方案间的性能差异，并选出最合适的一个。为了实现上述步骤的无缝集成，以工具链形式的设计平台逐渐发展起来，这可以有效提高系统设计的效率。
2，多维整合设计框架的论述
多维整合设计框架是用来满足数控系统的复杂需求。正如图2所示，在设计框架中包含有四个主要部分，对应着系统建模，验证，优化和自动设计。
图2 设计框架
具体来说，对于系统建模部分，建模语言根据IEC 61499标准和层次化策略才第一次被定义。通过将数控系统的功能封装进功能块，不同粒度级别的组件可以通过功能块的组合重建，然后再组合在一起构建控制系统。因为平台建模语言和灵活分组的独立性，它可以有效提升数控系统的可移植性和可重构性。此外，在实践中可能有一些合理的设计方案，并且在性能方面将会体现出巨大的差异，比如机器时长，加工精度和资源消耗。因此，在设计方案选择上采用多目标优化方案。最后，由各种软件工具组成用于需求描述，系统建模，模型解析和模拟验证的设计开发平台用以促进以上过程的实施。
3，设计框架中的关键技术
A,层次建模语言
如图3所示，数控系统的建模过程被分为三层。在功能块层，像速度控制算法，PID算法等常用的数控系统被建模为不同类型的功能块。而且，为了提高可重用性，全部功能块类型以库的形式存储。然后根据设计要求，可以通过功能块的组合构建独立应用平台。在任务层，应用程序的不同部分将被映射成在实时环境可被执行的几个可执行任务。
图3建模层次结构
所以为了实现上述建模过程，我们设计了一种基于层次语法和语义学的建模语言。由于空间限制，只给予了功能块的语法定义。 根据IEC 61499标准，功能块可以定义为以下6组：
Fs:(TSF,PSF,Oslash;SF,VSF,RSF)
其中，TSF={br,Cr,ST}代表功能块类型，PSF={EPi,EPo,DPi,DPo,wPi,wPo}和wpi:Epi→2DiP，wpo:Epi→2Dop,表示接口和接口连接约束。Oslash;SF:TSF→{null,Ec}是指示在FB类型和执行控制单元映射间的功能。其次，Ec={lt;q,t,agt;|qϵ Qc,tϵ Tc,aϵ Ac}代表了执行控制图（ECC），Qc,Tc,Ac是集合、转换、运动模块。VSF={ENV,IV,QV,LV}是一连串的变量。RSF=2wip times;2wop times;Lv times;Qc运行时状态空间。根据这个定义，我们采用PID算法以位置控制为例，功能块封装算法如图4所示。
图4 PID功能块
B,正式验证
在数控系统建模后，我们采用正式分析和验证技术来验证系统任务层的正确性，并且实现过程如图5所示。
关于正式建模，扩展接口自动机（EIA）用于描述数控系统抽象行为任务的特点，这被定义为6组：E=(S,s,V,P,A,delta;),其中S代表状态集，s代表初始状态。V=（chi;，theta;）是包含一连串变量的集合，chi;=chi;lcup;chi;ocup;chi;H和可变代数theta;：类（vj）→lt;D,Theta;,Psi;gt;。在变量集中，对每一个Vjϵ chi;j,jϵ{I,O,H}一种变量类型（vj）ϵ{p,t,s,c}被定义，其中p,t,s,c分别代表端口变量，常量，时钟变量和源变量。theta;是一类定义在变量类型上的微积分系统。在可变代数中，D表示可变域，Theta;表示可变操作规则，Psi;是可变范围；
P：S→Oslash;(chi;)映射表示为可饱和预测，包括输入预测，输出预测和内部预测，表示为：Oslash;(chi;)=Oslash;l（chi;l)cup;Oslash;o(chi;o)cup;Oslash;H(chi;H)；
图5正式验证
A（S）是一种EIA操作，并被定义为Alcup;Aocup;AH,其中Al,Ao,AH分别代表输入操作集，输出操作集和内部操作集，并有Al cap;Ao =Aj cap;AH =Ao cap;AH=Oslash;;
是状态转换变量。通过添加过度预测，加入非功能约束和变量代数，用于数据处理、状态转换 、用以描述复杂的控制流。
对于正式规范,需要从定性和定量的角度来验证系统属性。RTCTL[10]是被选为正式的规范语言。RTCTL的提出是为了满足相关行为规范实时控制系统的定量需求。在实践中，通过物理接口的扩展和RTCTL定量参数的操作规则。它不仅可以表达与时间相关的需求,也可以显示资源占用的信息。比如，假设上位机和数控系统的下级嵌入式设备之间的通信是在“供-销”总线中实现的。上位机作为生产者应该满足A（requestUlt;Nput_data）形式的行为规范。本规范意味着在通信过程中，在间隔期间从生产者接收请求到发送分组数据，存储缓冲器N的容量应大于发送数据包的容量。否则,系统将发生错误,例如缓冲区溢出等等。
通过将正式的模型和规范输入模型检查器,它可以自动验证数控系统的动态和静态性能的正确性。而在设计框架、符号模型检测技术提出后，NuSMV[11]用来进行正式的验证工作。
C,多目标优化方法
在实践中，对于某些具体的设计要求，在系统性能方面可能存在几种不同的合理设计。此外，数控系统性能反映了多目标的功能。不同的系统性能可能会相互限制，比如，高速和高精度间的矛盾。为了解决这个问题，我们将多目标优化技术整合进设计框架中。多目标优化设计的基本前提是建立优化模型。对于数控系统来说，我们通常采取以下的建模过程。
通常假设一个数控系统由任务集组成。至于任务tau;i，如果运行时间ei是已知量，任务期限dli与任务时常ti,那么tau;i可以由ti（任务时常）和 plt;
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