V模式开发流程

控制系统研发而言 技术人员要面对两类基本问题 在开发的初期阶段 快速地建立控制对象及控制器模型 并对整个控制系统进行多次的 离线的及在线的试验来验证控制系统软 硬件方案的可行性 即利用快速控制原型 RCP 进行功能测试和检验 以快速控制原型检验设计 可排除大多数早期设计中引入的错误和缺陷 方便制定详细的后续设计规范 降低项目的技术风险 在控制器设计完成并付诸生产时 必须在投放市场前进行详细的测试 如果按传统测试方法 用真实的对象或环境进行测试 无论是人员 设备还是资金都需要较大的投入 而且周期长 不易进行极限条件下的测试 试验的可重复性差 所得测试结果可记录性及可分析性都较差 目前普遍采用的方法是 在产品上市之前 采用真实的控制器 被控对象或者系统运行环境部分采用实际的物体 部分采用实时数字模型来模拟 进行整个系统的仿真测试 即硬件在回路仿真 HILS 一般来说 控制器产品的开发一般包括以下几部分内容 根据调查情况用文字说明的方式定义需求和设计目标根据经验和相关参考提出系统的结构设计 由硬件人员设计并制造硬件电路控制工程师设计控制方案 并将控制规律用方程的形式描述出来 由软件人员采用手工编程的方式实现控制规律由系统工程师或电子专家将代码集成于硬件电路中用真实控制对象或测试台架对产品进行集成测试 为了满足越来越紧迫的工期要求 研发单位大多采用并进式的工作方法 即并行工程 在此过程中 控制系统本身的复杂性和质量要求以及研发需求发生的变化 如被控对象发生变化 这在大系统设计中非常常见 使得控制器的设计必须随时做出合适的调整 这些调整通常都基于对已经形成的产品部分的集成实验测试 实际上 传统的控制器的设计过程往往存在一定的盲目性 因为只有在整个系统中所有或大部分的零部件形成样机后 才能进行集成控制系统的闭环测试 很多问题在产品开发的后期阶段才逐渐凸现出来 这样就造成了很大的麻烦 例如可能会 在对控制规律的控制特性或控制效果缺乏把握的情况下 硬件电路已经制造了 而此时还未能确认设计方案能在多大程度上满足要求 抑或根本就不能满足要求 但已产生了较大的硬件投入资本 存在手工编程会产生代码不可靠的问题 在测试过程中如果出现问题 在大多数情况下这是必然的 就很难确定是控制方案不理想还是软件编码错误 而且手工编程费时费力 要等很长时间才能再次对控制方案设计进行验证和测试 如果方案不合适 就意味着前期投入的浪费 开发风险很高 即使软件编程不存在问题 如果在测试中发现控制方案不理想 需要进行修改 则又要开始新的一轮改进工作 大量的时间又将耗费在软件的修改和调试上 另外 由于涉及的部门多 再加上管理不善所引入的种种不协调 导致开发进度频繁延期 结果产品虽然研制成功 但市场初始需求已经发生变更 商业机会错失 开发以仍以失败告终 V模式开发流程 现代化的V模式依托计算机辅助控制系统设计 CACSD Computer AidedControlSystemDesign 将计算机支持工具贯穿于控制系统开发测试的全过程 计算机不仅可以辅助控制系统设计 进行方案设计和离线仿真 还用于实时快速控制原型 产品代码生成和硬件在回路测试 这里 V 代表着 Verification 和 Validation 这样就形成一套严谨完整的系统开发方法 一般包含以下几个阶段 第一阶段功能需求定义和控制方案设计 在传统方法中 这一过程的产物就是几千字甚至几万字的文字说明 在现代方法中为了避免文字说明的模糊性及理解性错误 详细说明将采用模型方式 可以用信号流图的方式 Simulink模型 进行定义 控制方案的设计也不再采用过去的那种先将对象模型简化成手工可以处理的形式 再根据经验进行手工设计的方式 而是用诸如MATLAB SIMULINK等计算机辅助建模及分析软件建立对象尽可能准确的模型 并进行离线仿真 从而避免了传统设计过程中 对象过于简化带来的设计方案无法满足实际对象要求的尴尬局面 第二阶段快速控制原型 RCP 按现代设计方法 方案设计结束后 无须等待软件工程师的编程和随后的代码硬件集成 而是利用计算机辅助设计工具自动将控制方案框图转换为代码并自动下载到硬件开发平台 从而快速实现控制系统的原型 原型中包括实际系统中可能的各种I O 软件及硬件中断等实时特性 之后 就可以利用计算机辅助试验测试管理工具软件进行各种测试 以检验 Validation 控制方案对实际对象的控制效果 并在线优化控制参数 此时即使模型需要大规模修改 重新形成测试原型也只需要几分钟的时间 这样在最终实现控制方案之前 就可基本确认最终方案和效果 避免过多的资源浪费和时间消耗 第三阶段生成代码 传统的人工编程很容易引入缺陷 速度较慢 现代开发方法则不同 产品代码的大部分由机器自动生成 对大多数工程师而言 如果能够加快开发速度 损失代码的部分实时运行效率是可以接受的 而且机器自动编码 很容易避免人为的各种错误 第四阶段硬件在回路仿真 HILS 有了控制产品的初样 还必须对其进行全面综合的测试 以对照确认 Verification 产品与实际指标要求 特别是故障情况和极限条件下的测试 但如果用实际的控制对象进行测试 很多环境条件无法实现的 抑或要付出高昂的代价 现代开发方法中计算机辅助设计工具 软件 硬件 将再次发挥作用 可以用HILS的方法和工具进行各种条件下的测试 特别是故障和极限条件下的测试 这是传统开发方法所不具备的 第五阶段系统集成测试 标定 产品型控制器制造完成后 需要与其它子系统连接起来 构成完整闭环进行全面 详细的测试 以确认产品符合各项设计指标和需求定义 这一阶段的主要困难是 并行开发过程中 其它子系统部分未能就绪 无法集成 HILS应用可以替代闭环系统当中那些尚未就位或者不易获取的部分