有限状态机在数控系统软件中的应用研究

1、有限状态机在数控系统软件中的应用研究李为建王文秦兴浙江大学现代制造工程研究所,浙江杭州310027摘要:在数控系统软件开发中,控制软件的开发是开发的关键。针对数控系统复杂性和实时性特点,把有限状态机应用在数控系统软件开发中,构造了控制器软件结构,并应用于数控系统的原型开发。关键词:有限状态机;数控系统;软件结构中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1001-2265(2003)04-0050-02StudyontheapplicationoffinitestatemachineinCNCsoftwareLIWeijianWANGWenQINXingAbstract:Thedevelop

2、mentofcontrolsoftwareisthekeyindevelopingCNCsoftware.Controllersoftwarearchitecturewascon2structedinthedevelopmentofCNCsoftwareusingFiniteStateMachine.Finally,byapplyingtheproposedcontrollersoftwarear2chitecture,aCNCsystemprototypeisconstructed.Keywords:FiniteStateMachine;CNC;softwarearchitecture1引言

3、一个系统如果在它生存期内行为有改变,则称系统具有动态行为1。型,它以一种“事件驱动”的方式工作,统状态间的转移表达一个系统的动态行为制理论的一部分,、分析器及控制理论等2,同时也影响着系统的开发时间和可靠性。本文结合有限状态机的工作原理介绍如何把有限状态机应用在数控系统的软件开发过程中。具有三个状态,1所示;通过状态转移1所示。1三状态FSM状态转移表S0S1S2输入下一状态输出0S100S210S01输入111下一状态S0S1S2输出1003基于有限状态机的数控系统软件结构3.1控制器软件结构2有限状态机的基本原理有限状态机(FiniteStateMachine,简称FSM)是由状态的有穷集

4、和状态之间的转换关系组成,其数学定义1,3如下:FSM是一个五元组A,Z,S,其中A是有穷输入集:A=a0,a1,.,an,Z是有穷输出集:Z=z0,z1,.,zn,S为内部状态集:S=s0,s1,.,sn为映射SAS,可看作是状态转换映射,为映射SAZ,可看作是输出映射。FSM的工作原理可解释如下:给定一组状态集S和输入集A的前提下,一但输入an-1和状态sn-1确定,在映射和作数控系统是多任务、强实时性要求的计算机控制系统。控制器软件和应用软件是组成数控系统软件的两部分4,而构造控制器软件是关键。图2为控制器软件结构图。控制器软件运行在相应的软硬件平台(计算机和操作系统)上,定义了系统的功

5、能,并向上提供服务,而应用软件定义了系统的行为5。控制器软件由构件构成,构件可以是组件(二进制兼容),也用下,则可确定FSM的下一个状态sn和输出zn。这一工作原理可以通过状态转移表、状态转换图等方式描述。如,一个系统图2控制器软件结构图图3构件图可以是面向对象中的类等,同时构件也可以复合而成为复合式构件。在软件分析时可以采用面向对象分析,具体实现时可以用组件实现也可以用面向对象等其它方法实现。图1三状态FSM状态转换图组合机床与自动化加工技术503.2构件结构构件由一系列的外部事件接口、FSM驱动器构成,如图3所示。外部事件接口定义了构件功能的操作集,只有通过外部事件接口才能触发构件的实际功

6、能,而这种机制是由FSM驱动器实现的。FSM驱动器通过查询触发事件,如果事件是在FSM驱动器中注册的,那么调用相应的功能函数,否则不予处理。为了支持不同粒度的复合,构件可以通过层次结构进行组织而成为复合式构件。复合式构件的行为可以通过嵌套的有限状态机(NFSM)模型化并与其成员构件的FSM同步。嵌套的行为模型有两个明显的优点:1)它支持行为在层次结构上的集成和修改,因此,降低了系统行为分析和修改的复杂性。2)因为FSM可以完全通过一张状态表说明,从而方便了控制逻辑的实现和运行时的重新配置。3.3FSM驱动器FSM驱动器设计的主要目的是把构件的功能定义与控制数控代码编译器:解释数控代码以供控制规

7、划使用。4.2控制器软件实现在构造控制器软件时我们采用了面向对象实现。其中主要的类关系如图5所示。在用状态机描述控制器软件的行为时,我们主要在以下两种情况下使用状态机:第一种情况,它是与某个类相联的,完整地定义了该类对象的行为,那么该类从有限状态机类继承,如其中的轴类。当客户发出的请求被发送到拥有状态机的对象时,状态机按照接收到的事件决定采取什么样的行动来实现状态的转换。第二种情况,独立于功能模块,它为完成一定的功能把一些操作集中到一起并且规定了激活它们的顺序。它作为一个单独的类而被定义,当执行这些方法时要调用一些其它的类或者其它的状态机所包含的操作,如轴FSM驱动器类。控制器软件的FSM形成

8、一个嵌套的FSM,如图6所示。逻辑分离,这样软件行为的规范和修改可以与软件的实现分离,以提供更大的柔性。其中包含以下几个概念:1)状态:一个系统所处的状况。2)转换:的联合。3)事件:行动的请求。4)条件:一个布尔表达式,作为转换的“监护者”,当表达式图图6控制器嵌套FSM的值为真时,转换被触发,执行转换中指定的行动,到下一个状态。5)行动:FSM接口。驱动器。一个构件FSM驱动器执行。FSM驱动器根据状态表和事件产生命令以触发运行时的控制对象。,如可以选择(自动、手动)、回零操作等。它从有限状态机类继承,是最上层的FSM。控制器类包含的轴类从有限状态机类继承,有限状态机负责控制轴的行为,包括

9、轴的使能控制、复位、停止等。在子系统级上,轴FSM驱动器嵌套在轴FSM中,控制和协调手动、自动和回零三个对象的功能行为。它的FSM如图7所示。轴的初始状态为使能无效状态,只有轴进入允许使能状态才能进入下一级的功能FSM。4实例应用基于以上控制器软件结构,将其应用于三轴铣床数控系统。该系统采用NC嵌入PC结构,由PC机和运动控制器构成。PC机主要负责系统的管理功能及与运动控制器通讯。运动控制器主要负责实时性控制,完成轨迹规划和运动。控制器软件主要功能是控制运动控制器以协调三轴的运动最终完成相应的轨迹运动。控制器软件的实现是基于以上软件结构和机制的。4.1控制器软件构成控制器软件的构件主要包括控制

10、算法、物理设备驱动程序、子系统等。图4为轴构件和控制器软件组成图。控制器软件中的一些高层构件主要有:轴:接受控制命令并发出控制信号以控制相应轴完成预定的运动轨迹;图7轴FSM驱动器状态转换图5结论把有限状态机应用到数控系统软件开发过程中,一方面规范了系统的行为和控制流程,缩短了数控系统的开发周期,增加了系统的可靠性;另一方面,构造的FSM驱动器把软件单元(构件)的功能定义和控制逻辑分离,提高了系统的柔性。(下转第53页)图4轴及控制器结构图2003年第4期51统抗干扰能力强,性能可靠,运行稳定,造价低,非常适合于现有测试系统的改造。3)测试参数数据自动生成报表,大大减少了人工抄表的观察误差与劳

11、动强度,大大地提高了工效(原先每班试验需1012人操作读表抄表,现只需2人)。5结束语图3动态画面效果图1)软件系统建立在windows98/windows2000的操作平台上。2)兼容中英文输入、输出;提供一个友好图形界面,通过运用鼠标点击,方便地选择菜单。3)数据自动编辑、存储、写入、处理;录,根据要求自动绘制工作特性曲线。4)可随时输出打印。3.1“组态王”工业控制组态软件包进行开发。“组态王”是运行于Microsoftwindows98/NT中文平台的全中文界面的组态软件。动态画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAK和画面运行系统TOUCHEW来完成的。TOUCHM

12、AK是应用程序的开发环境,TOUCHVEW是“组态王”软件的实时运行环境,TOUCHVEW采用IPC工控机和PLC作为工业控制上的数据处理单元和控制单元,将4报表程序流程框图,、检测与控制,本系统仅参考文献金昊等.PC自动化测试技术及软件结构.自动化仪表,1999,20(4):132徐科军等.自动检测和仪表中的共性技术.北京:清华大学出版社,20003黎苏.汽车发动机动态过程及其控制.北京:人民交通出版社,20014袁任光等.可编程序控制器(PC)应用技术与实例.广州:华南理工大学出版社,2001收稿日期:2003-01-15作者简介:胡俊达(1954-),男,湖南长沙人,湖南工程学院(编辑电

13、气与信息工程系副教授。李秀敏)(上接第51页)参考文献1Jean-PierreKruth,etc.Theuseoffinitestatemachinesfortask-basedmachinetoolcontrol,ComputersinIndustry,46,20012NIST.FSMREFERENCEDOCUMENTATION,/omacapi/FSMlibrary3雷为民等.机床控制流程的一种有限状态机表达方法1信息与控制,2000,29(1)4冯勇等.现代计算机数控系统.北京:机械工业出版社,19965ShigeWangandKang

14、G.Shin.ModellingManufacturingCon2trolSoftware,Proceedingsofthe2001IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation,Seoul,Korea-May21-26,2001收稿日期:2002-08-02作者简介:李为建(1977-),男,黑龙江鸡西人,浙江大学现(编辑代制造工程研究所在读硕士研究生。江复)从工业控制对象中采集数据,将其记录在实时数据库中,并负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来。画面效果如图3所示。动态画面采用常规指针式仪表结合数字显示,直观明了,试验操作者既可从数字显示观察实时试验数据,又能从指针的变化,预测动态变化趋势。3.2输出报表程序设计输出报表软件采用VisualC+6.0软件开发,在windows98/NT中文平台上,其具有占用内存少、速度快、编程方便的优点。