摘要：在嵌入式操控体系中，PID操控器运用广泛。鉴于实时性和同步性的要求，传统的PID操控器一般选用手艺编程来完结。该种完结办法，费时吃力，可靠性低，后期的验证测验进程冗杂。为处理该办法缺乏，本文研讨了依据模型的高安全性运用程序开发环境-SCADE，依照SCADE的软件程序规划流程，完结了PID操控器的规划、开发与功用测验，并经过代码的功率测验，验证了SCADE进行嵌入式软件开发的优越性。
关键词：SCADE;PID;建模;模仿仿真;代码生成
在进程操控和运动操控体系中，特别是在嵌入式操控体系中，PID(份额-微分-积分)操控器因其结构简略，物理含义清晰，运用中不需准确的体系模型等先决条件运用广泛。鉴于嵌入式操控体系规划的严厉要求，传统的嵌入式PID操控器一般选用手艺编程来完结。该种完结办法费时吃力，可靠性低。为处理传统规划办法缺乏，本文研讨了依据模型的高安全性运用程序开发环境-SCADE的技能特色，在该环境下完结了PID操控器的规划与仿真，并对生成的代码进行了剖析和功率测验。终究标明，该规划办法切实有效。
1 SCADE软件规划流程
SCADE(Safety-Critical Application Develooment Environment)是Esterel Teclmologies公司研发的一套高安全性的嵌入式软件开发环境，针对嵌入式软件的特色，运用Correct By Construction的规划理念，供给了一种依据模型的图形化开发办法，覆盖了从需求剖析到代码完结的整个软件开发流程。
SCADE供给了一系列的开发工具套件，完结了直观的图形化需求建模，依据模型的仿真验证，规范C代码主动生成、开发文档主动生成等多种功用。其谨慎的建模理论和经过高安全性规范判定代码生成器KCG，确保了软件需求到产品代码的高度同步。软件规划流程如图1所示。
2 PID操控器规划
在模仿操控体系中，操控器最常用的规则是PID操控。惯例PID操控体系由PID操控器和被控目标组成，详细如图2所示。
PID操控器是一种线性操控器，它依据给定值与实践输出值构成操控差错，将差错的份额(P)，积分(I)和微分(D)经过线性组合，构成操控量对被控目标进行操控。其操控规则为
式中，u(t)为进入受控目标的操控变量;e(t)为差错信号，e(t)=r(t)-y(t)，r(t)为给定参阅输入值。由于核算机操控是一种采样操控，依据采样时刻的差错值直接核算操控量，有必要进行离散处理，用求和的方式替代积分，用增量的方式替代微分。式(1)离散化得：
由式(2)在SCADE中结构PID操控器，其成果如图3所示，其间操控参数Kp、Ki、Kd和差错ek为输入，uk为输出，t为采样时刻。
3 PID操控体系完结
本操控体系中，被操控目标传递函数
，其间J=0.0067，D=0.10经离散化后得：
由式(3)在SCADE中结构操控目标如图4所示，Uk为输入，Yk为输出。
最终，由PID操控器和被操控目标，依照图2所示的结构图，结构闭环操控体系。
4 仿真剖析
运用SCADE Editor完结体系建模后，进入到模型的仿真剖析阶段。SCADE供给了一系列的验证机制，来确保软件需求模型描绘的正确性和安全性，包含模型静态查看，模仿仿真、覆盖率剖析，方式验证等等。本文首要运用SCADE模型静态查看功用，确保模型无根本语语义过错后，运用SCADESimulator进行仿真剖析验证操控率，然后经过SCADE内置的代码生成器生成C代码，进一步对代码进行功率剖析测验。
4.1 模型仿真
依据PID的特性，Kp影响体系的呼应速度和精度，Ki影响体系的稳态精度，Kd会对体系的动态特性有影响。据此，对PID操控参数进行整定，得到Kp=8.0，Ki=0.0，Kd= 0.5。设阶跃呼应r=1.0，采样时刻为0.005秒。输入相应的操控参数，调用SCADE Simulator仿真环境，得到的体系阶跃呼应仿真曲线如图5所示(横坐标单位ms)。
4.2 代码测验
SCADE内置的代码生成器KCG能够主动生成ANSI C的嵌入式产品代码，且代码是彻底面向工程的产品代码，能够直接嵌入到产品中去而不需要做任何修正。由于SCADE模型依据严厉的数学理论，它能确保代码运转的成果和仿真成果彻底共同，并且该代码生成器经过了军工及航空业及动力业相关规范的判定。
此前软件规划人员手艺编写代码，在后期验证阶段要花费许多的时刻来验证程序的正确性和规范性。运用SCADE之后，只需模型等级仿真测验无误，那么后续该部分的代码单元测验能够省掉。别的，SCADE供给了模型等级的覆盖率剖析，关于代码的覆盖率剖析也能够在模型等级完结。这样，必然能在很大程度地节约验证工作和验证时刻。
为了完结代码的功率测验剖析，在前面体系仿真成果正确的基础上，经过SCADE KCG主动生成C代码。生成的软件代码能够直接在VC等C言语开发工具下进行正确编译，增加主函数后，代码即可直接运转。此处，在主函数内增加clock 函数，用以核算程序履行必定步数所消耗的时刻。主函数如下：
对代码进行编译运转，在相同环境下，将生成的代码与手写代码进行比较，得到成果如表1所示：
经过表1能够看出，SCADE生成的代码与手写代码在运转相同步数的情况下，所消耗的时刻根本共同，代码履行功率略高。
经过剖析SCADE生成代码发现，代码中每个变量在效果域内仅赋值一次，代码内无递归调用，无死循环，无动态指针，无动态内存分配。因而，在相同的测验规范下，SCADE生成的代码失功率比手写代码要小许多，相应安全性也更高。
5 定论
本文研讨了依据模型的软件开发环境SCADE的技能特色和开发流程，在SCADE下完结了PID操控体系的规划、仿真、测验。经过事例研讨标明，选用SCADE进行嵌入式软件开发，将软件开发流程的要点由编码阶段提前到规划阶段，这样更易于在规划前期发现缺乏。模型规划完结后，经过代码生成器主动生成代码，可在很大程度上削减开发时刻和可发本钱，进步开发功率。并且，SCADE生成的代码满意一系列的安全特性，可读性杰出，和手写代码功率适当。因而，SCADE在高可靠性的嵌入式软件规划范畴，运用远景广泛。
