摘要：在嵌入式控制系统中，PID控制器应用广泛。鉴于实时性和同步性的要求，传统的PID控制器通常采用手工编程来实现。该种实现方式，费时费力，可靠性低，后期的验证测试过程繁杂。为解决该方法不足，本文研究了基于模型的高安全性应用程序开发环境-SCADE，按照SCADE的软件程序设计流程，完成了PID控制器的设计、开发与性能测试，并通过代码的效率测试，验证了SCADE进行嵌入式软件开发的优越性。在过程控制和运动控制系统中，特别是在嵌入式控制系统中，PID(比例-微分-积分)控制器因其结构简单，物理意义明确，使用中不需精确的系统模型等先决条件应用广泛。鉴于嵌入式控制系统设计的严格要求，传统的嵌入式PID控制器通常采用手工编程来实现。该种实现方式费时费力，可靠性低。为解决传统设计方法不足，本文研究了基于模型的高安全性应用程序开发环境-SCADE的技术特点，在该环境下完成了PID控制器的设计与仿真，并对生成的代码进行了分析和效率测试。最终表明，该设计方法切实有效。
1 SCADE软件设计流程
SCADE(Safety-Critical Application Develooment Environment)是Esterel Teclmologies公司研制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点，运用Correct By Construction的设计理念，提供了一种基于模型的图形化开发方式，覆盖了从需求分析到代码实现的整个软件开发流程。
SCADE提供了一系列的开发工具套件，实现了直观的图形化需求建模，基于模型的仿真验证，标准C代码自动生成、开发文档自动生成等多种功能。其严谨的建模理论和经过高安全性标准鉴定代码生成器KCG，保证了软件需求到产品代码的高度同步。软件设计流程如图1所示。
最后，由PID控制器和被控制对象，按照图2所示的结构图，构造闭环控制系统。
4 仿真分析
利用SCADE Editor完成系统建模后，进入到模型的仿真分析阶段。SCADE提供了一系列的验证机制，来确保软件需求模型描述的正确性和安全性，包括模型静态检查，模拟仿真、覆盖率分析，形式验证等等。本文首先利用SCADE模型静态检查功能，确保模型无基本语语义错误后，使用SCADESimulator进行仿真分析验证控制率，然后通过SCADE内置的代码生成器生成C代码，进一步对代码进行效率分析测试。
4.1 模型仿真
根据PID的特性，Kp影响系统的响应速度和精度，Ki影响系统的稳态精度，Kd会对系统的动态特性有影响。据此，对PID控制参数进行整定，得到Kp=8.0，Ki=0.0，Kd= 0.5。设阶跃响应r=1.0，采样时间为0.005秒。输入相应的控制参数，调用SCADE Simulator仿真环境，得到的系统阶跃响应仿真曲线如图5所示(横坐标单位ms)。 |
