xit　　在機(jī)械加工領(lǐng)域,控制邏輯規(guī)定了機(jī)床控制器完成特定功能所必須的步驟或事件的序列。當(dāng)向機(jī)床中添加新的部件、增加新的控制算法或替換已存在的子系統(tǒng)時(shí),其控制邏輯必然發(fā)生改變。為使控制軟件具有復(fù)用性和重構(gòu)能力,需要研究控制邏輯的建模方法和軟件重構(gòu)。控制邏輯反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征,采用動(dòng)態(tài)行為模型來構(gòu)造。在面向?qū)ο蠓椒ㄖ?行為表示對(duì)象為完成某種功能而進(jìn)行的一系列處理操作,是指對(duì)象做什么;動(dòng)態(tài)行為模型表示瞬時(shí)的、行為化的系統(tǒng)的控制性質(zhì),它規(guī)定了系統(tǒng)中對(duì)象的合法變化序列。

　　本文采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù),基于模塊化思想構(gòu)造開放式數(shù)控系統(tǒng)以層級(jí)式有限狀態(tài)機(jī)(Fi2nite State Machine , FSM) 作為其行為模型,建立了有限狀態(tài)機(jī)基礎(chǔ)類庫,以確保有限狀態(tài)機(jī)機(jī)制的實(shí)施。該類庫具有定義和修改有限狀態(tài)機(jī)的接口,使模塊內(nèi)部控制邏輯的定義與實(shí)現(xiàn)相分離。當(dāng)擴(kuò)充系統(tǒng)功能時(shí),如添加對(duì)刀具的狀態(tài)監(jiān)控,可以基于有限狀態(tài)機(jī)機(jī)制完成對(duì)系統(tǒng)的行為重構(gòu)。

1 有限狀態(tài)機(jī)

　　FSM由一定數(shù)目的狀態(tài)和相互之間的轉(zhuǎn)移構(gòu)成,在任何時(shí)候只能處于給定數(shù)目狀態(tài)中的一個(gè)。它以一種事件驅(qū)動(dòng)的方式工作,當(dāng)接收到一個(gè)事件時(shí),狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)輸出,同時(shí)也可能伴隨著狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。它包括以下一些構(gòu)成要素:

　　(1) 狀態(tài)　是對(duì)象的生命周期中滿足某種條件、執(zhí)行某些動(dòng)作或等待某些事件發(fā)生的一個(gè)階段,能持續(xù)一段時(shí)間。

　　(2) 轉(zhuǎn)移　是從一個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)(源狀態(tài)) 到另一個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)(目標(biāo)狀態(tài)) 的移動(dòng),發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí),對(duì)象會(huì)相應(yīng)地執(zhí)行某些動(dòng)作。

　　(3) 事件　是一個(gè)在時(shí)空中顯式出現(xiàn)的特定現(xiàn)象,它可以觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。事件可以來自外部,也可以是內(nèi)部生成的。

　　(4) 動(dòng)作　是對(duì)象在狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)所作的一系列處理操作。

　　對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng),如采用上述基本FSM 建模,可能存在成百上千的狀態(tài),導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降,且難于驗(yàn)證和維護(hù)。因此,出現(xiàn)了對(duì)基本FSM 的擴(kuò)充,如層級(jí)式FSM。層級(jí)式FSM 由一系列基本FSM 按照層級(jí)方式組織起來,一個(gè)或多個(gè)下層FSM 對(duì)應(yīng)于上層FSM 中的某一狀態(tài)(稱其為組合狀態(tài)) 。當(dāng)FSM 處于某一組合狀態(tài)時(shí),一個(gè)或多個(gè)下層FSM可以并行或順序執(zhí)行。

2 基于有限狀態(tài)機(jī)的行為模型

　　2.1 機(jī)床的行為建模

　　FSM 經(jīng)常用來模型化反應(yīng)式系統(tǒng),反應(yīng)式系統(tǒng)對(duì)外部和內(nèi)部事件作出反應(yīng),屬于事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在確定性的反應(yīng)式系統(tǒng)中,輸入事件的順序和數(shù)值決定了系統(tǒng)響應(yīng)的順序和數(shù)值。

　　數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的信息(如數(shù)控程序、操作面板的輸入、傳感器反饋信息) 控制機(jī)床移動(dòng),實(shí)現(xiàn)加工操作(如軸運(yùn)動(dòng)、換刀、停止機(jī)床等) ,其行為是可預(yù)見的,屬于典型的反應(yīng)式系統(tǒng)。因此,將外部輸入的信息表示為FSM 的輸入事件,將機(jī)床的加工操作表示為FSM 的動(dòng)作,采用FSM 作為機(jī)床的行為模型。

　　采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示機(jī)床行為的簡化FSM ,它描述了該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的命令實(shí)現(xiàn)軸進(jìn)給、停止,并在監(jiān)控到刀具破損后停止軸運(yùn)動(dòng)。其FSM 包含3 個(gè)狀態(tài):系統(tǒng)就緒( system ready) 、軸運(yùn)動(dòng)(axis moving) 和刀具破損(tool broken) 。可以處理3 個(gè)事件:其中兩個(gè)代表用戶的請(qǐng)求即進(jìn)給(move) 和停止( stop) ,一個(gè)代表傳感器反饋信息即刀具破損。機(jī)床可完成的操作被抽象為FSM 中的動(dòng)作moveAxis () 、stopAxis () 。機(jī)床的動(dòng)態(tài)行為以FSM 方式被清晰、規(guī)范化地描述出來。可以看出,在FSM 中,狀態(tài)轉(zhuǎn)移觸發(fā)動(dòng)作的過程就是機(jī)床實(shí)現(xiàn)加工操作的過程。

　　實(shí)際應(yīng)用中機(jī)床行為復(fù)雜,其狀態(tài)數(shù)目龐大,筆者將整個(gè)系統(tǒng)按照層級(jí)方式分解為一系列子功能模塊,整個(gè)系統(tǒng)的行為被分解為子系統(tǒng)的行為,并用單獨(dú)的FSM 描述,然后再把這些模塊集成起來構(gòu)成系統(tǒng),得到層級(jí)式FSM 所表述的整個(gè)系統(tǒng)行為模型 。采用層級(jí)式FSM 進(jìn)行行為建模,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)行為的結(jié)構(gòu)化、層次化表達(dá)。最終,機(jī)床的行為可以看作是各模塊行為的集成,機(jī)床的加工過程就是各模塊FSM 的轉(zhuǎn)移過程。

　　2.2 行為建模方法

　　本文基于FSM ,采用以下方法來模型化機(jī)床的行為:

　　(1) 考察對(duì)象的運(yùn)行周期,識(shí)別相應(yīng)的、較固定的、具有某些相同特點(diǎn)的時(shí)間段,將其抽象為狀態(tài)。

　　(2) 考察對(duì)象能否從一個(gè)狀態(tài)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài),如果能變,探究狀態(tài)變化的原因(抽象為事件) ,確定是否伴隨發(fā)生一些反應(yīng)(抽象為動(dòng)作) ,從而定義轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移=〈事件,動(dòng)作,目標(biāo)狀態(tài)〉。另外,還存在一種自身轉(zhuǎn)移,它是源狀態(tài)等于目標(biāo)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移,觸發(fā)自身轉(zhuǎn)移的事件可能是對(duì)象內(nèi)部自生成的,如刷新事件(up date) ,可參見下文的例子。

　　(3) 考察每個(gè)狀態(tài),看其是否應(yīng)該分解。通過對(duì)狀態(tài)的層次結(jié)構(gòu)分解,將一個(gè)大的狀態(tài)分解為若干子狀態(tài),分解層數(shù)的多少取決于系統(tǒng)的復(fù)雜程度;再逐步細(xì)化,直到所有的狀態(tài)都是原子的(不再分解的) ,確定原子狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移形成狀態(tài)機(jī)。通過上述方法完成系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)規(guī)劃。

3 基于有限狀態(tài)機(jī)的行為重構(gòu)機(jī)理

　　機(jī)床FSM 的內(nèi)容實(shí)際上由狀態(tài)集合、事件集合、轉(zhuǎn)移集合和動(dòng)作集合組成,稱之為狀態(tài)表。在實(shí)際應(yīng)用中,由于系統(tǒng)的配置發(fā)生變化(增刪設(shè)備、引入新功能或新的控制算法等) 而改變系統(tǒng)的行為時(shí),對(duì)數(shù)控軟件系統(tǒng)而言,則需重新規(guī)劃FSM ,創(chuàng)建新的狀態(tài)表。

　　狀態(tài)表可以采用鏈表的結(jié)構(gòu),鏈表中的每個(gè)單元都包含一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志,還有一個(gè)指向轉(zhuǎn)移集合的指針。每個(gè)轉(zhuǎn)移又包含一個(gè)觸發(fā)它的事件標(biāo)志和動(dòng)作集,以及指向下一個(gè)狀態(tài)的指針,其中動(dòng)作集是狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)被調(diào)用函數(shù)的完整集合。狀態(tài)表的組織結(jié)構(gòu)。每個(gè)狀態(tài)具有一系列轉(zhuǎn)移(轉(zhuǎn)移集) , 其中, 狀態(tài)state7 為組合狀態(tài), 對(duì)應(yīng)狀態(tài)state7. 1 和state7. 2 構(gòu)成的下一層FSM。當(dāng)系統(tǒng)需求改變而導(dǎo)致行為發(fā)生變化時(shí),對(duì)應(yīng)狀態(tài)表內(nèi)容的添加、刪除和替換,如圖3 中陰影表格所示,可以進(jìn)行動(dòng)作的替換(采用modifiedAction ()替換action3 () ) ,添加新的狀態(tài)( newState) 、新的轉(zhuǎn)移( &t ran7) 和新的事件(newEvent1) 。通過對(duì)狀態(tài)表的修改來完成基于FSM 的系統(tǒng)行為重構(gòu)。由于FSM 采用層級(jí)式管理,行為改變通常僅對(duì)特定子系統(tǒng)產(chǎn)生影響,只需要修改相應(yīng)模塊的狀態(tài)表即可。一般情況下,將一個(gè)新的狀態(tài)表以文件的形式保存,在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)加載,就可以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行代碼級(jí)別的行為重構(gòu)。為此,對(duì)于每個(gè)模塊,設(shè)計(jì)了多個(gè)狀態(tài)表來規(guī)定它在不同系統(tǒng)模式下的不同行為,系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)只加載其中一個(gè)狀態(tài)表,使同一模塊可以滿足于不同的應(yīng)用。當(dāng)系統(tǒng)行為變化涉及到修改動(dòng)作集時(shí),就需要編寫源代碼,因?yàn)閯?dòng)作是在狀態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)被調(diào)用的函數(shù)。

　　為了便于創(chuàng)建和修改狀態(tài)表,還設(shè)計(jì)了FSM基礎(chǔ)類庫。它不僅提供了定義、查詢和修改狀態(tài)表的接口,而且是FSM 機(jī)制運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)中心,其作用與硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序類似。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),FSM 基礎(chǔ)類庫負(fù)責(zé)接收事件,在狀態(tài)表中根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)查找對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移,觸發(fā)規(guī)定的動(dòng)作,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的特定功能。FSM 基礎(chǔ)類庫是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)行為重構(gòu)的關(guān)鍵。

　　因此,在行為重構(gòu)過程中, 設(shè)計(jì)者不必關(guān)心FSM 機(jī)制的實(shí)施細(xì)節(jié),只需負(fù)責(zé)FSM 的重新規(guī)劃和動(dòng)作集合的編程(如果需要) ,可大大減少重構(gòu)的時(shí)間和成本。

4 重構(gòu)實(shí)例驗(yàn)證

　　現(xiàn)以一個(gè)實(shí)例,即向已有三軸銑床數(shù)控軟件中添加監(jiān)控刀具破損功能,來演示系統(tǒng)行為重構(gòu)的能力。

　　4.1 三軸銑床軟件系統(tǒng)的原始構(gòu)成

　　(1) 任務(wù)協(xié)調(diào)器　進(jìn)行任務(wù)分配,并協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的運(yùn)行。

　　(2) 譯碼模塊　完成語法檢查、譯碼和刀具補(bǔ)償功能。

　　(3) 軸組模塊　完成加減速處理和插補(bǔ)功能,向各軸發(fā)送相應(yīng)的設(shè)定點(diǎn)協(xié)調(diào)它們的運(yùn)動(dòng)。

　　(4) 軸模塊　接收來自軸組的設(shè)定點(diǎn),進(jìn)行單軸控制,向外部設(shè)備發(fā)送信號(hào)。

　　按照前述的行為建模規(guī)則,任務(wù)協(xié)調(diào)模塊、軸組模塊、軸模塊的簡化FSM 其中,任務(wù)協(xié)調(diào)器是控制軟件的調(diào)度中心,FSM 位于系統(tǒng)的頂層,其他模塊FSM 在其管理下并行運(yùn)行,狀態(tài)的自動(dòng)(auto) 或手動(dòng)(manual) 方式對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的加工模式。

　　4.2 重構(gòu)實(shí)現(xiàn)

　　下面在原有系統(tǒng)中集成監(jiān)控功能,以監(jiān)控刀具破損為例,證實(shí)基于FSM 構(gòu)造的系統(tǒng)具有行為重構(gòu)能力。

　　監(jiān)控刀具破損功能指在主軸刀具發(fā)生破損或斷裂時(shí),系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測到該情況,并自動(dòng)停止所有軸。筆者編制了單獨(dú)的模塊,以實(shí)現(xiàn)刀具破損監(jiān)控功能。通過讀取外部傳感器測得的主軸功率,依據(jù)一定的規(guī)則判定刀具破損,發(fā)出刀具破損(broken)事件(刀具破損判定規(guī)則不在本文研究范圍內(nèi)) 。監(jiān)控刀具破損模塊也在任務(wù)協(xié)調(diào)器的調(diào)度下周期性運(yùn)行,在發(fā)生刀具破損時(shí),它向任務(wù)協(xié)調(diào)器的標(biāo)準(zhǔn)接口發(fā)送broken 事件。

　　任務(wù)協(xié)調(diào)器對(duì)broken 事件做出反應(yīng),其行為發(fā)生變化,因此需要規(guī)劃FSM ,修改狀態(tài)表,包括增加新的狀態(tài)、事件、轉(zhuǎn)移和動(dòng)作,虛線框內(nèi)為新增FSM 部分。在其處理broken 事件的動(dòng)作(對(duì)應(yīng)于任務(wù)協(xié)調(diào)器的成員函數(shù)toolBrokenAction() ) 中向軸組發(fā)出stop 事件,而軸組模塊已經(jīng)具有處理stop 事件的能力,控制邏輯不發(fā)生改變,因此軸組和軸模塊的FSM 不受影響,無需作任何修改。對(duì)狀態(tài)表內(nèi)容的修改包括增加一個(gè)刀具破損Tool_Broken”狀態(tài),以及和刀具破損狀態(tài)相關(guān)的兩個(gè)轉(zhuǎn)移,還有與循環(huán)加工Incycle”狀態(tài)相關(guān)的一個(gè)轉(zhuǎn)移。這些新增條目可以利用FSM 類庫提供的方法addTransition 來創(chuàng)建。該函數(shù)原型為CFiniteS2tateMachine : :addTransition ( st ring state , st ring e2vent , st ring next State , CFSMAction action) 。其中,CFiniteStateMachine 表示FSM 類, st ring 表示字符串類, state 表示對(duì)象當(dāng)前所處狀態(tài)的名稱,e2vent 表示對(duì)象接收事件的名稱,nextState 表示對(duì)象將轉(zhuǎn)移的下一狀態(tài)的名稱,CFSMAction 表示FSM動(dòng)作類,action 表示對(duì)象轉(zhuǎn)移過程中被觸發(fā)的動(dòng)作。

　　void CTaskCoordinator ∷setup FSM() / / 任務(wù)協(xié)調(diào)器建立FSM　　{　　addTransition (Idle, setAuto , Auto ”, & CTaskCoordina2　　tor : : setAutoAction) ;/ / 原有轉(zhuǎn)移　　?　　/ / 添加刀具破損、恢復(fù)、復(fù)位事件對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移　　addTransition ( InCycle , ; broken,  Tool _ Broken ,　　&CTaskCoordinator : :toolBrokenAction) ;　　addTransition （ Tool _ Broken ,  resume ,  InCycle ,　　&CTaskCoordinator : : resumeAction) ;　　addTransition ( Tool _ Broken ,  reset ,  Idle ,　　&CTaskCoordinator : : resetAction) ;　　}

　　可以看出,通過FSM 基礎(chǔ)類庫提供的方法能夠方便、高效地改變狀態(tài)表。此外,模塊開發(fā)者還需要完成斷刀處理動(dòng)作, 即toolBrokenAction , re2sumeAction 和resetAction 的編程。

　　每個(gè)模塊都要經(jīng)過調(diào)試正確后進(jìn)行集成,最終可獲得具有刀具破損監(jiān)控功能的三軸數(shù)控銑床xi't 。上述重構(gòu)過程已在一開放式三軸數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn),達(dá)到了系統(tǒng)重構(gòu)的目標(biāo)。通過在三軸銑床系統(tǒng)中添加刀具破損檢測功能,說明本系統(tǒng)也能夠集成其他外部傳感器信號(hào),實(shí)施用戶特有的控制策略。

5 結(jié)論

　　FSM 作為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為模型,使系統(tǒng)具有了行為重構(gòu)能力,大大增強(qiáng)了開放性。基于有限狀態(tài)機(jī)的行為建模的優(yōu)點(diǎn)是:提供了構(gòu)造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的統(tǒng)一方式;可以對(duì)每個(gè)模塊的行為單獨(dú)檢驗(yàn),有助于錯(cuò)誤的發(fā)現(xiàn); FSM 采用層級(jí)方式管理,使系統(tǒng)的行為變化轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)部分模塊FSM 的修改;有限狀態(tài)機(jī)基礎(chǔ)類庫提供了修改和存取模塊內(nèi)部控制邏輯的接口,使控制邏輯的定義與實(shí)現(xiàn)相分離。