第6章.过程建模
主要内容
1.过程建模
2.数据流图DFD
3.微规格说明
4.数据字典
5.模块结构图
1. 过程建模
——结构化建模
?怎么理解复杂世界？
?复杂－>简单（分解）
?简单－>可理解性（最基本单位）
?简单（高内聚）
?简单 VS 简单（低耦合）
?简单－>复杂（接口和实现）
?结构化建模
?复杂世界－>复杂处理过程（事情的发生发展）?简单－>过程（可表达的“函数”）
?软件“函数”、程序
?复杂→简单
?功能分解结构
?简单－>复杂（函数调用）
?结构化建模
?过程建模，数据建模
?过程建模是结构化建模的核心方法
?系统是过程的集合
?过程可以被分解为子过程
?最终的子过程可以被映射为计算实体——函数?所有的系统都是由过程构建的
?主要思想
?用图形的方式建立和描述良好的过程模型
主要内容
1.过程建模
2.数据流图DFD
1.基本元素
2.规则
3.层次结构
4.层次结构的建立
5.DFD的验证
3.微规格说明
4.数据字典
5.模块结构图
?外部实体
?外部实体是指处于待构建系统之外的人、组织、设备或者其他软件系统，它们不受系统的控制，开发者不能以任何方式操纵它们?需要进行建模的外部实体是那些和待构建的软件系统之间存在着数据交互的外部实体，它们是待构建系统的数据源或者数据目的地?所有的外部实体联合起来构成了软件系统的外部上下文环境
?过程
?过程是指施加于数据的动作或者行为，它们使得数据发生变化，包括被转换（transformed）、被存储（stored）或者被分布
（distributed）
?可能是由软件系统控制的，也可能是由人工执行的，它重在数据发生变化的效果而不是其执行者
?可能会表现为不同的抽象层次
?内容足够细节和具体，能够对其直接进行“编码”处理的过程被称为原始
过程（Primitive Process，又称为基本过程Elementary Process）
?
数据流
?
数据流是指数据的运动，它是系统与其环境之间或者系统内两个过程之间的通信形式
?
数据流可以分割和组合
?
数据字典和ERD 通常被用来描述DFD 数据流的详细内容
x x
x x
z x
y w
x x
x x
z x
y w
?数据存储
?数据存储是软件系统需要在内部收集、保存，以供日后使用的数据集合
?数据存储的详细内容通常也是用数据字典和ERD来进行描述的
——示例： DeMarco
——示例： Gane-Sarson
Return
过程是对数据的处理，必须有输入，也必须有输出，而且输入数据集和输出数据集应该存在差异
X X X Y
数据流是必须和过程产生关联的，它要么是过程的数据输入，要么是过程的数据输出
?DFD当中所有的对象都应该有一个可以唯一标识自己的名称。
?过程使用动词
?外部实体、数据流和数据存储使用名词
?依据所含过程的不同
抽象程度，DFD可以
在不同的抽象层次上
进行系统的描述
?一个比较抽象的过程
可以被展开为一个子
过程更加具体的DFD
图
?DFD的层次结构
?上下文图
?0层图
?N层图（N>0）
?上下文图
?将整个系统看做是一个过程，这个过程实现系统的所有功能，是系统功能的最高抽象
?上下文图中存在且仅存在一个过程，表示整个系统。这个单一的过程
通常编号为0
?上下文图中需要表示出所有和系统交互的外部实体，并描述交互的数
据流，包括系统输入和系统输出
?上下文图中不会出现数据存储实例
?它非常适合于描述系统的应用环境、定义系统的边界
?N层图
?对0层图的过程分解产生的子图称为1层图，对N层图的过程分解后产生的子图称为N+1层图（N>0），过程分解是可以持续进行的，直至最终产生的子图都是原始DFD图
?原始DFD图可以进一步展开为
?微规格说明
?数据字典
?在低于0层图的子图上通常不显示外部实体
2.4 层次结构的建立 建立步骤
1.创建上
下文图
2.发现并
建立
DFD片
断
3.根据
DFD片
断组合
产生0层
图；
4.对0层图
的过程
进行功
能分解，
产生N层
图
第二章：低级建模的基础 2.1顺序操作和并行操作 顺序操作和并行操作，是新手们很容易混乱的一个重点。但是为了将低级建模发挥到极限，这一点必须好好的理解。Verilog HDL语言，虽然不同与其他高级语言的优秀结构性，但是作为硬件描述语言的它，最大的优势是并行操作。 顺序操作有如“步骤”概念，如果上一个行为没有完成，下一个行为就没有执行的意义。而并行操作最为不同的是，两个行为都是独立执行，互不影响。那么，我们从一个典型的实验“流水灯实验”，在具体上来理解它们的不同之处。 下图是两种以不同操作方式建立的“流水灯实验”。 1)点亮第一个LED，延迟一段时间。 2)点亮第二个LED，延迟一段时间。 3)点亮第三个LED，延迟一段时间。 4)点亮第四个LED，延迟一段时间。 5)重复第一个步骤。 从上面看来，我们明白“流水灯效果的产生”主要是以“顺序的方式”执行5个步骤。这可能是人类自然的思维方式吧，人类真的是奇怪的动物，虽然人类的大脑是并行操作的，但是人类的思维方式比较偏向“顺序操作”。为什么呢？ 如果引用现实中的实例，如果四个LED失去了“指挥者”，那么它们就罢工了！因为它们失去“执行发号”的第二方，这样的情况就如同上面内容如果没有了“1”，“2”，“3”,“4”，“5”的数目字，那么你又如何看懂“流水灯如何产生呢？” 换一句话说，“顺序操作”的代表往往都有一个“指挥者”或者名为“控制器”东西的存在，执行着“工作的次序（步骤）”。 我相信很多学习FPGA的朋友都有学过单片机。学习单片机的时候，可能是C语言或者汇编语言的关系，所以很多朋友在不知不觉中的情况习惯了“顺序操作”这样的概念。新手们常常忽略了，FPGA有存在着“顺序操作”和“并行操作”的概念。如果打从一开始就忽略了它们，往后的日子很难避免遇见瓶颈。 那么换成是“并行操作”的流水灯是如何的呢？结果我们从实验中理解...
【习题】 一、单项选择 1、从供选择的答案中选出与下列有关软件需求分析叙述相对应的正确答案，将其编号填入到相应的括弧（）内。 开发软件时对提高软件开发人员工作效率至关重要的是( A ① )。软件工程中描述生存周期的瀑布模型一般包括计划、( B ① )、设计、编码、测试、维护等几个阶段，其中设计阶段在管理上又可以依次分成( C ③ )和( D ⑥ )两步。 供选择的答案： A．①程序开发环境②操作系统的资源管理功能③程序人员数量④计算机的并行处理能力 B．①需求分析②需求调查③可行性分析④问题定义 C、D．①方案设计②代码设计③概要设计④数据设计⑤运行设计⑥详细设计⑦故障处理设计⑧软件体系结构设计 2、软件开发费用只占软件生存期全部费用的_B___。 A. 1/2 B. 1/3 C. 1/4 D. 2/3 3、在软件开发过程中大约要花费__C__%的工作量进行测试和调试。 A. 20 B. 30 C. 40 D. 50 4、准确地解决“软件系统必须做什么”是__B__阶段的任务。 A. 可行性研究 B. 需求分析 C. 软件设计 D. 程序编码 5、软件生存期中时间最长的是_D__ 阶段。 A. 需求分析 B. 软件设计 C. 软件测试 D. 软件运行/维护 6、在软件生存期的模型中，_D__适合于大型软件的开发，它吸收了软件工程中“演化”的概念。 A .喷泉模型 B. 基于知识的模型 C. 瀑布模型 D. 螺旋模型 7、在软件生存期中，用户的参与主要在_A___。 A. 软件定义阶段、 B. 软件开发阶段、 C. 软件维护阶段、 D. 整个软件生存期过程中 8、在软件开发过程中的每个阶段都要进行严格的__D___，以尽早发现在软件开发过程中产生的错误。 A. 检验 B. 验证 C. 度量 D. 评审 9、在软件开发和维护过程中需要变更需求时，为了保持软件各个配置成分的一致性，必须实施严格的__B___。 A. 产品检验 B. 产品控制 C. 产品标准化 D. 开发规范 10、实践表明，采用先进的开发技术可提高软件开发的生产率，还可提高软件的__D__ 。 A. 可靠性 B. 可使用性 C. 安全性 D. 可维护性 11、为了提高软件开发过程的___A_，有效地进行管理，应当根据软件开发项目的总目标及完成期限，规定开发组织的责任和产品标准。 A. 可见性 B. 生产率 C. 安全性 D. 有效性 12、随着开发小组人数的___A__，因交流开发进展情况和讨论遇到的问题而造成的通信开销也急剧增加。 A. 增加 B. 降低 C. 稳定 D. 不稳定 13、为保证软件开发的过程能够跟上技术的进步，必须不断地灵活地改进软件工程__C__。 A. 原则 B. 工具 C. 过程 D. 方法 二、填空题 10、瀑布模型是将各个活动规定为依（软件生存期）连接的若干阶段的模型。它规定了各阶段的活动由前至后，相互衔接的固定次序，如同瀑布流水，逐级下落。 11、螺旋模型将开发过程分为几个螺旋周期。在每个螺旋周期内分为四个工作步骤：（制定计划）、（风险分析）、开发实施、（用户评估）。 12、喷泉模型是一种以（用户要求）为动力，以（对象）为驱动的模型。它使开发过程具有迭代性和无间隙性，适用于（面向对象）开发方法。
第二章过程建模本章学习要求 1. 掌握基本概念及常用模型的描述形式 2. 掌握建模步骤及设计方法 3. 了解实验建模的方法 4. 掌握由图表法求模型参数 5. 掌握由计算法求模型参数 过程控制系统的品质是由组成系统的各个环节的结构及其特性所决定的。过程的数学模型是设计过程控制系统，确定控制方案、分析控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等等的重要依据。前馈控制、最优控制、多变量解耦控制等更需要有精确的过程数学模型，所以过程数学模型是过程控制系统设计分析和应用的重要资料。研究过程建模对于实现生产过程自动化具有十分重要的意义。 被控过程是指正在运行中的多种多样的被控制的生产工艺设备。例如各种加热炉、锅炉、热处理炉、精馏塔、化学反应器等等。 被控过程的数学模型（动态特性），是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。 第一节基本概念 一、过程的输入输出描述 分析： 被控过程W o (s)是多个输入量（u(t),f 1 (t),f 2 (t)…f n (t)），单个输出量（y(t)）的物理系统。函数的关系表达式如下： ∑ = + = n i i i s F s W s U s W s y 1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 二、静态与动态特性 1、静态特性——输入量与输出量之间的关系，用放大系数K 表示。 2、动态特性——输出量y随时间的变化而变化，用时间常数T 描述。 三、物料与能量平衡原理 在静态情况下，单位时间流入过程的物料或能量等于其流出的物料或能量。 在动态情况下，单位时间流入过程的物料或能量与流出的物料或能量之差等于过程储存量的变化率。四、自衡与无自衡对象（过程） 自衡对象：在扰动作用下，平衡状态被打破后，不通过自动仪器调节，建立新的平衡状态。 无自衡对象：在扰动作用下，平衡状态被打破后，自身不能建立新的平衡状态。 五、建模的途径 1、机理建模 对于一些比较简单的物料或能量变化和机理比较清楚的被控过程，根据过程的机理和物料（能量）平衡的关系，应用理论计算的方法建立被控过程的数学模型。 2、实验建模 对于多数的工业过程来说，一般都比较复杂，用机理建模的方法很难反映实际的情况，目前主要采用实验建模方法有过程辨识和参数估计。
第二章过程建模 ?本章提要 1.过程建模的基本概念 2.单容过程的数学模型的建立 3.多容过程的数学模型的建立 4.用响应曲线法辨识过程的数学模型 5.用相关统计法辨识过程的数学模型 6.用最小二乘参数估计方法的系统辨识 ?授课内容 第一节基本概念 在过程控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。所以，建立过程的数学模型对于实现生产过程自动化有着十分重要的意义。 一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的了解和建立过程的数学模型。 1.基本概念 ?被控过程-----指指正在运行中的多种多样的工艺生产设备。(P11) ?被控过程的数学模型-----指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用 下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。(P11) ?过程模型的两种描述形式： ●非参量形式：即用曲线或数据表格来表示（形象、直观，但对进行系 统的设计和综合不方便）。 ●参量形式：即用数学方程来表示（方便，描述形式有：微分方程、传 递函数、差分方程、脉冲响应函数、状态方程和观察方程等）。 ?过程控制系统方框图： ?内部扰动（基本扰动）-----通常是一个可控性良好的输入量，选作为控制 作用，即调节器的输山量(u(t))作为控制作用。基本扰动作用于闭合回路内， 所以对系统的性能起决定作用。 ?外部扰动------其他的输入量则称为扰动作用（f1（t）～f n（t））。外部扰动 对过程控制也有很大影响。 ?输入量-----（u1(t)、u2(t)、、、u n(t)，f1(t)、f2(t)、、、f n(t)）
?输出量-----（y1(t)、y2(t)、、、y n(t)） ?通道-----被控过程输入量与输出量之间的信号联系。 ?控制通道-----控制作用与被控变量之间的信号联系。 ?扰动通道-----扰动作用与被控变量之间的信号联系。 注：x(t)为系统的设定值（给定值、比较值） ?单输入单输出系统------ ?多输入单输出系统------ ?多输入多输出系统------需要解耦控制 ?过程的阶跃响应曲线： 注：大多数被控过程特性的特点是被控量的变化往往是不振荡的、单调的、有时延的和惯性的。 上图表示在输入扰动x（其实应该是u或f）作用下，输出y（被控量）的具有时延的响应。 ?自衡过程-----过程对扰动的响应有时延，被控量变化最后达到新的平衡， 即过程具有自平衡能力。如图2—2(a)所示； ?无自衡过程-----被控量不断交化最后不再平衡下来，过程无自平衡能力。 如图2—2(b)所示。 2.建立过程数学模型的目的 ●设计过程控制系统和整定调节器参数。 过程控制系统设计时选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标、探索最优工况以及调节器参数的最佳整定都是以被控过程的数学模型为重要依据的。 ●指导生产工艺设备的设计。 确定有关因素对整个被控过程特性的影响，从而提出对生产设备的结构设计的合理要求和建议。 ●进行仿真试验研究。 不需要建造小的物理模型，只要根据过程的数学模型通过计算机进行仿真试验研究。 3.被控过程数学模型的应用与要求 ?被控过程数学模型的部分应用与要求可见表2—l所示。
习 题 2.1 什么是线性系统?其最重要的特性是什么?下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统? (1) x x x x x i o o o o 222=++ (2) x tx x x i o o o 222=++ (3) x x x x i o 222o o =++ (4) x tx x x x i o o o 222o =++ 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。该题中（2）和（3）是线性系统。 2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。 图(题2.2) 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有
x m x c x x c i o o 2 o 1 )(=-- 即 x c x c c x m i 1 2 1 o o )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有 )1()()(1 x x c k x x o i -=- )2()(2 x k x x c o o =- 消除中间变量有 x ck x k k x k k c i o 1 2 1 o 2 1 )(=-- (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 x k x x k x x c o o i o i 2 1 )()(=-+- 即 x k x c x k k x c i i o o 1 2 1 )(+=++ 2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。 图（题2.3） 解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有 ?+=idt C i R u o 12 2 i R u u o i 1 1=-
第二章列车运行的基本数学模型 空气波传播的定性分析 在重载列车长大下坡周期性制动策略研究中，首先需要解决的难点就是长大下坡速度控制问题。由于重力的作用，列车会在长大下坡不断加速，为了保证列车的安全行驶必须施以足够的制动力。在此过程中，如果一直使用空气制动，长时间制动将使闸瓦过热，其次，由于制动缸漏泄制动力会不断衰减。所以重载列车长大下坡时必须间断使用空气制动，并且掌握好制动与缓解时机。由于列车管系中气体是不规则变化的，即无法直接预测整个列车管系中各部分压强的压强变化，在此将通过气体流动理论计算制动特性来可避免各种假定压强带来的计算不正确。 当速度过高时采取制动措施可能会出现运行速度超过限速；速度过低开始制动一方面可能运行速度低，线路通过能力没有完全发挥，另一方面可能出现因为缓解时间过短副风缸没有充风完毕，会出现制动力不足问题。而缓解时，如果速度过高开始缓解，则可能出现需要制动时副风缸还没有充满，此时制动，制动缸将没有足够的制动力，列车可能会出现失控的危险；如果速度过低开始缓解，则通过线路的速度过低。 2.1.1空气制动系统描述 首先对空气制动系统的机械结构和控制过程中的三个过程的认知理解，我们将列车制动机械结构简化抽象，在此基础上对降压制动、充风缓解和控制保压三个过程进行研究。 图1 空气制动系统示意图 2.1.1.1制动单元 车辆制动单元包括以上多个机械和空气组成部件,由于车辆类型和用途的不同,其具体的组成部件也会有所区别,但是大多数车辆制动单元的基本部件是一致的,在此我们主要简化研究控制阀（120三通阀）、副风缸和制动缸之间气压变化机理。
图2 空气制动单元示意图 2.1.1.2制动位 列车运行中准备进站停车或者减速时,通常是施行常用制动。司机施行常用制动减压后,因副风缸压力空气来不及通过滑阀和滑阀座向列车管逆流,于是在主活塞两侧产生了一定的压力差,此压力差产生的向上作用力克服了节制阀与滑阀背面间的摩擦阻力、橡胶膜板的变形阻力和压缩稳定弹簧的阻力以及主活塞重力等向下作用力的总和,使主活塞先带动节制阀上移,然后再带动滑阀上移,此时,由于120阀的动作,阻止了制动管的空气流向副风缸,同时紧急阀上的放风阀也被阻塞。空气只能从副风缸流向制动社,推动活塞向左边运动,然后通过基础制动装置作用到车轮上,如图3所示。（该过程在常用制动和紧急制动时都会发生,它们的区别就在于常用制动时,列车管的空气即不向车辆制动单元流动也不排向大气,但是紧急制动时,120阀除了有上述动作,还会通过紧急放风阀将列车管中的空气直接排向大气。换言之,紧急制动过程中,120阀通过紧急放风阀的动作,会大大加快列车管的放风动作。）
第二章软件过程 一、软件生命周期 软件生命周期(Life Cycle)，也称生存周期，指软件产品从提出、产生、发展到成熟，直至衰亡的整个时间段。 软件生命周期的组成阶段： (1) 软件定义阶段：做什么？问题定义→可行性研究→需求分析 (2) 软件开发阶段：如何做？总体设计→详细设计→编码和单元测试→综合测试 (3) 运行维护阶段：纠错、适应性修改、增强性修改、预防性修改 二、软件过程的定义 当开发产品或构建系统时，遵循一系列可预测的步骤（路线图）是非常重要的，它有助于及时交付高质量的产品。 (1)所遵循的路线图就称为“软件过程”。 (2)软件过程贯穿软件开发的各阶段，并建立阶段里程碑（Milestones）； (3)管理者在软件工程过程中需要对软件开发的质量、进度、成本进行评估、管理和控制； (4)技术人员在软件过程中需采用相应的方法和工具生成软件工程产品，如模型、文档、数据、报告、表格等。 三、软件过程的作用 软件开发过程的作用是： (1)成为开发组活动顺序的向导。 (2)详细说明需要开发哪些制品，何时开发。 (3)指导每一个成员及整个开发组的工作。 (4)提供监控、度量产品和活动所依据的准则。 —软件过程是软件项目管理控制的基础，它为项目提供稳定性、可控性和有组织性，能有效避免混乱。 —若没有一个良好定义的过程，开发组将各行其是，成功与否完全依赖个别优秀的人才，这不是能够长久的。 四、软件过程的组成要素（活动、动作、任务） 软件过程是工作产品构建时所执行的一系列活动、动作和任务的集合。 （1）活动(activity)：实现宽泛的大目标。 （2）动作(action)：阶段目标。 （3）任务(task)：关注小而明确的目标，产生实际产品。 —软件过程由活动组成，活动由动作组成，动作由任务组成。 五、基本框架活动和典型的普适性活动 软件过程框架(process framework)定义了若干个框架活动，及一些适用于整个软件过程的普适性活动 1.基本框架活动 一个通用的软件工程过程框架通常会包含以下5个基本的框架活动： （1）沟通：在技术工作开始前，先和利益相关者进行沟通与协作，以理解项目目标，并收集需求。 （2）策划：制定项目计划，包括需要执行的技术任务、可能的风险、资源需求、工作产品、工作进度计划等。 （3）建模：构思软件的体系结构、构件如何结合等。（4）构建：包括编码和测试。 （5）部署：交付全部软件或部分增量，由用户使用并反馈意见。
第二章结构快速建模 如在前面章节所述，在Autodesk? Revit?系列软件里，项目是包含设计信息的数据库——信息化的建筑模型。项目包含设计过程中的全部数据信息，从几何模型到最后的施工图数据，这些信息包括结构模型中用到的所有的构件、项目视图及最后的施工图等。通过共享一个数据源，结构中一处更新，与之相关的各处（平面、立面、剖面，明细表等）同步更新。 在进行结构建模时，用户可以在项目里添加所需要的视图，如剖面视图、平面视图、立面视图等。当在某一视图下修改结构模型时，其余视图将随之更新。也即，3D视图及所有的平、立、剖面及明细表视图都是相关联的，它们会针对同一个改变同时更新。 下面将通过实例，介绍基于结构族的建筑信息模型（BIM）建模方式与基于绘图元素（点、线、面等）传统的建模方式的区别，并展示模型与图纸双向关联，一处修改，处处更新的技术特点。 本实例将以如图2-1所示的混凝土结构模型为例，介绍其在Revit? Structure中的创建过程和步骤，包括结构建模、钢筋功能、视图设置、图纸准备及结构分析模型等。 图2-1 2.1 新建项目 双击桌面快捷方式Revit Structure 2012，打开Revit Structure 2012。单击程序功能区按钮，依次选择“新建”→“项目”，如图2-2所示。在弹出的对话框中，选取合适的项目样板(*.rte)用于创建项目，本例中选择针对中国用户定制的Structural Analysis-DefaultCHNCHS.rte样板文件，见图2-3。
图2-2 图2-3 【提示】项目样板(*.rte)包含创建项目（比如建模，出图等）所需要的最基本的组件（族，类型等）和设置（显示，结构设置，视图及出图相关的设置或预先定制等），当然用户可以根据自身的需要增减组件和更改设置等，创建自己的项目样板。项目文件（*.rvt）本身也可 以作为样板，例如通过对相似项目的修改来创建新的项目等。