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Junruoyu-Zheng / Ligral

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Junruoyu-Zheng authored 2021-01-05 15:04 . mod: update year to 2021

接口签名

在一个规模宏大的仿真工程中,实现各个子系统之间的解耦的一种重要手段就是接口签名。接口签名实现了一种先定义后实现、定义与实现分离的建模方式。签名定义了一个节点在与其他节点交互时的全部接口信息,隐藏了内部实现逻辑。

语法

定义一个接口签名的语法如下所示:

signature SignatureName(inputs; outputs);

与路由的属性语法十分类似,所不同之处有三点:

  • 关键字为signature而非route
  • 不可以声明签名的签名
  • 不需要写明参数列表

此外由于没有主体部分,接口签名声明语句直接以;结尾。之所以不可以声明签名的签名,是因为签名已经完全规定了一个结点的所有接口,声明了该签名的节点没有变化的自由,如果一个签名声明了另一个签名,那么它们就是同一个签名,重复定义没有意义。签名并没有规定节点应该采用什么样的参数列表,因为参数不属于接口的范畴。因此,实例化必须在路由层面进行,不能实例化一个接口签名。

用法

上一节中,签名的用法已经介绍了,这里再总结一下。签名除了再定义语句外还能出现在两个地方,一处是路由的定义语句:

route Route:NodeSignature (...) ...

这表示路由Route声明了一个签名NodeSignature。另一处是路由的参数列表:

route Route2 (param:NodeSignature, ...; ...) ...

这表示路由Route2中的参数param是一个节点,且该节点声明了NodeSignature签名。因此,在实例化Route2的时候,您就可以写:

Route2{param:Route, ...};

请注意,此处的:并不是表明param声明了Route,首先,Route是一个节点实例而非签名,不能被声明;其次,此处的:作用和 JSON 中的冒号类似,或者您也可以参考 C# 中可省参数的用法,代表将Route赋值给标识符param

示例

早先的文档中给出了一个控制器的例子PIDController,在快速开始中有一个弹簧阻尼质量块系统MassSpringDamper。假设需要构建一个闭环模型,只需要把这两个模块连接起来即可。

MassSpringDamper[sys]{m:0.1, k:10, d:0.3, x0:1, v0: 0};
PIDController[controller]{Kp:1, Ki:0.1, Kd:4);
sys:x -> controller -> sys;

这样一个闭环的弹簧阻尼质量块模型,很可能是需要复用的,因此将其定义成一个路由会是很好的选择。

route ClosedLoopMSD(m, k, d, x0, v0, Kp, Ki=0, Kd=0, tau=0.01; F; x, v)
    MassSpringDamper[sys]{m:m, k:k, d:d, x0:x0, v0:v0};
    PIDController[controller]{Kp:Kp, Ki:Ki, Kd:Kd, tau:tau);
    (sys:x -> controller) + F -> sys -> (x, v);
end

但是这么写弊端有很多。首先,所有节点的参数如果支持修改的话,都要定义在路由的参数列表里,并且所有缺省参数都必须要列明,并且显示赋值,这样极大地降低了语法的简洁性,并且可能造成参数标识符冲突等问题。其次,子节点的逻辑是固定的,如果您想把弹簧阻尼质量块替换成一个非线性版本,或者把 PID 控制器替换成滑模控制器,就必须要重新编写一个路由。

利用 ligral 的签名语法,可以消除以上问题,保持简洁的语法。定义两个签名:

signature MSDSignature(F; x, v);
signature CTRSignature(x; u);

分别规定了弹簧阻尼质量块的接口和控制器的接口。然后在闭环模型的定义里:

route ClosedLoopMSD(sys:MSDSignature, controller:CTRSignature; F; x, v)
    (sys:x -> controller) + F -> sys -> (x, v);
end

最后在实例化ClosedLoopMSD之前定义好syscontroller实例,并传入:

MassSpringDamper[sys]{m:0.1, k:10, d:0.3, x0:1, v0: 0};
PIDController[controller]{Kp:1, Ki:0.1, Kd:4);
ClosedLoopMSD{sys:sys, controller:controller};
F -> ClosedLoopMSD:x -> Scope;

如果您设计好另一个控制器(比如滑模控制器):

route SMC:CTRSignature(...; x; u)
    ...
end

您可以很轻松地替换:

SMC[smc]{...};
ClosedLoopMSD{sys:sys, controller:smc};

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