Man-machine interfaces and implementational issues in computer-aided control system design

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Man-machine interfaces and implementational issues in

computer-aided control system design

Doctoral Thesis Author(s):

Rimvall, Carl Magnus Publication date:

1986

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https://doi.org/10.3929/ethz-a-000412495 Rights / license:

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Diss. ETH No 8200

MAN-MACHINE INTERFACES ^AND IMPLEMENTATIONAL ISSUES IN

COMPUTER-AIDED

CONTROL SYSTEM DESIGN

A DISSERTATION

submitted to the

SWISS FEDERAL INSTITUTE of

TECHNOLOGY ZURICH

for the

degree

^of

Doctor of Technical Sciences

presented by

CARL MAGNUS RIMVALL

Civilingenjor LTH, Lund,

^Sweden

born

February 24,

¹⁹⁵⁷ Swedish citizen

accepted

^{on the} recommendation of Prof. Dr. M.

Mansour,

^referee

Prof. Dr. F.E.

Cellier,

^co-referee

Zurich 1986

Summary

This thesis deals with different issues of

Computer-Aided

Control

System Design (CACSD)

software from a control

engineering

^and

computer engineering viewpoint. Emphasis

^is

given

^{to the}

design

^{ofuser interfaces to} interactive CACSD

pack¬

ages, ^to the control-oriented data structures to be

supported by

such

packages,

^{and to} the software

engineering problems

^{of im¬}

plementing large

^CACSD

packages.

The

design

^{of a}

good

^{user interface to CACSD}

packages

^{is of}

utmost

importance

^{for user}

acceptance

^{of the}

package

^{and for}

the

applicability

^{of the software to} of-the-shelf

problems.

^Dif¬

ferent

approaches

^{to the}

design

^{of user interfaces are discussed}

and a

complete, algorithmically extendable,

^command

driven,

interface is

presented.

^{This interface has been}

implemented

ⁱⁿ

the IMPACT

package

^{as an}

integral part

of the research

project presented

^{here and numerous}

examples

^{from IMPACT illustrate}

different CACSD

aspects throughout

^{the thesis.}

An obvious

requirement

^of any CACSD

package

^{is that the}

program ^must be able to

represent, manipulate

^and

properly

^dis¬

play

^the

numerical, symbolic

^or

logical

^{entities which are needed}

during

the control

design cycle. However,

^{this basic}

requirement

was hitherto not

necessarily

^{fulfilled even in}

commercially

^suc¬

cessful CACSD

packages. Therefore,

^this

topic

^is discussed in

detail,

^with

special emphasis

^on

assembling

^an

adequate

^and

yet perspicuous

^{set of data} structures. An

unambiguous

^scheme

for

overloading

mathematical

operators,

^{and thus to enhance} the

expression

power of the command

language manipulating

on these data

structures,

^is

presented.

Despite

^{recent and} not-so-recent advances in the

theory

^of

structured

programming

^{and software}

engineering,

^{there is a}

longstanding

"tradition" to

implement

^{all scientific} programs in

xi

FORTRAN. This was hitherto

partially

^{due to a lack}

^of

^viable

alternatives.

Hence,

^the

aptitude

^{of the Ada}

programming

^lan¬

guage ^{as an} alternative for

implementing large

interactive _pro¬

grams in

general,

^{and CACSD}

packages

ⁱⁿ

particular,

^{is inves¬}

tigated.

^Several

implementational

schemes for error

handling,

data

management,

^command

language interpreter,

^overall

pack¬

age

design

^{et cetera are}

presented

^to validate the

suitability

^of

Ada for this task.

CACSD is a multifaceted field and therefore this thesis in¬

volves issues from a

large

^{number of fields}

including

^control

theory,

^software

engineering, computer graphics

^{and formal lan¬}

guage

theory.

^{Since most} readers will be

specialists

ⁱⁿ

only

^some

of these _areas, the

background

^{needed for}

understanding

^each

section is to a certain extent

provided

^and

ample

^{references to}

relative literature is also

given. However,

^a

working knowledge

of basic control

theory

^{and some structured}

programming

^lan¬

guage is assumed.

Zusammenfassung

Diese Dissertation behandelt verschiedene

Aspekte

^{des CACSD}

(Computer-Aided

^Control

^{System Design}

^{oder Rechner-}

unterstiitzter

Regelungsentwurf)

^{sowohl aus der Sicht der}

^Rege- lungstechnik

^{als auch von der Seite der Informatik} und des Soft¬

ware

Engineering.

^Die

Schwerpunkte

der Dissertation

liegen

im Entwurf von flexiblen Beniitzerschnittstellen ^zu interaktiven

CACSD-Programmen,

^{in der}

Erstellung

^einer

Gruppe

^der

Rege- lungstechnik angepassten Datenstrukturen,

und bei der Proble- matik des

Software-Engineering

^{in der}

Implementation

grosserer CACSD-Pakete.

Fur einen

erfolgreichen

Einsatz eines CACSD Paketes bei seinem Beniitzer ist die

Unterstutzung

^{einer an} die Bediirfnisse der

Regelungstechniker angepassten

Beniitzerschnittstelle von

ausserordentlicher

Bedeutung.

Insbesondere muss diese Beniit¬

zerschnittstelle erweiterbar

sein,

^{so dass das Paket uber die Be-}

handlung

^von

Standardprobleme

hinaus einsetzbar bleibt. In der

vorliegenden

Arbeit werden verschiedenste Ansatze zum Ent¬

wurf solcher Beniitzerschnittstellen diskutiert und eine vollstan-

dige, algorithmisch erweiterbare, kommandosprachgesteuerte

^Be¬

niitzerschnittstelle

vorgestellt.

^Diese Schnittstelle wurde im Rah-

men dieser

Forschungsarbeit

^{auch im} CACSD-Paket IMPACT

implementiert.

^Zur

Veranschaulichung

des Stoffes werden samt- liche Teile der Dissertation durch

Beispiele

^von IMPACT illu- striert.

Eine selbstverstandliche

Anforderung

^an alle CACSD-Pakete

ist,

dass sie die

numerischen, symbolischen und/oder ^logischen Daten,

^die der Beniitzer wahrend der Entwurfsarbeit

braucht,

auch

abspeichern,

verarbeiten und

geeignet

darstellen konnen.

Leider ist diese

Grundanforderung

nicht einmal in den heuti- gen kommerziell

erfolgreichsten

Paketen erfullt. In dieser Arbeit

xiii

wird deshalb die Problematik der

Unterstutzung

hinreichender aber immer noch iiberschaubarer Datenstrukturen

vorgestellt

und diskutiert. Eine

kompakte,

"uberladene"

(overloaded)

^aber

immer noch

eindeutige algorithmische Notation,

^{mit der die}

Ausdriickbarkeit der

Eingabe gesteigert

^werden

kann,

^{wird vor¬}

gestellt.

Trotz alien wohlbekannten Theorien des strukturierten Pro-

grammierens

^{und des}

Software-Engineering, gibt

^{es nur}

wenige

Ausnahmen zur

allgemeinen Tradition,

alle wissenschaftlichen

Programme

^{in FORTRAN zu}

implementieren.

^{Dies war}

bisher,

mindestens

teilweise,

^auf

mangelnde

Alternativen zuriickzufuh-

ren. In dieser Arbeit werden die

Einsatzmoglichkeiten

^{der Pro-}

grammiersprache

Ada fur die

Implementation

grossererinterak- tiver

Programme

^im

allgemeinen,

^{und CACSD im besonderen}

behandelt. Mehrere

Implementationsbeispiele

^{auf den Gebi-}

eten der

Fehlerbehandlung,

^der

Datenverwaltung,

des Komman-

dosprachinterpreters,

^des

globalen

Software-Entwurfs

etc.,

^wer¬

den

vorgestellt,

^{um die}

vielseitigen Einsatzmoglichkeiten

^von

Ada in CACSD ^zu illustrieren.

Wegen

^der

vielschichtigen

^{Probleme auf dem Gebiet der}

CACSD werden in dieser Dissertation Themen von einem sehr breiten

Spektrum

^der

Ingenieurwissenschaften behandelt,

^ins-

besondere aber Themen der

Regelungstechnik,

des Software-

Engineering,

^{der formalen}

Sprachtheorie,

^der

Rechnergraphik

wie auch andere

Aspekte

^der Informatik. Da die meisten Leser dieser Arbeit nur in einem _paar dieser Gebiete

spezialisiert sind,

wird in

jedem

Abschnitt eine einfuhrende Uebersicht

gegeben,

mit ausreichenden Hinweisen auf weitere Literaturstellen. Es werden

jedoch einige

Basiskenntnisse der

Regelungstechnik

^und

des strukturierten

Programmierens vorausgesetzt.