第4章-1鲁棒性分析
鲁棒分析 TMP-RA
鲁棒分析Robustness Analysis 编号：TMP- RA版本 1.0变更记录1．引言鲁棒性分析（Robustness Analysis）引导我们从用例转换为支持用例的模型。
鲁棒性分析的输入：用例这个用例的用例场景这个用例的活动图（如果可以用到）域模型（domain model）鲁棒性分析的输出：通过UML序列图和一些设计组件：边界、控制、实体，我们得出设计模型。
2.序列图2.1用户时序图2.2鲁棒分析2.2.1基本事件流1)用户向系统发出“个人信息查看”请求。
2)系统向用户弹出是否修改界面。
3)用户做出选择后，显示相应界面。
选择修改则进入修改个人信息页面，并按照相应的规则确认用户输入的信息是否合法；选择不修改，则返回原有个人信息页面。
4)若3）中选择修改按钮，则需要用户修改个人信息，包括用户名、性别、邮箱，联系电话。
5)系统将对4）中用户输入的个人信息进行确认，是否有不合法的信息。
6)信息输入合法，系统将用户输入的个人信息进行保存。
2.2.2扩展事件流5）a如果输入的用户名、性别、邮箱，联系电话有误，则提示用户重新输入上述信息。
5）a1用户选择取消，则结束用例，对用户修改的个人信息不做保存。
5）a2用户修改用户名、性别、邮箱，联系电话，转到5）。
2.2.3绘制边界对象首先，我们可以将参与者和边界对象绘制出来。
如图2-2-3-12.2.4逐渐引入控制对象及实体对象我们根据事件流中的步骤5，以及扩展路径的描述，就可以在原图上增加相应的控制对象，得到进一步的鲁棒分析图。
如图2-2-4-1。
软件工程与软件鲁棒性评估
需求分类
需求验证
对需求进行分类，便于管理和 分析
验证需求是否满足用户期望和 系统功能
需求文档编写
用户需求规格说明书
详细描述用户需求的规格和要求
系统需求规格说明书
定义系统功能和性能等具体要求
总结
软件需求分析是软件工程中至关重要的一环，通过 合理的需求获取、分析和文档编写，可以确保软件 项目顺利进行并最终成功交付。在实际项目中，需 求分析通常是一个反复迭代的过程，需要和相关利 益相关者充分沟通和确认，以避免后期的问题和风
重要手段，需要在软件开发过程中严格遵守。
● 05
第五章 软件测试
软件测试概述
软件测试是验证软件是否符合需求和预期性 能的过程。在软件开发过程中，测试是一个 至关重要的环节，能够帮助发现和修复软件 中的缺陷，提高软件的质量和可靠性。通过 不断的测试，可以提高软件的稳定性和用户
满意度。
测试类型
单元测试
含义
单元测试
测试框架
使用JUnit、 Mockito等框架进
行单元测试
Mock对象
覆盖率
用于模拟依赖对象， 解决单元测试过程
中的依赖问题
衡量测试用例覆盖 代码的百分比，提
高代码质量
软件设计与编码总结
设计模式应用
根据实际需求选择 适合的设计模式
单元测试重要性
编码规范遵循
单元测试是保证软 件质量的关键步骤
严格遵守编码规范， 提高代码质量和可
读性
持续优化改进
不断优化设计和编 码，提高软件的性
能和可维护性
软件设计与编码的重要性
软件设计与编码是软件工程中至关重要的环节，良 好的设计可以提高软件的可维护性和可扩展性，规 范的编码可以减少bug产生，提高软件质量。设计 模式、编码规范和单元测试是保证软件工程质量的
实战OO：鲁棒分析
实战OO：鲁棒分析徐锋/ 文引言曾经有人指出结构化分析技术存在一个致命的弱点，其在分析模型和系统的设计模型之间，存在着一个本质性的断层。
这个断层导致系统构想与实现在设计时产生了分离。
而在面向对象系统中，是否也存在这个现象呢？从理论上说，OO技术是可以将系统中几乎独立的各个方面链接成一个语义上的整体。
但在许多OO的实践中，却也感受到了这种分析与设计的鸿沟，当完成了用例建模之后，要开始绘制顺序图或协作图，至而演化成为设计类图，总是感到有些力不从心。
其实存在着一个方法，它可以有效地填补这个鸿沟，那就是Ivar Jacobson在1991年引入的OO世界的Robustness分析，中文译做鲁棒分析、健壮性分析。
虽然“Robustness 分析”这一名字中带有分析一词，但准确地说它有着很多与设计类似的工作，只是它并不能够算是正式的设计，因此被归到分析阶段中。
也许是由于简单易用，也许是由于它通常不被文档化保存，只是绘制成草图的形式，现在在RUP中、在很多OO技术书籍中，好像越来越少看到它的出现。
但是希望这一切不要让你与这个强大的工具擦肩而过，学会它吧，它将成为你强大的秘密武器。
什么是鲁棒分析在和大家一起运用鲁棒分析技术继续完成我们的任务之前，还是一起来了解一下什么是鲁棒分析？有了一些基本的概念和认识，才能够有效地应用它。
1 鲁棒性分析的作用鲁棒性分析具体来说有什么用呢？它是如何帮助大家跨越分析与设计之间的鸿沟呢？在OO分析与设计中，它能够完成以下几个关键任务：1）正确性检查：鲁棒分析将通过比顺序图更简单、更有效的图形来描绘用例中的传递过程，从而确保用例是正确的，而且没有指定对于特定对象来说不合理、不可能的系统行为。
而且，熟练掌握鲁棒分析，甚至可以成为编写用例描述时结合使用的一种有效方法。
2）完整性检查：通过鲁棒分析，你可以很容易地找到用例描述中所有必须的扩展路径。
3）持续发现对象：在做鲁棒分析时，你将开始思考具体的细节，从而很容易发现在域建模时遗失的对象，而这些对象在绘制顺序图时不容易被重新找到，而只会让你感觉根本无法绘制出相应的顺序图。
反馈控制系统课程设计
反馈控制系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解反馈控制系统的基本概念，掌握其工作原理和数学模型；2. 使学生掌握反馈控制系统稳定性、准确性和鲁棒性的分析方法；3. 帮助学生了解反馈控制系统在实际工程中的应用。
技能目标：1. 培养学生运用数学工具分析和解决反馈控制系统中问题的能力；2. 培养学生设计简单反馈控制系统的能力，提高其动手实践能力；3. 提高学生利用现代信息技术查找资料、自主学习的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对待科学技术的正确态度，提高其创新意识和团队合作精神；2. 激发学生对自动化领域的兴趣，引导其关注我国自动化技术的发展；3. 培养学生具备良好的工程伦理素养，使其在未来的工作中能够遵循职业道德，为社会做出贡献。
课程性质分析：本课程为自动化专业核心课程，旨在帮助学生建立反馈控制系统的基本理论体系，为后续专业课程打下坚实基础。
学生特点分析：学生具备一定的数学基础和电路基础知识，对自动化领域有一定的了解，但缺乏实际工程经验。
教学要求：1. 注重理论联系实际，提高学生的实际应用能力；2. 鼓励学生积极参与课堂讨论，培养其独立思考能力；3. 结合现代教育技术，提高课堂教学效果。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 反馈控制系统基本概念：介绍反馈控制系统的定义、分类及基本组成部分，分析开环控制系统与闭环控制系统的区别与联系。
2. 反馈控制系统的数学模型：讲解线性系统、非线性系统及离散时间系统的数学模型，分析不同模型的适用场合。
3. 反馈控制系统的性能分析：探讨稳定性、准确性和鲁棒性等性能指标，介绍相应的分析方法。
4. 反馈控制器设计：介绍PID控制器、状态反馈控制器、观测器设计等常见控制器的设计方法，分析各自优缺点。
5. 反馈控制系统的应用：结合实际案例，讲解反馈控制系统在工业、交通、生物医学等领域的应用。
6. 反馈控制系统仿真与实验：介绍MATLAB/Simulink等仿真软件在反馈控制系统中的应用，组织学生进行相关实验，提高实际操作能力。
鲁棒性
y
闭环传递函数为
G ( s, r ) GCL ( s, r ) 1 kG( s, r )
Gcl(s)的分母为 D( s, r ) kN ( s)
例：
s 3 2s 2 2s 1 G ( s, r ) 4 s r3 s 3 r2 s 2 r1 s 1
r1 4， 5, r2 [3,4], r3 [2,3]
Kharitonov定理
具有不确定参数的系统
假设系统的特征多项式为
f ( s) an s n an1s n1 a1s a0 (1)
其系数满足
ai ai ai , i 0,1,, n,0 [ai , ai ]
我们称(1)为区间多项式，为了判定系统的稳定性，应该 研究所有可能的参数组合，这是个无穷检验问题。 前苏联数学家 Kharitonov于1978年给出了关于判断区 间多项式族鲁棒稳定性的四多项式定理，为研究参数不 确定系统的鲁棒性分析奠定了基础。
R
闭环系统鲁棒稳定性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ析
加性不确定性 考虑下图所示系统
(s) G
u k K(s) G(s) y
其中(s)为任意稳定的真有理分式且满足||(s)||1
定理：上图所示的闭环系统对任意的(s)均稳定当且 仅当
K (s)( I G(s) K ( s)) 1
1
闭环系统鲁棒稳定性分析
其中
P0 ( j ) K ( j ) 1 P0 ( j ) K ( j ) 分别为开环和闭环频率特性的标称函数，简单的推导 GK 0 ( j ) P0 ( j ) K ( j ), GB 0
可得
而传递函数
GB ( j ) 1 GK ( j ) GB ( j ) 1 P0 ( j ) K ( j ) GK ( j ) S (s) 1 1 P0 ( s ) K ( s )
4-SISO系统鲁棒性分析-part1-灵敏度2017
被控对象 P(s)
S
T P
=1
被控对象 P(s)
SPT
=1 1+ PC
被控对象 P= (s) SPT
= 1 , G 1+ GH
PC
反馈环节 H= (s) SHT
= −GH , G 1+ GH
PC
3.1 SISO反馈系统的灵敏度
控制与仿真中心
灵敏度计算实例 R(s)
—
例：天线的灵敏度函数。
C(s) H (s)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ问题1
本节重点
如何求取SISO系统 灵敏度函数？
问题2
问题3
系统灵敏度的定义？
系统灵敏度的含义？
3.1 SISO反馈系统的灵敏度
控制与仿真中心
3.1.1 灵敏度定义 问题：
由于被控对象的变化而引起 的系统输出的变化有多大？
3.1 SISO反馈系统的灵敏度
控制与仿真中心
闭环系统的输出变化
闭环系统：
1 系统灵敏度 22 反馈系统的内部稳定性
3 鲁棒稳定性判据 4 鲁棒性能
控制与仿真中心
内容回顾
系统中的存在不确定性
R(s)
—
C(s)
( P0 , ∆P )
D(s) + Y (s)
频域模型的不确定性表示方法： 加性不确定性 乘性不确定性
被控对象模型的不确定性对系统输出带来多大变化？
控制与仿真中心
Y (s)
H (s)
当GH很大时，灵敏度约为-1，则H(s) 的变化将直接 影响输出响应。因此，保持反馈部分不因环境的改变而 改变，或者说保持反馈增益为常数，是非常重要的。
3.1 SISO反馈系统的灵敏度
生了现代鲁棒控制。鲁棒控制理论发...
Classified Index: TP273U.D.C: 681.513.3Thesis for the Master Degree in EngineeringRESEARCHES ON ROBUST CONTROL AND APPLICATION OF NON-MINIMUM PHASESYSTEMSWenjun Candidate: Fan Supervisor: Associate Prof. Ma JieAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpeciality: Control Science and Engineering Affiliation: Control and Simulation CenterDate of Defence: June, 2009Degree Conferring Institution: Harbin Institute of Technology摘 要本文以磁悬浮球和一级倒立摆两个典型的非最小相位系统为研究对象，对只有一个不稳定极点的非最小相位系统采用混合灵敏度设计，对同时具有不稳定零、极点的非最小相位系统采用复合控制，并分别在磁悬浮球系统和一级倒立摆系统中实现。
首先，分别建立磁悬浮球系统和一级倒立摆系统的数学模型，并将非线性模型线性化，分别分析系统的能控性以及系统中包含的不确定性因素。
其次，研究了灵敏度设计中的鲁棒性、加权函数选择原则、优化指标等问题，针对只有不稳定极点的磁悬浮球系统，先运用PV控制将其稳定，测试系统对象特性，得到名义对象和不确定性界后再运用混合灵敏度设计，通过转化成H∞标准问题求解控制器。
然后，针对同时具有不稳定零、极点的非最小相位系统，研究输出反馈鲁棒性设计的极限，并采用复合控制方案，以倒立摆系统为例，先用经典控制稳定摆角回路，再对位置回路进行H∞输出反馈控制设计。
《现代控制理论基础》讲义教案第4章.docx
III、综合部分第四早线性多变量系统的综合与设计4.1引言前面我们介绍的内容都属于系统的描述与分析。
系统的描述主要解决系统的建模、各种数学模型（时域、频域、内部、外部描述）Z间的相互转换等；系统的分析，则主要研究系统的定量变化规律（如状态方程的解，即系统的运动分析等）和定性行为（如能控性、能观测性、稳定性等）。
而综合与设计问题则与此相反，即在己知系统结构和参数（被控系统数学模型）的基础上，寻求控制规律，以使系统具有某种期望的性能。
一般说来，这种控制规律常取反馈形式，因为无论是在抗干扰性或鲁棒性能方面，反馈闭环系统的性能都远优于非反馈或开环系统。
在本章中，我们将以状态空间描述和状态空间方法为基础，仍然在吋域中讨论线性反馈控制规律的综合与设计方法。
4. 1. 1问题的提法给定系统的状态空间描述若再给定系统的某个期望的性能指标，它既可以是时域或频域的某种特征量（如超调量、过渡过程时间、极、零点），也可以是使某个性能函数取极小或极大。
此时，综合问题就是寻求一个控制作用u,使得在该控制作用下系统满足所给定的期望性能指标。
对于线性状态反馈控制律u = -Kx + r对于线性输岀反馈控制律u = -Ffy + r其中r e R'为参考输入向量。
由此构成的闭环反馈系统分别为x - {A- BK）x+ Br y-Cx或x = {A-BHC）x+Br y = Cx闭坏反馈系统的系统矩阵分别为九=A — BKA H=A-BHC即工K = (A—BK,B,C)或工〃=(A—BHC,B,C)°闭环传递函数矩阵G K⑶=C '[si-(A-BK)Y] BG H G) = C_,[si-(A-BHOf B我们在这里将着重指出，作为综合问题，将必须考虑三个方面的因素，即1)抗外部干扰问题；2)抗内部结构与参数的摄动问题，即鲁棒性(Robustness)问题；3)控制规律的工程实现问题。
一般说来，综合和设计是两个有区别的概念。
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第3c步——确定实体组件 步 确定实体组件
活动：2.预约代理选择“新建预约”
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在活动图里分析所有动作
活动：3.预约代理输入查询标准
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在活动图里分析所有动作
活动：4.预约代理点击“查询”按钮
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分析与设计的差异
分析能够帮助你对系统必须支持的业务过程（业务流程） 进行建模： 用例 域模型 设计能够帮助你对系统是怎样支持业务进程进行建模。 设计模型包括： 边界（用户界面）组件 服务组件 实体组件
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鲁棒性分析过程描述
1.选择一个用例 2.构造一个满足用例活动性的协作图。 a.识别支持用例活动的设计组件。 b.画出这些组件间的关联 c.用信息标记这些关联 3.从另一个角度，把协作图转换成序列图（可选的）。
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利用序列图弄清设计模型
1.按照对第一次动作反映的时间顺序将合作者安排在序 列图的顶部。 2.在第一次活动中为每一个消息添加信息链（message link）和活动条（activation bars）. 3.对于每一个活动都重复第2步操作，直至转换完成为 止。
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第1步——为第一个活动安排组件 步 为第一个活动安排组件
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第2步——添加消息连接和活动条 步 添加消息连接和活动条
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每一个活动重复第2步 第3步——每一个活动重复第 步 步 每一个活动重复第
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第2步——在图中放置参与者 步 在图中放置参与者
把参与者放到协作图中：
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第3a步——确定边界组件 步 确定边界组件
活动：2.预约代理选择“新建预约”
用鲁棒性分析创建 设计模型
目标
本章学习目标:
能够解释一个鲁棒性分析以及相应设计模型的 目的及元素。 能够识别UML协作图的基本元素。 利用鲁棒性分析为一个用例创建一个设计模型。 能够识别UML序列图的基本元素。 生成一个设计模式的序列图视图。
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谢 谢！
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把协作图转换成序列图
为了给鲁棒性分析提供另外一个视角，你可以把协作图 转换成序列图。这个图对开发者而言将更为有用。 下一个部分将描述UML序列图。
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序列图元素
调整控制流 在工作流中隔离所有从边界组件到实体组件的更改。
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实体组件
“一个实体类（组件）通常用来模拟那些长期存在并且具 用持久性的信息。”（Jacobson，Booch，和Rumbaugh 第 184页）。
实体通常与域对象通信。（Entities usually correspond to domain objects ） 大多数实体是具有持久性的。 实体可以有非常复杂的行为。
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边界组件
“一个边界类（或者边界组件）用于针对系统和参与者 （用户或者外部系统）之间交互建模。”（Jacobson， Booch，和Rumbaugh 第183页）。
ResvUI BookingAgent
抽取用户界面、传感器(sensors) 、通信接口等。 高层（High-level）用户接口组件。 每一个边界组件必须至少与一个参与者关联起来。
Hale Waihona Puke 中国软件行业协会教育与培训委员会
第1步——选择一个用例 步 选择一个用例
选择一个用例：创建预约 1.顾客联系预约代理 2.预约代理选择“新建预约”图标 3.预约代理输入查询标准 3.1预约代理输入入住和退宿日期 3.2预约代理输入房间类型 4.预约代理点击“查询”按钮 ………… 11预约代理输入顾客姓名 12.预约代理点击“查询”按钮 13.如果没有找到匹配的顾客： 13.1预约代理输入地址信息 13.2预约代理输入电话信息 13.3预约代理点击“增加新顾客” 14.否则 14.1系统显示匹配信息列表 14.2预约代理选择所要查找的顾客 14.3系统跳转到顾客信息界面 ………… 21.系统保存预约并显示预约编号 22.预约代理点击“确定”
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第3a步——确定边界组件 步 确定边界组件
活动：2.预约代理选择“新建预约”
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第3b步——确定服务组件 步 确定服务组件
活动：2.预约代理选择“新建预约”
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流程图
架构模型 需求模型 项目干系人 脑海中的模型 设计模型 解决方案 模型 编码
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流程图
用例表
使用鲁棒性分析为用例创 建一个设计模型
TCP Client Server
通过合并设计和架构模型 来创建解决方案模型
精化域模型来满足解决方案 模型
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服务组件
（“控制（服务）类（组件）扮演协调、序列化、事务 以及控制另外的对象的角色，而且他们经常被用来封装 与某个特定用例的控制。”Jacobson，Booch，和 Rumbaugh 第185页）。
ResvUI BookingAgent
ResvService
鲁棒性分析
鲁棒性分析是这样一个过程，它引导我们从用例转换为 支持用例的模型：
需求模型 设计模型
用例模型 SRS
域模型
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鲁棒性分析
鲁棒性分析的输入： 一个用例 这个用例的用例场景 这个用例的活动图（如果可以用到） 域模型（domain model） 鲁棒性分析的输出： 通过一个UML序列图和一些设计组件：边界、服务、 实体组件，我们得出设计模型。
应用设计模式到域模型和 解决方案模型中
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使用状态图确定并建立复杂 对象状态的模型
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设计模型简介
设计模型是根据需求模型（用例和域模型）来创建的。 设计模型与架构模型结合产生出解决方案模型。
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每一个活动重复第2步 第3步——每一个活动重复第 步 步 每一个活动重复第
中国软件行业协会教育与培训委员会
总结
鲁棒性分析创建了一个满足用例的设计组件模型。它被 称为设计模型。 我们用UML的协作图来可视化设计模型。 为了提供用例协作的另外一种视角,我们通常把设计模型 转换成序列图。
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鲁棒性分析演示
1.选择一个适当的用例。 2.把一个参与者放到协作图里面。 3.分析这个用例（活动图）。 对于用例的每一个动作： a.确定并增加边界组件 b.确定并增加服务组件 c.确定并增加实体组件 d.画出这些组件间的关联 e.把每个组件都贴上用来满足用例交互的动作标签
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协作图元素
UML协作图元素如下：
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协作图元素
先前协作图变更为：
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协作图元素
消息箭头可以指示： 一个方法调用 远程方法请求 一个异步信息 序列标签指示： 消息的顺序 即将调用的信息的活动 多对象（Multi-objects ）代表了一个相关对象的集合。