Modellbaserad design

Modellbaserad design ( MBD ) är en matematisk och visuell metod för att ta itu med problem i samband med att designa komplexa styr-, signalbehandlings- och kommunikationssystem. Den används i många för rörelsekontroll , industriell utrustning, flyg- och fordonsindustrin. Modellbaserad design är en metod som används för att designa inbäddad programvara.

Översikt

Modellbaserad design ger ett effektivt tillvägagångssätt för att etablera ett gemensamt ramverk för kommunikation genom hela designprocessen samtidigt som det stödjer utvecklingscykeln ( V-modell) . I modellbaserad design av styrsystem manifesteras utvecklingen i dessa fyra steg:

modellera en växt ,
analysera och syntetisera en styrenhet för anläggningen,
simulera anläggningen och styrenheten,
integrera alla dessa faser genom att distribuera styrenheten.

Den modellbaserade designen skiljer sig väsentligt från traditionell designmetodik. Istället för att använda komplexa strukturer och omfattande programvarukod, kan designers använda modellbaserad design för att definiera anläggningsmodeller med avancerade funktionella egenskaper med hjälp av kontinuerliga tids- och tidsdiskreta byggstenar. Dessa byggda modeller som används med simuleringsverktyg kan leda till snabb prototypframställning, mjukvarutestning och verifiering. Inte bara är test- och verifieringsprocessen förbättrad, utan också, i vissa fall, kan hårdvara-i-loop-simulering användas med det nya designparadigmet för att utföra testning av dynamiska effekter på systemet snabbare och mycket mer effektivt än med traditionell designmetod.

Historia

Redan på 1920-talet möttes två aspekter av ingenjörskonst, styrteori och styrsystem, för att göra storskaliga integrerade system möjliga. Under den tidiga tiden användes kontrollsystem ofta i industriell miljö. Stora processanläggningar började använda processregulatorer för att reglera kontinuerliga variabler som temperatur, tryck och flödeshastighet. Elektriska reläer inbyggda i stegliknande nätverk var en av de första diskreta styrenheterna för att automatisera en hel tillverkningsprocess.

Styrsystemen tog fart, främst inom fordons- och flygsektorn. På 1950- och 1960-talen skapade skjuts till rymden intresse för inbyggda styrsystem. Ingenjörer konstruerade styrsystem som motorstyrenheter och flygsimulatorer, som kunde vara en del av slutprodukten. I slutet av 1900-talet var inbyggda kontrollsystem överallt, eftersom även stora hushållsapparater som tvättmaskiner och luftkonditioneringsapparater innehöll komplexa och avancerade kontrollalgoritmer, vilket gjorde dem mycket mer "intelligenta".

1969 introducerades de första datorbaserade kontrollerna. Dessa tidiga programmerbara logiska styrenheter (PLC) efterliknade driften av redan tillgängliga diskreta styrtekniker som använde de föråldrade relästegen. Tillkomsten av PC-teknik medförde en drastisk förändring av processen och marknaden för diskret kontroll. En dator från hyllan laddad med adekvat hårdvara och mjukvara kan köra en hel processenhet och exekvera komplexa och etablerade PID-algoritmer eller fungera som ett distribuerat styrsystem (DCS).

Steg

Huvudstegen i modellbaserad designstrategi är:

Anläggningsmodellering. Anläggningsmodellering kan vara datadriven eller baserad på första principer . Datadriven anläggningsmodellering använder tekniker som systemidentifiering . Med systemidentifiering identifieras anläggningsmodellen genom att inhämta och bearbeta rådata från ett verkligt system och välja en matematisk algoritm för att identifiera en matematisk modell. Olika typer av analyser och simuleringar kan utföras med den identifierade modellen innan den används för att designa en modellbaserad styrenhet. Första principsbaserad modellering är baserad på att skapa en blockdiagrammodell som implementerar kända differential-algebraiska ekvationer som styr anläggningens dynamik. En typ av förstaprincipbaserad modellering är fysisk modellering, där en modell består av sammankopplade block som representerar de fysiska delarna av den faktiska anläggningen.
Controlleranalys och syntes. Den matematiska modellen som skapades i steg 1 används för att identifiera dynamiska egenskaper hos växtmodellen. En styrenhet kan sedan syntetiseras baserat på dessa egenskaper.
Offlinesimulering och realtidssimulering . _ Det dynamiska systemets tidsrespons på komplexa, tidsvarierande indata undersöks. Detta görs genom att simulera en enkel LTI-modell (Linear Time-Invariant) eller genom att simulera en icke-linjär modell av anläggningen med regulatorn. Simulering gör att specifikationer, krav och modelleringsfel kan hittas omedelbart, snarare än senare i designarbetet. Realtidssimulering kan göras genom att automatiskt generera kod för styrenheten utvecklad i steg 2. Denna kod kan distribueras till en speciell realtidsprototypdator som kan köra koden och styra driften av anläggningen. Om en anläggningsprototyp inte är tillgänglig, eller om testning av prototypen är farlig eller dyr, kan kod automatiskt genereras från anläggningsmodellen. Denna kod kan distribueras till den speciella realtidsdatorn som kan anslutas till målprocessorn med körande kontrollkod. Således kan en styrenhet testas i realtid mot en realtidsanläggningsmodell.
Spridning. Helst görs detta via kodgenerering från styrenheten som utvecklades i steg 2. Det är osannolikt att styrenheten kommer att fungera på det faktiska systemet så bra som den gjorde i simulering, så en iterativ felsökningsprocess utförs genom att analysera resultaten på det faktiska målet och uppdatering av kontrollmodellen. Modellbaserade designverktyg gör att alla dessa iterativa steg kan utföras i en enhetlig visuell miljö.

Nackdelar

Nackdelarna med modellbaserad design är ganska väl förstått så här sent i utvecklingslivscykeln för produkten och utvecklingen.

En stor nackdel är att tillvägagångssättet är ett generellt tillvägagångssätt för inbyggd standard och systemutveckling. Ofta kan tiden det tar att porta mellan processorer och ekosystem uppväga det tidsmässiga värdet det erbjuder i de enklare labbbaserade implementeringarna.

Mycket av kompileringsverktygskedjan är sluten källkod, och benägen för staketpostfel, och andra sådana vanliga kompileringsfel som lätt kan korrigeras i traditionell systemteknik.

Design och återanvändningsmönster kan leda till implementeringar av modeller som inte är väl lämpade för den uppgiften. Som att implementera en styrenhet för en produktionsanläggning för transportband som använder en termisk sensor, hastighetssensor och strömsensor. Den modellen är i allmänhet inte väl lämpad för omimplementering i en motorstyrenhet etc. Även om det är väldigt lätt att porta över en sådan modell och introducera alla mjukvarufel i den.

Även om modellbaserad design har förmågan att simulera testscenarier och tolka simuleringar väl, är den ofta inte lämplig i verkliga produktionsmiljöer. Övertilltro till en given verktygskedja kan leda till betydande omarbetning och eventuellt äventyra hela tekniska tillvägagångssätt. Även om det är lämpligt för bänkarbete, bör valet att använda detta för ett produktionssystem göras mycket noggrant.

Fördelar

Några av fördelarna med modellbaserad design i jämförelse med den traditionella metoden är:

Modellbaserad design ger en gemensam designmiljö, som underlättar allmän kommunikation, dataanalys och systemverifiering mellan olika (utvecklings)grupper.
Ingenjörer kan lokalisera och korrigera fel tidigt i systemdesignen, när tiden och den ekonomiska effekten av systemändringar minimeras.
Designåteranvändning, för uppgraderingar och för derivatsystem med utökade möjligheter, underlättas.

På grund av grafiska verktygs begränsningar förlitade sig designingenjörer tidigare mycket på textbaserad programmering och matematiska modeller. Det var dock tidskrävande att utveckla dessa modeller och mycket risk för fel. Dessutom är felsökning av textbaserade program en tråkig process, som kräver mycket försök och fel innan en slutgiltig felfri modell kan skapas, särskilt eftersom matematiska modeller genomgår osynliga förändringar under översättningen genom de olika designstadierna.

Grafiska modelleringsverktyg syftar till att förbättra dessa aspekter av design. Dessa verktyg tillhandahåller en mycket generisk och enhetlig grafisk modelleringsmiljö, och de minskar komplexiteten i modelldesigner genom att dela upp dem i hierarkier av individuella designblock. Designers kan således uppnå flera nivåer av modelltrohet genom att helt enkelt ersätta ett blockelement med ett annat. Grafiska modeller hjälper också ingenjörer att konceptualisera hela systemet och förenkla processen att transportera modellen från ett steg till ett annat i designprocessen. Boeings simulator EASY5 var bland de första modelleringsverktygen som försågs med ett grafiskt användargränssnitt, tillsammans med AMESim , en flerdomän, flernivåplattform baserad på Bond Graph-teorin. Detta följdes snart av verktyg som 20-sim och Dymola , som gjorde det möjligt för modeller att vara sammansatta av fysiska komponenter som massor, fjädrar, motstånd, etc. Dessa följdes senare av många andra moderna verktyg som Simulink och LabVIEW .

Se även