Modellbasert design - Model-based design

Modellbasert design av programvare skal ikke forveksles med modellbasert definisjon av fysiske objekter.

Modellbasert design ( MBD ) er en matematisk og visuell metode for å løse problemer forbundet med å designe komplekse kontroll-, signalbehandlings- og kommunikasjonssystemer. Den brukes i mange bevegelseskontroll- , industriutstyr, romfarts- og bilapplikasjoner. Modellbasert design er en metodikk som brukes i utformingen av innebygd programvare.

Oversikt

Modellbasert design gir en effektiv tilnærming for å etablere et felles rammeverk for kommunikasjon gjennom designprosessen samtidig som den støtter utviklingssyklusen ( V-modellen ). I modellbasert design av kontrollsystemer manifesterer utviklingen seg i disse fire trinnene:

  1. modellere en plante ,
  2. analysere og syntetisere en kontroller for anlegget,
  3. simulere anlegget og kontrolleren,
  4. integrere alle disse fasene ved å distribuere kontrolleren.

Det modellbaserte designet er vesentlig forskjellig fra tradisjonell designmetodikk. I stedet for å bruke komplekse strukturer og omfattende programvarekode, kan designere bruke modellbasert design for å definere anleggsmodeller med avanserte funksjonelle egenskaper ved hjelp av byggestener med kontinuerlig tid og diskret tid. Disse bygde modellene som brukes med simuleringsverktøy kan føre til rask prototyping, programvaretesting og verifisering. Ikke bare blir test- og verifiseringsprosessen forbedret, men i noen tilfeller kan hardware-in-the-loop-simulering brukes med det nye designparadigmet for å utføre testing av dynamiske effekter på systemet raskere og mye mer effektivt enn med tradisjonell designmetodikk.

Historie

I begynnelsen av den elektriske tidsalderen kom mange innovative og avanserte kontrollsystemer. Så tidlig som på 1920-tallet konvergerte to aspekter ved konstruksjon, kontrollteori og kontrollsystemer for å gjøre integrerte systemer i stor skala mulig. I de tidlige dagene ble kontrollsystemer ofte brukt i det industrielle miljøet. Store prosessanlegg begynte å bruke prosesskontrollere for å regulere kontinuerlige variabler som temperatur, trykk og strømningshastighet. Elektriske releer innebygd i stige-lignende nettverk var en av de første diskrete kontrollenhetene som automatiserte en hel produksjonsprosess.

Kontrollsystemer tok fart, først og fremst innen bil- og romfartssektoren. På 1950- og 1960 -tallet skapte presset til verdensrommet interesse for innebygde kontrollsystemer. Ingeniører konstruerte kontrollsystemer som motorstyringsenheter og flysimulatorer, som kan være en del av sluttproduktet. På slutten av det tjuende århundre var innebygde kontrollsystemer allestedsnærværende, ettersom til og med hvitevarer som vaskemaskiner og klimaanlegg inneholdt komplekse og avanserte kontrollalgoritmer, noe som gjorde dem mye mer "intelligente".

I 1969 ble de første datamaskinbaserte kontrollerne introdusert. Disse tidlige programmerbare logikkontrollerne (PLC) etterlignet driften av allerede tilgjengelige diskrete kontrollteknologier som brukte de utdaterte reléstiger. Fremkomsten av PC -teknologi brakte et drastisk skifte i prosessen og diskret kontrollmarked. Et stasjonært skrivebord lastet med tilstrekkelig maskinvare og programvare kan kjøre en hel prosesseenhet og utføre komplekse og etablerte PID-algoritmer eller fungere som et distribuert kontrollsystem (DCS).

Trinn

De viktigste trinnene i modellbasert designtilnærming er:

  1. Plantemodellering. Anleggsmodellering kan være datadrevet eller basert på første prinsipper . Datadrevet anleggsmodellering bruker teknikker som systemidentifikasjon . Med systemidentifikasjon identifiseres anleggsmodellen ved å skaffe og behandle rådata fra et system i virkeligheten og velge en matematisk algoritme for å identifisere en matematisk modell. Ulike typer analyse og simuleringer kan utføres ved hjelp av den identifiserte modellen før den brukes til å designe en modellbasert kontroller. Første prinsipper basert modellering er basert på å lage en blokkdiagrammodell som implementerer kjente differensial-algebraiske ligninger som styrer plantedynamikk. En type første-prinsipper basert modellering er fysisk modellering, der en modell består av tilkoblede blokker som representerer de fysiske elementene i det faktiske anlegget.
  2. Kontrollanalyse og syntese. Den matematiske modellen som ble utformet i trinn 1, brukes til å identifisere dynamiske egenskaper ved plantemodellen. En kontroller kan deretter syntetiseres basert på disse egenskapene.
  3. Offline simulering og sanntid simulering . Tidsresponsen til det dynamiske systemet på komplekse, tidsvarierende innganger blir undersøkt. Dette gjøres ved å simulere en enkel LTI - modell ( Linear Time-Invariant ), eller ved å simulere en ikke-lineær modell av anlegget med kontrolleren. Simulering gjør det mulig å finne spesifikasjoner, krav og modelleringsfeil umiddelbart, i stedet for senere i designarbeidet. Sanntidsimulering kan utføres ved automatisk å generere kode for kontrolleren som ble utviklet i trinn 2. Denne koden kan distribueres til en spesiell prototypemaskin i sanntid som kan kjøre koden og kontrollere driften av anlegget. Hvis en anleggsprototype ikke er tilgjengelig, eller testing på prototypen er farlig eller dyrt, kan kode genereres automatisk fra anleggsmodellen. Denne koden kan distribueres til den spesielle sanntidsdatamaskinen som kan kobles til målprosessoren med kjørende kontrollerkode. Dermed kan en kontroller testes i sanntid mot en anleggsmodell i sanntid.
  4. Utplassering. Ideelt sett gjøres dette via kodegenerering fra kontrolleren som ble utviklet i trinn 2. Det er usannsynlig at kontrolleren vil fungere på selve systemet så vel som det gjorde i simulering, så en iterativ feilsøkingsprosess utføres ved å analysere resultater på det faktiske målet og oppdatering av kontrollermodellen. Modellbaserte designverktøy lar alle disse iterative trinnene utføres i et enhetlig visuelt miljø.

Ulemper

Ulempene med modellbasert design er ganske godt forstått så sent i utviklingslivssyklusen for produktet og utviklingen.

  • En stor ulempe er at tilnærmingen er et teppe eller en helhetlig tilnærming til standard innebygd og systemutvikling. Ofte kan tiden det tar å havne mellom prosessorer og økosystemer oppveie den tidsmessige verdien den gir i de enklere laboratoriebaserte implementeringene.
  • Mye av samleverktøykjeden er lukket kilde og utsatt for gjerdestolpfeil og andre slike vanlige kompileringsfeil som enkelt kan korrigeres i tradisjonell systemteknikk.
  • Design og gjenbruksmønstre kan føre til implementering av modeller som ikke er godt egnet til den oppgaven. Slik som å implementere en kontroller for et produksjonsanlegg for transportbånd som bruker en termisk sensor, hastighetssensor og strømsensor. Den modellen er generelt ikke godt egnet for re-implementering i en motorstyring osv. Selv om den er veldig enkel å portere en slik modell over, og introdusere alle programvarefeil der.


Mens modellbasert design har muligheten til å simulere testscenarier og tolke simuleringer godt, er det i virkelige produksjonsmiljøer ofte ikke egnet. Overavhengighet av en gitt verktøykjede kan føre til betydelige omarbeidelser og muligens kompromittere hele ingeniørtilnærminger. Selv om det er egnet for benkarbeid, bør valget om å bruke dette for et produksjonssystem gjøres veldig nøye.

Fordeler

Noen av fordelene modellbasert design tilbyr i forhold til den tradisjonelle tilnærmingen er:

  • Modellbasert design gir et felles designmiljø som muliggjør generell kommunikasjon, dataanalyse og systemverifisering mellom ulike (utviklings) grupper.
  • Ingeniører kan finne og rette feil tidlig i systemdesign, når tiden og den økonomiske virkningen av systemendring er minimert.
  • Design gjenbruk, for oppgraderinger og for avledede systemer med utvidede muligheter, er lettere.

På grunn av begrensningene i grafiske verktøy stolte designingeniører tidligere sterkt på tekstbasert programmering og matematiske modeller. Å utvikle disse modellene var imidlertid tidkrevende og svært utsatt for feil. I tillegg er feilsøking av tekstbaserte programmer en kjedelig prosess som krever mye prøving og feiling før en endelig feilfri modell kan opprettes, spesielt siden matematiske modeller gjennomgår usynlige endringer under oversettelsen gjennom de forskjellige designstadiene.

Grafiske modelleringsverktøy tar sikte på å forbedre disse aspektene ved design. Disse verktøyene gir et veldig generisk og enhetlig grafisk modelleringsmiljø, og de reduserer kompleksiteten til modeldesign ved å dele dem inn i hierarkier av individuelle designblokker. Designere kan dermed oppnå flere nivåer av modeltrohet ved ganske enkelt å erstatte ett blokkelement med et annet. Grafiske modeller hjelper også ingeniører med å konseptualisere hele systemet og forenkle prosessen med å transportere modellen fra et trinn til et annet i designprosessen. Boeings simulator EASY5 var blant de første modelleringsverktøyene som ble utstyrt med et grafisk brukergrensesnitt, sammen med AMESim , en plattform med flere domener og flere nivåer basert på Bond Graph-teorien. Dette ble snart fulgt av verktøy som 20-sim og Dymola , som tillot modeller å være sammensatt av fysiske komponenter som masser, fjærer, motstander, etc. Disse ble senere fulgt av mange andre moderne verktøy som Simulink og LabVIEW .

Se også

Referanser