Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Модельно-ориентированное проектирование программного обеспечения не следует путать с модельным определением физических объектов.

Модельно-ориентированное проектирование ( MBD ) - это математический и визуальный метод решения проблем, связанных с проектированием сложных систем управления [1], обработки сигналов [2] и связи. Он используется во многих системах управления движением , в промышленном оборудовании, в аэрокосмической и автомобильной промышленности. [3] [4] [5] Проектирование на основе моделей - это методология, применяемая при разработке встроенного программного обеспечения. [6] [7] [8]

Обзор [ править ]

Модельно-ориентированное проектирование обеспечивает эффективный подход к созданию общей структуры для взаимодействия на протяжении всего процесса проектирования, поддерживая цикл разработки ( V-модель ). При проектировании систем управления на основе моделей развитие проявляется в следующих четырех этапах:

  1. моделирование растения ,
  2. анализ и синтез контроллера для завода,
  3. моделирование установки и контроллера,
  4. интеграция всех этих этапов путем развертывания контроллера.

Дизайн на основе моделей значительно отличается от традиционной методологии проектирования. Вместо того, чтобы использовать сложные структуры и обширный программный код, дизайнеры могут использовать модельно-ориентированное проектирование для определения моделей предприятия с расширенными функциональными характеристиками с использованием строительных блоков с непрерывным и дискретным временем. Эти построенные модели, используемые с инструментами моделирования, могут привести к быстрому созданию прототипов, тестированию и проверке программного обеспечения. Не только улучшен процесс тестирования и проверки, но также, в некоторых случаях, моделирование аппаратного обеспечения в цикле может использоваться с новой парадигмой проектирования для выполнения тестирования динамических эффектов в системе быстрее и намного эффективнее, чем с традиционная методология проектирования.

История [ править ]

На заре электрического века появилось множество инновационных и передовых систем управления. Еще в 1920-х годах два аспекта инженерии, теория управления и системы управления, объединились, чтобы сделать возможными крупномасштабные интегрированные системы. В те первые дни системы управления широко использовались в промышленной среде. Крупные производственные предприятия начали использовать контроллеры процесса для регулирования непрерывных переменных, таких как температура, давление и скорость потока. Электрические реле, встроенные в лестничные сети, были одними из первых дискретных устройств управления, автоматизирующих весь производственный процесс.

Системы управления получили распространение, прежде всего, в автомобильной и аэрокосмической отраслях. В 1950-х и 1960-х годах стремление к космосу вызвало интерес к встроенным системам управления. Инженеры сконструировали системы управления, такие как блоки управления двигателями и имитаторы полета, которые могли стать частью конечного продукта. К концу двадцатого века встроенные системы управления стали повсеместными, поскольку даже бытовая техника, такая как стиральные машины и кондиционеры, содержала сложные и продвинутые алгоритмы управления, что делало их гораздо более «интеллектуальными».

В 1969 году были представлены первые компьютерные контроллеры. Эти ранние программируемые логические контроллеры (ПЛК) имитировали работу уже имеющихся технологий дискретного управления, в которых использовались устаревшие релейные схемы. Появление компьютерных технологий привело к резкому сдвигу на рынке процессов и дискретного управления. Стандартный рабочий стол, загруженный соответствующим оборудованием и программным обеспечением, может запускать весь процесс и выполнять сложные и установленные алгоритмы PID или работать как распределенная система управления (DCS).

Шаги [ править ]

Основными этапами модельно-ориентированного подхода к проектированию являются:

  1. Моделирование растений. Моделирование предприятия может быть основано на данных или на первых принципах . В моделировании предприятия на основе данных используются такие методы, как идентификация системы.. При идентификации системы модель предприятия идентифицируется путем сбора и обработки необработанных данных из реальной системы и выбора математического алгоритма для идентификации математической модели. Различные виды анализа и моделирования могут быть выполнены с использованием идентифицированной модели, прежде чем она будет использована для разработки контроллера на основе модели. Моделирование на основе первых принципов основано на создании модели блок-схемы, которая реализует известные дифференциально-алгебраические уравнения, управляющие динамикой объекта. Типом моделирования, основанного на первых принципах, является физическое моделирование, при котором модель состоит из связанных блоков, которые представляют физические элементы реальной установки.
  2. Анализ и синтез регуляторов . Математическая модель, задуманная на шаге 1, используется для определения динамических характеристик модели завода. Затем на основе этих характеристик можно синтезировать контроллер.
  3. Автономное моделирование и моделирование в реальном времени . Исследуется временная реакция динамической системы на сложные изменяющиеся во времени входные сигналы. Это делается путем моделирования простого LTI ( линейный инвариантный во времени) модели, или путем моделирования нелинейной модели объекта с помощью контроллера. Моделирование позволяет сразу найти спецификации, требования и ошибки моделирования, а не позже при проектировании. Моделирование в реальном времени может быть выполнено путем автоматической генерации кода для контроллера, разработанного на шаге 2. Этот код можно развернуть на специальном компьютере для прототипирования в реальном времени, который может запускать код и управлять работой установки. Если прототип завода недоступен или тестирование прототипа опасно или дорого, код может быть автоматически сгенерирован из модели завода. Этот код можно развернуть на специальном компьютере реального времени, который может быть подключен к целевому процессору с запущенным кодом контроллера. Таким образом, контроллер может быть протестирован в реальном времени на модели предприятия в реальном времени.
  4. Развертывание. В идеале это делается посредством генерации кода из контроллера, разработанного на шаге 2. Маловероятно, что контроллер будет работать в реальной системе так же хорошо, как в моделировании, поэтому итеративный процесс отладки выполняется путем анализа результатов на фактической цели. и обновление модели контроллера. Инструменты проектирования на основе моделей позволяют выполнять все эти итерационные шаги в единой визуальной среде.

Недостатки [ править ]

Недостатки проектирования на основе моделей достаточно хорошо понятны на этом позднем этапе жизненного цикла разработки продукта и разработки.

  • Одним из основных недостатков является то, что выбранный подход представляет собой общий или комплексный подход к разработке стандартных встроенных систем и систем. Часто время, необходимое для переноса между процессорами и экосистемами, может перевесить временную ценность, которую он предлагает в более простых реализациях на основе лаборатории.
  • Большая часть цепочки инструментов компиляции имеет закрытый исходный код и подвержена ошибкам публикации и другим таким распространенным ошибкам компиляции, которые легко исправляются в традиционной системной инженерии.
  • Шаблоны проектирования и повторного использования могут привести к реализации моделей, которые не подходят для этой задачи. Например, реализация контроллера для завода по производству конвейерной ленты, который использует термодатчик, датчик скорости и датчик тока. Эта модель, как правило, не очень хорошо подходит для повторной реализации в контроллере двигателя и т. Д. Хотя ее очень легко перенести на такую ​​модель и внести в нее все программные ошибки.


Хотя модельно-ориентированное проектирование позволяет моделировать сценарии тестирования и хорошо интерпретировать модели, в реальных производственных средах это часто не подходит. Чрезмерная зависимость от данной инструментальной цепочки может привести к значительной переработке и, возможно, поставить под угрозу все инженерные подходы. Хотя он подходит для стендовой работы, выбор его использования для производственной системы следует делать очень осторожно.

Преимущества [ править ]

Некоторые из преимуществ, которые предлагает модельно-ориентированный дизайн по сравнению с традиционным подходом: [9]

  • Проектирование на основе моделей обеспечивает общую среду проектирования, которая облегчает общий обмен данными, анализ данных и проверку системы между различными группами (разработчиками).
  • Инженеры могут обнаруживать и исправлять ошибки на ранних этапах проектирования системы, когда время и финансовые последствия модификации системы сведены к минимуму.
  • Облегчается повторное использование дизайна для обновлений и для производных систем с расширенными возможностями.

Из-за ограничений графических инструментов инженеры-проектировщики ранее в значительной степени полагались на текстовое программирование и математические модели. Однако разработка этих моделей отнимала много времени и часто приводила к ошибкам. Кроме того, отладка текстовых программ - утомительный процесс, требующий большого количества проб и ошибок, прежде чем можно будет создать окончательную безотказную модель, особенно потому, что математические модели претерпевают невидимые изменения во время перевода на различных этапах проектирования.

Инструменты графического моделирования направлены на улучшение этих аспектов дизайна. Эти инструменты предоставляют очень общую и унифицированную среду графического моделирования и снижают сложность проектов моделей, разбивая их на иерархии отдельных блоков дизайна. Таким образом, дизайнеры могут достичь нескольких уровней точности модели, просто заменив один элемент блока другим. Графические модели также помогают инженерам концептуализировать всю систему и упростить процесс переноса модели с одного этапа на другой в процессе проектирования. Симулятор Boeing EASY5 был одним из первых инструментов моделирования, который был снабжен графическим пользовательским интерфейсом вместе с AMESim , многодоменной многоуровневой платформой, основанной на теории графа Бонда. Вскоре последовали такие инструменты, как 20-sim иDymola , которая позволяла составлять модели из физических компонентов, таких как массы, пружины, резисторы и т. Д. За ними позже последовали многие другие современные инструменты, такие как Simulink и LabVIEW .

См. Также [ править ]

  • Теория управления
  • Функциональная спецификация
  • Модельно-ориентированная инженерия
  • Научное моделирование
  • Спецификация (технический стандарт)
  • Системная инженерия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Риди, Дж .; Лунцман, С. (2010). Модельно-ориентированное проектирование ускоряет разработку механических средств управления локомотивами . Конгресс SAE 2010 по проектированию коммерческих автомобилей. DOI : 10.4271 / 2010-01-1999 . Технический документ SAE 2010-01-1999.
  2. ^ Ахмадиан, М .; Назари, ZJ; Nakhaee, N .; Костич, З. (2005). Дизайн на основе модели и SDR (PDF) . 2-я конференция IEE / EURASIP по радио с поддержкой DSP. С. 19–99. DOI : 10.1049 / IC: 20050389 . ISBN  0-86341-560-1.
  3. ^ Подключаемый модуль сертификации безопасности программного обеспечения для автоматических генераторов кода: технико-экономическое обоснование и предварительный дизайн
  4. ^ General Motors разработала двухрежимную гибридную трансмиссию с модельно-ориентированным проектированием MathWorks; Сократить ожидаемое время разработки на 24 месяца
  5. ^ Диас, BMD; Laganá, AAM; Хусто, JF; Йошика, Л. Р.; Сантос, MMD; Гу, ZH (2018). «Модельно-ориентированная разработка модуля управления двигателем для двигателя с искровым зажиганием» . Доступ IEEE . 6 : 53638-53649. DOI : 10,1109 / ACCESS.2018.2870061 .
  6. ↑ Модельно-ориентированный дизайн для мехатронных систем, Machine Design, 21 ноября 2007 г. Архивировано 25 ноября 2010 г., на Wayback Machine
  7. ^ Nicolescu, Габриэла; Мостерман, Питер Дж. , Ред. (2010). Модельно-ориентированное проектирование встроенных систем . Вычислительный анализ, синтез и проектирование динамических систем. 1 . Бока-Ратон: CRC Press . ISBN 978-1-4200-6784-2.
  8. ^ "Модельный дизайн, меняющий парки Диснея" . Архивировано из оригинала на 2016-08-28 . Проверено 18 февраля 2016 .
  9. ^ Автопроизводители выбирающий для проектирования Model-Based Design, Новости, 5 ноября 2010 архивных 25 ноября 2010 года в Wayback Machine