Модельно-ориентированный дизайн - Model-based design

Модельно-ориентированный дизайн программного обеспечения не следует путать с определение на основе модели физических объектов.

Модельно-ориентированный дизайн (МБД) - математический и наглядный метод решения задач, связанных с проектированием комплексного управления,[1] обработка сигналов[2] и системы связи. Он используется во многих управления движением, промышленное оборудование, аэрокосмический и автомобильные приложения.[3][4][5] Модельно-ориентированное проектирование - это методология, применяемая при разработке встроенного программного обеспечения.[6][7][8]

Обзор

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 растение,
  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, чтобы выполнять тестирование динамических эффектов в системе быстрее и более эффективно, чем с традиционная методология проектирования.

История

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 процессов для регулирования непрерывных переменных, таких как температура, давление и расход. Электрические реле, встроенные в лестничные сети, были одними из первых дискретных устройств управления, автоматизирующих весь производственный процесс.

Системы управления получили распространение, в первую очередь, 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 такие как стиральные машины и Кондиционеры содержали сложные и продвинутые алгоритмы управления, что делало их намного более «интеллектуальными».

В 1969 году были представлены первые компьютерные контроллеры. Эти ранние программируемые логические контроллеры (PLC) имитировал работу уже имеющихся технологий дискретного управления, в которых использовались устаревшие релейные схемы. С появлением компьютерных технологий произошел резкий сдвиг на рынке процессов и дискретного управления. Готовый 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

Основными этапами модельно-ориентированного подхода к проектированию являются:

  1. Моделирование растений. Моделирование завода может быть основано на данных или на первые принципы. При 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. Контроллер анализ и синтез. Математическая модель, задуманная на этапе 1, используется для определения динамических характеристик модели завода. Затем на основе этих характеристик можно синтезировать контроллер.
  3. Не в сети симуляция и моделирование в реальном времени. Исследуется 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 создания прототипов в реальном времени, который может запускать код и управлять работой установки. Если прототип завода недоступен или тестирование на прототипе 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 по модели предприятия в реальном времени.
  4. Развертывание. В идеале это делается с помощью генерации кода из контроллера, разработанного на шаге 2. Маловероятно, что контроллер будет работать в реальной системе так же хорошо, как при 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

Недостатки модельно-ориентированного проектирования 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 общий 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 обычно не подходит для повторной реализации в контроллере мотора и т. Д. Хотя ее очень легко перенести на такую ​​модель и внести в нее все программные ошибки.


Хотя модельно-ориентированное проектирование позволяет имитировать 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 использования его для производственной системы следует делать очень осторожно.

Преимущества

Некоторые из преимуществ модельного проектирования 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, тем более что математические модели претерпевают невидимые изменения во время перевода на различных этапах проектирования.

Инструменты графического моделирования направлены на улучшение этих аспектов дизайна. Эти инструменты обеспечивают 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, многодоменная, многоуровневая платформа, основанная на теории графов Бонда. Вскоре за этим последовал инструмент вроде 20-сим и Димола, что позволяло 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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Риди, Дж .; Лунцман, С. (2010). Модельно-ориентированное проектирование ускоряет разработку механических средств управления локомотивом. Конгресс SAE 2010 по разработке коммерческих автомобилей. Дои:10.4271/2010-01-1999. Технический документ SAE 2010-01-1999.
  2. ^ Ahmadian, M .; Назари, З. Дж .; 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. Дои: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 проект
  4. ^ General Motors разработала двухрежимный гибридный силовой агрегат с модельно-ориентированной конструкцией MathWorks; Сократить ожидаемое время разработки на 24 месяца
  5. ^ Dias, B.M.D .; Laganá, A. A. M .; Justo, J. F .; Йошика, Л. Р .; Сантос, M. M. D .; Гу, З. Х. (2018). «Модельно-ориентированная разработка модуля управления двигателем для двигателя с искровым зажиганием». Доступ IEEE. 6: 53638-53649. Дои:10.1109 / ACCESS.2018.2870061.
  6. ^ Модельно-ориентированное проектирование для систем мехатроники, Machine Design, 21 ноября 2007 г. В архиве 25 ноября 2010 г. Wayback Machine
  7. ^ Николеску, 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 изменяет парки Диснея». Архивировано из оригинал на 2016-08-28. Получено 2016-02-18.
  9. ^ Автопроизводители выбирают модельно-ориентированный дизайн, Новости дизайна, 5 ноября 2010 г. В архиве 25 ноября 2010 г. Wayback Machine