Проектирование на основе моделей

Математическая визуализация

Проектирование на основе моделей ( 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 , промышленном оборудовании, аэрокосмической и автомобильной промышленности. [3] [4] Проектирование на основе моделей — это методология, применяемая при проектировании встроенного программного обеспечения. [5] [6] [7]

Обзор

Проектирование на основе моделей обеспечивает эффективный подход к установлению общей структуры для коммуникации на протяжении всего процесса проектирования, поддерживая при этом цикл разработки ( V-модель ). В проектировании систем управления на основе моделей разработка проявляется в следующих четырех шагах:

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

Проектирование на основе моделей существенно отличается от традиционной методологии проектирования. Вместо использования сложных структур и обширного программного кода, проектировщики могут использовать проектирование на основе моделей для определения моделей установок с расширенными функциональными характеристиками с использованием непрерывных и дискретных строительных блоков. Эти построенные модели, используемые с инструментами моделирования, могут привести к быстрому прототипированию, тестированию и проверке программного обеспечения. Не только улучшен процесс тестирования и проверки, но также, в некоторых случаях, симуляция аппаратного обеспечения в контуре может использоваться с новой парадигмой проектирования для более быстрого и эффективного тестирования динамических эффектов в системе, чем при использовании традиционной методологии проектирования.

История

Еще в 1920-х годах два аспекта инженерии, теория управления и системы управления, объединились, чтобы сделать возможными крупномасштабные интегрированные системы. В те ранние дни системы управления широко использовались в промышленной среде. Крупные технологические 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 для автоматизации всего производственного процесса.

Системы управления набирали обороты, в первую очередь в автомобильной и аэрокосмической отраслях. В 1950-х и 1960-х годах толчок к освоению космоса вызвал интерес к встроенным системам управления. Инженеры конструировали такие системы управления, как блоки управления двигателями и летные тренажеры, которые могли быть частью конечного продукта. К концу двадцатого века встроенные системы управления были повсеместны, поскольку даже основные бытовые приборы, такие как стиральные машины и кондиционеры, содержали сложные и продвинутые алгоритмы управления, что делало их гораздо более «умными».

В 1969 году были представлены первые компьютерные контроллеры. Эти ранние программируемые логические контроллеры (ПЛК) имитировали операции уже имеющихся дискретных технологий управления, которые использовали устаревшие релейные схемы. Появление технологии ПК привело к радикальному изменению на рынке процессов и дискретного управления. Стандартный настольный компьютер, загруженный соответствующим оборудованием и программным обеспечением, может управлять целым технологическим блоком и выполнять сложные и устоявшиеся алгоритмы ПИД или работать как распределенная система управления (РСУ).

Шаги

Основными этапами подхода к проектированию на основе моделей являются:

  1. Моделирование завода. Моделирование завода может быть основано на данных или на первых принципах . Моделирование завода на основе данных использует такие методы, как идентификация системы . При идентификации системы модель завода идентифицируется путем получения и обработки необработанных данных из реальной системы и выбора математического алгоритма, с помощью которого идентифицируется математическая модель. Различные виды анализа и моделирования могут быть выполнены с использованием идентифицированной модели, прежде чем она будет использована для проектирования контроллера на основе модели. Моделирование на основе первых принципов основано на создании модели блок-схемы, которая реализует известные дифференциально-алгебраические уравнения, управляющие динамикой завода. Типом моделирования на основе первых принципов является физическое моделирование, где модель состоит из соединенных блоков, которые представляют физические элементы реального завода.
  2. Анализ и синтез контроллера . Математическая модель, задуманная на шаге 1, используется для определения динамических характеристик модели установки. Затем на основе этих характеристик можно синтезировать контроллер.
  3. Оффлайн -симуляция и симуляция в реальном времени . Исследуется временная реакция динамической системы на сложные, изменяющиеся во времени входные данные. Это делается путем моделирования простой модели LTI (Linear Time-Invariant) или путем моделирования нелинейной модели завода с контроллером. Моделирование позволяет немедленно находить спецификации, требования и ошибки моделирования, а не позже в процессе проектирования. Моделирование в реальном времени может быть выполнено путем автоматической генерации кода для контроллера, разработанного на шаге 2. Этот код может быть развернут на специальном компьютере для прототипирования в реальном времени, который может запускать код и управлять работой завода. Если прототип завода недоступен или тестирование на прототипе опасно или дорого, код может быть автоматически сгенерирован из модели завода. Этот код может быть развернут на специальном компьютере в реальном времени, который может быть подключен к целевому процессору с запущенным кодом контроллера. Таким образом, контроллер может быть протестирован в реальном времени по сравнению с моделью завода в реальном времени.
  4. Развертывание. В идеале это делается посредством генерации кода из контроллера, разработанного на шаге 2. Маловероятно, что контроллер будет работать на реальной системе так же хорошо, как в симуляции, поэтому выполняется итеративный процесс отладки путем анализа результатов на реальной цели и обновления модели контроллера. Инструменты проектирования на основе моделей позволяют выполнять все эти итеративные шаги в единой визуальной среде.

Недостатки

Недостатки проектирования на основе моделей достаточно хорошо понятны на поздних этапах жизненного цикла разработки продукта и его разработки.

  • Одним из главных недостатков является то, что принятый подход является общим или всеобъемлющим подходом к стандартной разработке встроенных и системных решений. Часто время, необходимое для переноса между процессорами и экосистемами, может перевешивать временную ценность, которую он предлагает в более простых лабораторных реализациях.
  • Большая часть цепочки инструментов компиляции имеет закрытый исходный код и подвержена ошибкам в работе столбов, а также другим распространенным ошибкам компиляции, которые легко исправляются в традиционной системной инженерии.
  • Шаблоны проектирования и повторного использования могут привести к реализации моделей, которые не очень подходят для этой задачи. Например, реализация контроллера для конвейерного производственного предприятия, использующего датчик температуры, датчик скорости и датчик тока. Такая модель, как правило, не очень подходит для повторной реализации в контроллере двигателя и т. д. Хотя очень легко перенести такую ​​модель и внести в нее все программные ошибки.
  • Проблемы контроля версий : Проектирование на основе моделей может столкнуться со значительными проблемами из-за отсутствия высококачественных инструментов для управления контролем версий, особенно для обработки операций сравнения и слияния. Это может привести к трудностям в управлении параллельными изменениями и поддержании надежных методов контроля версий. Хотя для решения этих проблем были введены новые инструменты, такие как трехстороннее слияние, эффективная интеграция этих решений в существующие рабочие процессы остается сложной задачей. [8]


Хотя проектирование на основе моделей позволяет хорошо моделировать тестовые сценарии и интерпретировать симуляции, в реальных производственных условиях оно часто не подходит. Чрезмерная зависимость от заданной цепочки инструментов может привести к существенной доработке и, возможно, поставить под угрозу все инженерные подходы. Хотя это подходит для верстака, выбор его использования для производственной системы следует делать очень осторожно.

Преимущества

Вот некоторые преимущества, которые предлагает проектирование на основе моделей по сравнению с традиционным подходом: [9]

  • Проектирование на основе моделей обеспечивает общую среду проектирования, которая облегчает общую коммуникацию, анализ данных и проверку системы между различными группами (разработчиков).
  • Инженеры могут обнаружить и исправить ошибки на ранних этапах проектирования системы, когда временные и финансовые затраты на ее модификацию сведены к минимуму.
  • Упрощается повторное использование проектов для модернизаций и создания производных систем с расширенными возможностями.

Из-за ограничений графических инструментов инженеры-конструкторы ранее в значительной степени полагались на текстовое программирование и математические модели. Однако разработка этих моделей была трудоемкой и весьма подверженной ошибкам. Кроме того, отладка текстовых программ — утомительный процесс, требующий множества проб и ошибок, прежде чем может быть создана окончательная модель без ошибок, особенно с учетом того, что математические модели претерпевают невидимые изменения во время трансляции на различных этапах проектирования.

Графические инструменты моделирования направлены на улучшение этих аспектов проектирования. Эти инструменты предоставляют очень общую и унифицированную графическую среду моделирования и снижают сложность проектирования моделей, разбивая их на иерархии отдельных блоков проектирования. Таким образом, проектировщики могут достичь нескольких уровней точности модели, просто заменяя один элемент блока другим. Графические модели также помогают инженерам концептуализировать всю систему и упрощают процесс переноса модели с одного этапа на другой в процессе проектирования. Симулятор Boeing EASY5 был одним из первых инструментов моделирования, снабженных графическим пользовательским интерфейсом, вместе с AMESim , многодоменной, многоуровневой платформой, основанной на теории графа связей. Вскоре за ним последовали такие инструменты, как 20-sim и Dymola , которые позволяли составлять модели из физических компонентов, таких как массы, пружины, резисторы и т. д. Позже за ними последовали многие другие современные инструменты, такие как Simulink и LabVIEW .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Риди, Дж.; Лунцман, С. (2010). Проектирование на основе моделей ускоряет разработку механических средств управления локомотивами . Конгресс инженеров коммерческого транспорта SAE 2010. doi :10.4271/2010-01-1999. Технический документ SAE 2010-01-1999.
  2. ^ Ахмадиан, М.; Назари, З.Дж.; Нахаи, Н.; Костич, З. (2005). Проектирование на основе моделей и SDR (PDF) . 2-я конференция IEE/EURASIP по радио с поддержкой DSP. стр.  19–99 . doi :10.1049/ic:20050389 (неактивно 7 декабря 2024 г.). ISBN 0-86341-560-1.{{cite conference}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на декабрь 2024 г. ( ссылка )
  3. ^ Модуль сертификации безопасности программного обеспечения для автоматических генераторов кода: технико-экономическое обоснование и предварительный проект
  4. ^ General Motors разработала двухрежимную гибридную силовую установку с использованием моделирования MathWorks; сократила ожидаемое время разработки на 24 месяца
  5. ^ Проектирование мехатронных систем на основе моделей, Machine Design, 21 ноября 2007 г. Архивировано 25 ноября 2010 г. на Wayback Machine
  6. ^ Николеску, Габриэла; Мостерман, Питер Дж. , ред. (2010). Проектирование на основе моделей для встраиваемых систем . Вычислительный анализ, синтез и проектирование динамических систем. Том 1. Boca Raton: CRC Press . ISBN 978-1-4200-6784-2.
  7. ^ "Проектирование на основе моделей, преобразующее парки Диснея". Архивировано из оригинала 28-08-2016 . Получено 18-02-2016 .
  8. ^ Sauceda, Jeremias; Kothari, Suraj (2010-04-12). "Современный контроль версий и управление конфигурацией моделей Simulink". SAE 2010 World Congress & Exhibition . SAE Technical Paper Series. 1. SAE International: 10. doi :10.4271/2010-01-0940.
  9. ^ Автопроизводители выбирают проектирование на основе моделей, Design News, 5 ноября 2010 г. Архивировано 25 ноября 2010 г. на Wayback Machine
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Дизайн_на_основе_модели&oldid=1261755575"