Design založený na modelu

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 25. listopadu 2017; kontroly vyžadují 4 úpravy .

Model-Based Design (MBD)  je matematická a vizuální metoda pro řešení problémů souvisejících s návrhem systémů řízení , zpracování signálů a komunikace [1] [2] . MOS se často používá při řízení pohybu v průmyslových zařízeních, letectví a automobilovém průmyslu. MOP je metodika používaná při vývoji vestavěného softwaru .

MOP definuje celkovou strukturu interakce v procesu návrhu a účinně implementuje vývojový cyklus ve tvaru písmene V.

V návrhu řídicího systému založeného na modelu probíhá vývoj ve 4 krocích:

Principy MOP se výrazně liší od tradiční metodologie návrhu. Místo psaní složitých programovacích kódů mohou vývojáři použít MOS ke zlepšení výkonu modelu pomocí standardních funkčních bloků spojitého a diskrétního času. Takto postavené modely spolu s využitím modelovacích nástrojů mohou rychle vést k vytvoření prototypu řídicího systému, testování a ověření softwaru. V některých případech lze hardwarově-softwarovou simulaci použít jako návrhářský nástroj k rychlejšímu a efektivnějšímu testování dynamických účinků na systém než tradiční metoda návrhu.

Některé z nejpozoruhodnějších výhod MOP oproti tradičnímu přístupu jsou:

Hlavní fáze MOS

  1. Konstrukce objektového modelu . Stavba modelu může být empirická a teoretická. Tvorba empirického modelu využívá metody, jako je identifikace systému . Při identifikaci systému se shromažďují a zpracovávají počáteční data přijatá ze skutečného systému a k určení matematického modelu objektu se používá nějaký algoritmus. Před vybudováním řídicího systému lze model použít k analýze a sestavení různých simulátorů . V teoretickém modelování jsou konstruována bloková schémata modelu, která implementují známé diferenciálně-algebraické rovnice, které popisují dynamiku objektu. Fyzické modelování označuje tento typ, kdy je model vytvořen pomocí spojovacích bloků, což jsou fyzické prvky, které ve skutečnosti model tvoří. Tento přístup je implementován např. v produktu Simscape jako součást prostředí MATLAB [3] .
  2. Analýza a konstrukce řídicího systému. Matematický model vytvořený v kroku 1 se používá k určení dynamických charakteristik objektového modelu. Na základě těchto charakteristik je postaven řídicí systém.
  3. Offline simulace a simulace v reálném čase . Doba odezvy dynamického systému na časově proměnná vstupní data je zkoumána simulací modelu jako jednoduchého lineárního stacionárního systému nebo nelineárního systému. Simulace umožňuje okamžitě zjistit vlastnosti modelu, požadavky na něj kladené a konstrukční chyby ještě před zahájením návrhu. Simulaci v reálném čase lze provádět pomocí automatického generování kódu řídicího systému vestavěného v kroku 2. Tento ovladač lze provozovat na speciálním počítači, který řídí provoz objektu v reálném čase. Pokud neexistuje prototyp objektu nebo je testování na prototypu nebezpečné nebo drahé, lze kód prototypu automaticky vygenerovat z modelu objektu a spustit na speciálním počítači v reálném čase připojeném k cílovému procesoru s měnícím se řídicím kódem. Řídicí systém tak může být testován v reálném čase na modelu závodu.
  4. Implementace regulátoru. V ideálním případě se to provádí automatickým generováním kódu z řídicího systému získaného v kroku 2. Je nepravděpodobné, že řídicí systém bude v reálném systému fungovat tak dobře jako v simulaci, takže proces iterativního ladění se provádí na základě analýza výsledků na skutečném objektu a aktualizace modelu regulátoru. Nástroje MOP vám umožňují provádět všechny tyto iterativní kroky v jediném vizuálním prostředí.

Historie

S rozmachem elektrotechniky je spojen vznik inovativních a vyspělých řídicích systémů. Ve dvacátých letech dvacátého století se spojily dva inženýrské obory , teorie řízení a řídicí systémy, aby bylo možné vytvořit jediné rozsáhlé systémy. Nejprve byly řídicí systémy široce používány v průmyslovém prostředí. Velké podniky začaly používat regulátory k řízení spojitých proměnných, jako je teplota, tlak a průtok. Elektrická relé , zabudovaná do žebříkových obvodů, patřila mezi první diskrétní řídicí zařízení, která automatizovala celý výrobní proces.

Řídicí systémy nabraly na síle především v automobilovém a leteckém průmyslu. V 50. a 60. letech vyvolaly výstupy do vesmíru zájem o vestavěné řídicí systémy. Inženýři vybudovali řídicí systémy, jako jsou řídicí jednotky motoru a letový simulátor , které mohou být součástí konečného produktu. Na konci 20. století byly vestavěné řídicí systémy všudypřítomné, protože dokonce i předměty pro domácnost, jako jsou pračky a klimatizace, obsahovaly složité a pokročilé řídicí algoritmy, které jim umožňovaly být mnohem chytřejší.

V roce 1969 byl představen první počítačový regulátor. Dřívější programovatelné logické řadiče (PLC) napodobovaly operace existujících technologií diskrétního řízení, které používaly starší kroková relé. Nástup výpočetní techniky přinesl radikální změny na trh spojitých a diskrétních regulátorů. Veřejný stolní počítač s příslušným hardwarem a softwarem může zvládnout celý proces, provozovat složité, dobře zavedené PID algoritmy nebo fungovat jako distribuovaný řídicí systém (DCS) .

Obtíže

Modelovací nástroje se používají již dlouhou dobu, ale tradiční textové metody pro dnešní složité řídicí systémy nestačí. Vzhledem k omezením grafických nástrojů se konstruktéři dříve spoléhali především na textové programování a matematické modely, ale ladění textových programů je velmi pracný proces, který vyžaduje mnoho pokusů a omylů, než vznikne finální plně funkční modul. Matematické modely navíc podléhají významným změnám a procházejí různými fázemi návrhu.

Tyto problémy jsou řešeny pomocí nástrojů grafického modelování již používaných ve všech oblastech designu. Takové nástroje tvoří jediné prostředí pro grafické modelování, snižují složitost vytváření modelu a rozdělují jej do samostatných bloků, z nichž každý je navržen samostatně. Konstruktéři tak mohou dosáhnout vysoké úrovně přesnosti jednoduchým nahrazením jednoho bloku jiným. Grafické modely jsou také nejlepším způsobem, jak zdokumentovat nápady inženýrů. To pomáhá inženýrům pochopit celý systém a zjednodušuje proces přesunu modelu z jedné fáze do druhé během návrhu. Simulátor EASY5 společnosti Boeing byl jedním z prvních simulačních nástrojů s grafickým uživatelským rozhraním.

Při navrhování vestavěných řídicích systémů čelili konstruktéři dvěma výzvám – zkrácení vývojových cyklů a zvýšení složitosti návrhu. Strategie rozděl a panuj pro vývoj tak složitých systémů znamená koordinaci lidí s odbornými znalostmi v široké škále oborů. Tradiční textový přístup k navrhování vestavěných řídicích systémů není dostatečně účinný, aby zvládl pokročilé složité systémy.

Poznámky

  1. ↑ N.P. Demenkov "Modelový návrh řídicích systémů" . Získáno 12. listopadu 2013. Archivováno z originálu 6. května 2016.
  2. ↑ A.A. Efremov, S.S. Sorokin, S.M. Zenkov "Model-Based Design - mezinárodní standard pro technický vývoj"
  3. ↑ Simscape na webu MathWorks Competence Center . Získáno 9. prosince 2013. Archivováno z originálu 22. prosince 2013.