Модельно-ориентированное проектирование

Проектирование программного обеспечения на основе моделей не следует путать с на основе моделей . определением физических объектов

Модельно-ориентированное проектирование ( МБД ) — математический и наглядный метод решения задач, связанных с проектированием сложного управления, обработка сигналов и системы связи. Он используется во многих системах управления движением , промышленном оборудовании, аэрокосмической и автомобильной промышленности. Проектирование на основе моделей — это методология, применяемая при разработке встроенного программного обеспечения.

Обзор

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

1. моделирование растения ,
2. анализ и синтез контроллера для установки,
3. моделирование установки и контроллера,
4. интеграция всех этих этапов 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 предприятий с расширенными функциональными характеристиками, используя строительные блоки 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 улучшается процесс тестирования и проверки, но также в некоторых случаях аппаратное моделирование может использоваться с новой парадигмой проектирования для выполнения тестирования динамических воздействий на систему быстрее и гораздо эффективнее, чем при использовании традиционная методология проектирования.

История

Еще в 1920-х годах два аспекта техники, теория управления и системы управления, объединились, чтобы сделать возможными крупномасштабные интегрированные системы. В те времена системы управления широко использовались в промышленной среде. Крупные технологические предприятия начали использовать технологические контроллеры для регулирования непрерывных переменных, таких как температура, давление и скорость потока. Электрические реле, встроенные в лестничные сети, были одними из первых устройств дискретного управления, автоматизировавших весь производственный процесс.

Системы управления получили распространение, прежде всего, в автомобильной и аэрокосмической отраслях. В 1950-х и 1960-х годах освоение космоса вызвало интерес к встроенным системам управления. Инженеры создали системы управления, такие как блоки управления двигателем и авиасимуляторы, которые могли стать частью конечного продукта. К концу двадцатого века встроенные системы управления получили повсеместное распространение, поскольку даже крупная 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 операции уже доступных технологий дискретного управления, в которых использовались устаревшие релейные схемы. Появление компьютерной технологии привело к радикальному сдвигу на рынке процессов и дискретного управления. Готовый настольный компьютер, оснащенный соответствующим аппаратным и программным обеспечением, может запускать весь технологический блок и выполнять сложные и устоявшиеся алгоритмы ПИД или работать как распределенная система управления (РСУ).

Шаги

Основными этапами модельного подхода к проектированию являются:

1. Моделирование растений. Моделирование предприятия может осуществляться на основе данных или на основе основных принципов . При моделировании предприятия на основе данных используются такие методы, как идентификация системы . При идентификации системы модель предприятия идентифицируется путем получения 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. Разновидностью моделирования, основанного на первых принципах, является физическое моделирование, при котором модель состоит из связанных блоков, которые представляют физические элементы реального объекта.
2. Контроллерный анализ и синтез. Математическая модель, созданная на этапе 1, используется для определения динамических характеристик модели объекта. Затем на основе этих характеристик можно синтезировать контроллер.
3. Автономное моделирование и моделирование в реальном времени . Исследуется временной отклик динамической системы на сложные, изменяющиеся во времени входные данные. Это делается путем моделирования простой модели LTI ( линейной, инвариантной во времени ) или путем моделирования нелинейной модели объекта с помощью контроллера. Моделирование позволяет обнаруживать ошибки спецификаций, требований и моделирования сразу, а не на более позднем этапе проектирования. Моделирование в реальном времени можно выполнить путем автоматической генерации кода для контроллера, разработанного на этапе 2. Этот код можно развернуть на специальном компьютере для прототипирования в реальном времени, который сможет запускать код и контролировать работу установки. Если прототип предприятия недоступен или тестирование прототипа опасно или дорого, код может быть автоматически сгенерирован на основе модели предприятия. Этот код можно развернуть на специальном компьютере реального времени, который можно подключить к целевому процессору с работающим кодом контроллера. Таким образом, контроллер можно протестировать в режиме реального 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 при моделировании, поэтому выполняется итерационный процесс отладки путем анализа результатов на реальной цели. и обновление модели контроллера. Инструменты проектирования на основе моделей позволяют выполнять все эти итеративные шаги в единой визуальной среде.

Недостатки

Недостатки проектирования на основе моделей довольно хорошо понятны на поздней стадии жизненного цикла разработки продукта.

• Одним из основных недостатков является то, что выбранный подход является общим или всеобъемлющим подходом к разработке стандартных встроенных систем и систем. Зачастую время, необходимое для переноса между процессорами и экосистемами, может перевесить временную ценность, которую оно предлагает в более простых лабораторных реализациях.

• Большая часть цепочки инструментов компиляции имеет закрытый исходный код и подвержена ошибкам забора и другим типичным ошибкам компиляции, которые легко исправить 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 предприятия по производству конвейерных лент, который использует термодатчик, датчик скорости и датчик тока. Эта модель, как правило, не очень подходит для повторной реализации в контроллере двигателя и т. д. Хотя такую ​​модель очень легко портировать и внести в нее все программные ошибки.
• Проблемы с контролем версий . Проектирование на основе моделей может столкнуться с серьезными проблемами из-за отсутствия высококачественных инструментов для управления контролем версий, особенно для обработки операций сравнения и слияния. Это может привести к трудностям в управлении одновременными 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.

Хотя проектирование на основе моделей позволяет моделировать тестовые сценарии и хорошо интерпретировать результаты моделирования, в реальных производственных средах оно часто не подходит. Чрезмерная зависимость от конкретной цепочки инструментов может привести к значительной доработке и, возможно, поставить под угрозу все инженерные подходы. Хотя он подходит для настольных работ, к выбору его использования в производственной системе следует подходить очень внимательно.

Преимущества

Некоторые из преимуществ модельно-ориентированного проектирования по сравнению с традиционным подходом:

• Проектирование на основе моделей обеспечивает общую среду проектирования, которая облегчает общее общение, анализ данных и проверку системы между различными группами (разработчиков).
• Инженеры могут обнаружить и исправить ошибки на ранних стадиях проектирования системы, когда время и финансовые последствия модификации системы сведены к минимуму.
• Облегчается повторное использование проекта для обновлений и 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 отнимала много времени и была весьма подвержена ошибкам. Кроме того, отладка текстовых программ — это утомительный процесс, требующий большого количества проб и ошибок, прежде чем будет создана окончательная безошибочная модель, особенно с учетом того, что математические модели претерпевают невидимые изменения во время перевода на различных этапах проектирования.

Инструменты графического моделирования призваны улучшить эти аспекты дизайна. Эти инструменты предоставляют очень общую и унифицированную среду графического моделирования и уменьшают сложность проектирования моделей, разбивая их на иерархии отдельных блоков проектирования. Таким образом, дизайнеры 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 EASY5 компании Boeing был одним из первых инструментов моделирования, оснащенных графическим пользовательским интерфейсом, вместе с AMESim , многодоменной, многоуровневой платформой, основанной на теории графа Бонда. Вскоре за этим 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 .

См. также

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