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基于模型的设计

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基于模型的设计(Model-Based Design,简称MBD)是一种数学及可视化的方法,可以用来处理复杂控制系统[1][2]信号处理[3]及通讯系统的设计。基于模型的设计可以用在运动控制、工业设计、航天以及车辆应用中[4][5]。基于模型的设计也是嵌入式系统设计的方法论[6][7][8]

简介

基于模型的设计是一种较有效率的设计方式,在支援开发过程(V模型)的同时,在设计过程中建立了沟通用的共同框架。若用这种方式设计控制系统,开发会分为以下四步骤:

  1. 受控体建模。
  2. 配合受控体,分析及合成适合的控制器。
  3. 针对控制器及受控体进行仿真
  4. 整合上述的步骤来布署控制器。

基于模型的设计和传统的设计方法论有很大的不同。设计者在使用基于模型的设计时,不需使用复杂的架构以及繁多的软件代码,只需利用基于模型的设计来定义系统模型,再配合连续及离散的架构方块来产生进阶的机能特性。使用仿真工具建立的模型可以进行快速应用程序开发软件测试和验证。不但强化了测试以及验证的程序。有些情形下,可以将这个新的设计方法配合硬件在环的仿真,测试系统的动态效应,不但速度更快,也比传统的设计方法论更加有效率。

基于模型设计的步骤

基于模型设计的主要步骤如下:

  1. 受控体建模:受控体建模可以以资料驱动(data-driven)为基础,也可以依照首要原则(first principle)建模。资料驱动的建模会配合系统识别或是类似的技术。系统识别会先取得系统在真实世界中的输入输出资料,并进行处理,再配合数学算法来识别系统的模型。在系统识别后,就可以针对受控体设计适合的控制器。首要原则驱动的建模是先找到受控体的统御方程式英语Governing equation,再创建方块图模型来实现上述的统御方程式。实体建模(physical modeling)就是一种首要原则驱动的驱动建模方式,模型中会包括许多互相连结的方块,对应实际受控体中的各个元件。
  2. 控制器分析及合成:会使用步骤1得到的数学模型来确认模型的动态特性,再依这些特性设计符合特性的控制器。
  3. 离线的仿真实时仿真英语real-time simulation:会分析动态系统在复杂时变输入下的反应特性。这可以将受授体的简易线性非时变模型和控制器一起进行仿真,也可以用受授体的非线性模型和控制器进行仿真。仿真有助于找到规格、需求以及建模时的错误,而不是在之后实际设计控制器时才发现。实时仿真可以用步骤2的控制器进行代码自动生成(automatically generating code)来达到。代码可以布署在特殊的实时原型电脑中,这个电脑可以执行程式并且控制受控体的运作。假如无法取得受控体的原型,或是配合原型的测试有危险性或是太过昂贵,可以配合受控体模型进行自动代码生成。之后可以将代码布署到另一台电脑上,这台电脑和执行控制体的电脑相连。因此可以实时的测试控制器,不过控制的不是实际的受控体,而是实时仿真的受控体模型。
  4. 布署控制器:理想上让步骤2的控制器进行代码自动生成,即可布署控制器。不过一开始时,控制器在实际系统上的性能会和仿真时的性能不同,此时可以用迭代除错方式,分析实际系统上的结果,依分析结果更新控制器模型。配合基于模型设计的工具,可以在统一化可视环境下,进行上述的迭代除错。

优点

基于模型的设计相较于传统开发方式的优点有[9]

  • 基于模型的设计提供一个共同的开发环境,有助于不同的开发团队之间的一般性沟通、资料分析以及系统验证。
  • 工程师可以在系统设计早期定位出错误并且修正错误,此时系统修改造成的时间冲击及财务影响都是最小的。
  • 设计可以复用,有助于提升机能及衍生系统的扩充能力。

参考资料

  1. ^ Reedy, J.; Lunzman, S. Model Based Design Accelerates the Development of Mechanical Locomotive Controls. SAE 2010 Commercial Vehicle Engineering Congress. 2010. doi:10.4271/2010-01-1999. SAE Technical Paper 2010-01-1999. 
  2. ^ Model Based Design Accelerates the Development of Mechanical Locomotive Controls, SAE article 2010 互联网档案馆存档,存档日期2011-07-27.
  3. ^ Ahmadian, M.; Nazari, Z. J.; Nakhaee, N.; Kostic, Z. Model based design and SDR (PDF). 2nd IEE/EURASIP Conference on DSP Enabled Radio: 19–99. 2005. ISBN 0-86341-560-1. doi:10.1049/ic:20050389. 
  4. ^ A Software Safety Certification Plug-in for Automated Code Generators: Feasibility Study and Preliminary Design
  5. ^ General Motors Developed Two-Mode Hybrid Powertrain With MathWorks Model-Based Design; Cut 24 Months Off Expected Dev Time
  6. ^ Model-based design for mechatronics systems, Machine Design, November 21, 2007 互联网档案馆存档,存档日期2010年11月25日,.
  7. ^ Nicolescu, Gabriela; Mosterman, Pieter J. (编). Model-Based Design for Embedded Systems. Computational Analysis, Synthesis, and Design of Dynamic Systems 1. Boca Raton: CRC Press. 2010. ISBN 978-1-4200-6784-2. 
  8. ^ Model-based design reshaping Disney parks
  9. ^ Automakers Opting for Model-Based Design, Design News, November 5, 2010 互联网档案馆存档,存档日期2010年11月25日,.

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