打开主菜单

基於模型的設計

基於模型的設計(Model-Based Design,簡稱MBD)是一種數學及可视化的方法,可以用來處理複雜控制系統[1][2]信號處理[3]及通訊系統的設計。基於模型的設計可以用在運動控制、工業設計、航天以及車輛應用中[4][5]。基於模型的設計也是嵌入式系統設計的方法論[6][7][8]

簡介编辑

基於模型的設計是一種較有效率的設計方式,在支援开发过程(V模型)的同時,在設計過程中建立了溝通用的共同框架。若用這種方式設計控制系統,開發會分為以下四步驟:

  1. 受控體建模。
  2. 配合受控體,分析及合成適合的控制器。
  3. 針對控制器及受控體進行仿真
  4. 整合上述的步驟來佈署控制器。

基於模型的設計和傳統的設計方法論有很大的不同。設計者在使用基於模型的設計時,不需使用複雜的架構以及繁多的软件代码,只需利用基於模型的設計來定義系統模型,再配合連續及離散的架構方塊來產生進階的機能特性。使用仿真工具建立的模型可以進行快速應用程式開發软件测试和验证。不但強化了測試以及验证的程序。有些情形下,可以將這個新的設計方法配合硬件在环的仿真,測試系統的動態效應,不但速度更快,也比傳統的設計方法論更加有效率。

基於模型設計的步驟编辑

基於模型設計的主要步驟如下:

  1. 受控體建模:受控體建模可以以資料驅動(data-driven)為基礎,也可以依照首要原則(first principle)建模。資料驅動的建模會配合系統識別或是類似的技術。系統識別會先取得系統在真實世界中的輸入輸出資料,並進行處理,再配合數學演算法來識別系統的模型。在系統識別後,就可以針對受控體設計適合的控制器。首要原則驅動的建模是先找到受控體的統御方程式英语Governing equation,再創建方塊圖模型來實現上述的統御方程式。實體建模(physical modeling)就是一種首要原則驅動的驅動建模方式,模型中會包括許多互相連結的方塊,對應實際受控體中的各個元件。
  2. 控制器分析及合成:會使用步驟1得到的數學模型來確認模型的動態特性,再依這些特性設計符合特性的控制器。
  3. 離線的仿真實時仿真英语real-time simulation:會分析動態系統在複雜時變輸入下的反應特性。這可以將受授體的簡易線性非時變模型和控制器一起進行仿真,也可以用受授體的非線性模型和控制器進行仿真。仿真有助於找到規格、需求以及建模時的錯誤,而不是在之後實際設計控制器時才發現。實時仿真可以用步驟2的控制器進行代碼自動生成(automatically generating code)來達到。代碼可以佈署在特殊的實時原型電腦中,這個電腦可以執行程式並且控制受控體的運作。假如無法取得受控體的原型,或是配合原型的測試有危險性或是太過昂貴,可以配合受控體模型進行自動代碼生成。之後可以將代碼布署到另一台電腦上,這台電腦和執行控制體的電腦相連。因此可以實時的測試控制器,不過控制的不是實際的受控體,而是實時仿真的受控體模型。
  4. 佈署控制器:理想上讓步驟2的控制器進行代碼自動生成,即可佈署控制器。不過一開始時,控制器在實際系統上的性能會和仿真時的性能不同,此時可以用迭代除錯方式,分析實際系統上的結果,依分析結果更新控制器模型。配合基於模型設計的工具,可以在統一化可視環境下,進行上述的迭代除錯。

優點编辑

基於模型的設計相較於傳統開發方式的優點有[9]

  • 基於模型的設計提供一個共同的開發環境,有助於不同的開發團隊之間的一般性溝通、資料分析以及系統驗證。
  • 工程師可以在系統設計早期定位出錯誤並且修正錯誤,此時系統修改造成的時間衝擊及財務影響都是最小的。
  • 設計可以復用,有助於提昇機能及衍生系統的擴充能力。

參考資料编辑

  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 互联网档案馆存檔,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 互联网档案馆存檔,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 互联网档案馆存檔,存档日期2010年11月25日,.

相關條目编辑