基於模型的設計
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基於模型的設計(英語: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
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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:
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
基於模型設計的主要步驟如下:
- 受控體建模:受控體建模可以以資料驅動(data-driven)為基礎,也可以依照第一原理(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,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。
- 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。
- 離線的仿真及實時仿真: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。
- 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
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
- 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.
- Model Based Design Accelerates the Development of Mechanical Locomotive Controls, SAE article 2010. [2017-07-27]. (原始内容存档于2011-07-27).
- 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.
- A Software Safety Certification Plug-in for Automated Code Generators: Feasibility Study and Preliminary Design (PDF). [2017-07-27]. (原始内容存档 (PDF)于2017-01-26).
- General Motors Developed Two-Mode Hybrid Powertrain With MathWorks Model-Based Design; Cut 24 Months Off Expected Dev Time. [2017-07-27]. (原始内容存档于2017-07-24).
- Model-based design for mechatronics systems, Machine Design, November 21, 2007. [2017年7月27日]. (原始内容存档于2010年11月25日).
- 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.
- Model-based design reshaping Disney parks. [2017-07-27]. (原始内容存档于2016-08-28).
- Automakers Opting for Model-Based Design, Design News, November 5, 2010. [2017年7月27日]. (原始内容存档于2010年11月25日).
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