Design baseado em modelo - Model-based design

O design de software baseado em modelo não deve ser confundido com a definição de objetos físicos baseada em modelo .

O projeto baseado em modelo ( MBD ) é um método matemático e visual de abordar problemas associados ao projeto de sistemas complexos de controle, processamento de sinal e comunicação. É usado em muitas aplicações de controle de movimento , equipamentos industriais, aeroespaciais e automotivos. O projeto baseado em modelo é uma metodologia aplicada no projeto de software embarcado.

Visão geral

O design baseado em modelo fornece uma abordagem eficiente para estabelecer uma estrutura comum para comunicação em todo o processo de design, ao mesmo tempo que dá suporte ao ciclo de desenvolvimento ( modelo V ). No design baseado em modelo de sistemas de controle, o desenvolvimento se manifesta nestas quatro etapas:

  1. modelar uma planta ,
  2. analisar e sintetizar um controlador para a planta,
  3. simulando a planta e o controlador,
  4. integrando todas essas fases implantando o controlador.

O design baseado em modelo é significativamente diferente da metodologia de design tradicional. Em vez de usar estruturas complexas e código de software extenso, os designers podem usar o design baseado em modelo para definir modelos de planta com características funcionais avançadas usando blocos de construção de tempo contínuo e tempo discreto. Esses modelos construídos usados ​​com ferramentas de simulação podem levar à prototipagem rápida, teste de software e verificação. Não apenas o processo de teste e verificação é aprimorado, mas também, em alguns casos, a simulação de hardware-in-the-loop pode ser usada com o novo paradigma de design para realizar testes de efeitos dinâmicos no sistema de forma mais rápida e eficiente do que com metodologia de design tradicional.

História

O amanhecer da era elétrica trouxe muitos sistemas de controle inovadores e avançados. Já na década de 1920, dois aspectos da engenharia, a teoria do controle e os sistemas de controle, convergiram para tornar possíveis os sistemas integrados em grande escala. Naqueles primeiros dias, os sistemas de controle eram comumente usados ​​no ambiente industrial. Grandes instalações de processo começaram a usar controladores de processo para regular variáveis ​​contínuas, como temperatura, pressão e taxa de fluxo. Os relés elétricos integrados em redes em forma de escada foram um dos primeiros dispositivos de controle discretos a automatizar todo um processo de manufatura.

Os sistemas de controle ganharam impulso, principalmente nos setores automotivo e aeroespacial. Nas décadas de 1950 e 1960, o impulso para o espaço gerou interesse em sistemas de controle embutidos. Os engenheiros construíram sistemas de controle, como unidades de controle do motor e simuladores de vôo, que poderiam fazer parte do produto final. No final do século XX, os sistemas de controle embarcados eram onipresentes, pois até mesmo produtos da linha branca , como máquinas de lavar e condicionadores de ar, continham algoritmos de controle complexos e avançados, tornando-os muito mais "inteligentes".

Em 1969, os primeiros controladores baseados em computador foram introduzidos. Esses primeiros controladores lógicos programáveis (PLC) imitaram as operações das tecnologias de controle discreto já disponíveis que usavam as escadas de relé desatualizadas. O advento da tecnologia de PC trouxe uma mudança drástica no mercado de processos e controle discreto. Um desktop pronto para uso carregado com hardware e software adequados pode executar uma unidade de processo inteira e executar algoritmos PID complexos e estabelecidos ou funcionar como um Sistema de Controle Distribuído (DCS).

Passos

As principais etapas na abordagem de design baseado em modelo são:

  1. Modelagem de plantas. A modelagem de plantas pode ser orientada por dados ou baseada nos primeiros princípios . A modelagem de plantas baseada em dados usa técnicas como a identificação do sistema . Com a identificação do sistema, o modelo da planta é identificado adquirindo e processando dados brutos de um sistema do mundo real e escolhendo um algoritmo matemático com o qual identificar um modelo matemático. Vários tipos de análises e simulações podem ser realizadas usando o modelo identificado antes de ser usado para projetar um controlador baseado em modelo. A modelagem baseada em primeiros princípios é baseada na criação de um modelo de diagrama de blocos que implementa equações algébricas diferenciais conhecidas que governam a dinâmica das plantas. Um tipo de modelagem baseada em primeiros princípios é a modelagem física, onde um modelo consiste em blocos conectados que representam os elementos físicos da planta real.
  2. Análise e síntese de controladores . O modelo matemático concebido na etapa 1 é usado para identificar as características dinâmicas do modelo da planta. Um controlador pode então ser sintetizado com base nessas características.
  3. Simulação offline e simulação em tempo real . O tempo de resposta do sistema dinâmico a entradas complexas e variáveis ​​no tempo é investigado. Isso é feito simulando um modelo simples LTI ( Linear Time-Invariant ) ou simulando um modelo não linear da planta com o controlador. A simulação permite que erros de especificação, requisitos e modelagem sejam encontrados imediatamente, ao invés de mais tarde no esforço de design. A simulação em tempo real pode ser feita gerando automaticamente o código para o controlador desenvolvido na etapa 2. Esse código pode ser implantado em um computador especial de prototipagem em tempo real que pode executar o código e controlar a operação da planta. Se um protótipo de planta não estiver disponível, ou o teste do protótipo for perigoso ou caro, o código pode ser gerado automaticamente a partir do modelo de planta. Esse código pode ser implantado no computador especial em tempo real que pode ser conectado ao processador de destino com o código do controlador em execução. Assim, um controlador pode ser testado em tempo real contra um modelo de planta em tempo real.
  4. Desdobramento, desenvolvimento. Idealmente, isso é feito por meio da geração de código do controlador desenvolvido na etapa 2. É improvável que o controlador funcione no sistema real tão bem como na simulação, portanto, um processo de depuração iterativo é realizado analisando os resultados no destino real e atualizando o modelo do controlador. As ferramentas de design baseadas em modelo permitem que todas essas etapas iterativas sejam executadas em um ambiente visual unificado.

Desvantagens

As desvantagens do design baseado em modelo são bastante bem compreendidas no final do ciclo de vida de desenvolvimento do produto e desenvolvimento.

  • Uma grande desvantagem é que a abordagem adotada é uma abordagem geral ou geral para o desenvolvimento de sistemas e embarcados padrão. Freqüentemente, o tempo que leva para fazer a transição entre processadores e ecossistemas pode superar o valor temporal que ele oferece nas implementações mais simples baseadas em laboratório.
  • Grande parte da cadeia de ferramentas de compilação é de código fechado e está sujeita a erros de postes de vedação e outros erros de compilação comuns que são facilmente corrigidos na engenharia de sistemas tradicional.
  • Padrões de design e reutilização podem levar a implementações de modelos que não são adequados para essa tarefa. Como implementar um controlador para uma instalação de produção de correia transportadora que usa um sensor térmico, sensor de velocidade e sensor de corrente. Esse modelo geralmente não é adequado para reimplementação em um controlador de motor, etc. Embora seja muito fácil transportar esse modelo e introduzir todas as falhas de software nele.


Embora o design baseado em modelo tenha a capacidade de simular cenários de teste e interpretar bem as simulações, em ambientes de produção do mundo real, muitas vezes não é adequado. O excesso de confiança em um determinado conjunto de ferramentas pode levar a um retrabalho significativo e, possivelmente, comprometer abordagens de engenharia inteiras. Embora seja adequado para trabalho de bancada, a escolha de usá-lo para um sistema de produção deve ser feita com muito cuidado.

Vantagens

Algumas das vantagens que o design baseado em modelo oferece em comparação com a abordagem tradicional são:

  • O design baseado em modelo fornece um ambiente de design comum, que facilita a comunicação geral, a análise de dados e a verificação do sistema entre vários grupos (de desenvolvimento).
  • Os engenheiros podem localizar e corrigir erros no início do projeto do sistema, quando o tempo e o impacto financeiro da modificação do sistema são minimizados.
  • A reutilização do projeto, para atualizações e sistemas derivados com recursos expandidos, é facilitada.

Devido às limitações das ferramentas gráficas, os engenheiros de design dependiam muito da programação baseada em texto e de modelos matemáticos. No entanto, desenvolver esses modelos era demorado e altamente sujeito a erros. Além disso, depurar programas baseados em texto é um processo tedioso, exigindo muitas tentativas e erros antes que um modelo sem falhas final pudesse ser criado, especialmente porque os modelos matemáticos passam por mudanças invisíveis durante a tradução através dos vários estágios de design.

As ferramentas de modelagem gráfica visam melhorar esses aspectos do design. Essas ferramentas fornecem um ambiente de modelagem gráfica muito genérico e unificado e reduzem a complexidade dos projetos de modelo, dividindo-os em hierarquias de blocos de projeto individuais. Os designers podem, portanto, atingir vários níveis de fidelidade do modelo simplesmente substituindo um elemento de bloco por outro. Os modelos gráficos também ajudam os engenheiros a conceituar todo o sistema e simplificar o processo de transporte do modelo de um estágio para outro no processo de design. O simulador EASY5 da Boeing foi uma das primeiras ferramentas de modelagem a serem fornecidas com uma interface gráfica de usuário, juntamente com o AMESim , uma plataforma multi-domínio e multi-nível baseada na teoria Bond Graph. Isso foi seguido por ferramentas como 20-sim e Dymola , que permitiam que os modelos fossem compostos de componentes físicos como massas, molas, resistores, etc. Posteriormente, foram seguidos por muitas outras ferramentas modernas, como Simulink e LabVIEW .

Veja também

Referências