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Von der Tradition zur Moderne: Wie revolutioniert modellgetriebenes Design die Art und Weise, wie Steuerungssysteme entwickelt werden?
Im sich schnell verändernden Technologiebereich bietet Model Driven Design (MBD) mit seinen mathematischen und visuellen Methoden Lösungen für den Entwurf komplexer Steuerungs-, Signalverarbeitungs- und Kommunikationssysteme. Diese Entwurfsmethode ist in vielen Anwendungsbereichen wie Industrieausrüstung, Luft- und Raumfahrt und Automobilen weit verbreitet und hat gezeigt, dass sie erhebliche Änderungen beim Entwurf eingebetteter Software mit sich gebracht hat.
Modellgetriebenes Design bietet einen effizienten gemeinsamen Rahmen, der die Kommunikation während des gesamten Designprozesses erleichtert und gleichzeitig den Entwicklungszyklus unterstützt (V-Modell).
Während herkömmliche Designmethoden häufig auf komplexen Strukturen und umfangreichen Codes basieren, können Designer beim modellgesteuerten Design kontinuierliche und diskrete Modellierungsblöcke verwenden, um Anlagenmodelle mit erweiterten Funktionseigenschaften zu definieren. Mithilfe von Simulationstools können diese Modelle den Prozess des Rapid Prototyping, des Softwaretests und der Verifizierung vorantreiben. Dies verbessert nicht nur den Test- und Verifizierungsprozess, sondern ermöglicht auch den Einsatz von Hardware-in-the-Loop-Simulation, um die dynamischen Auswirkungen des Systems schneller und effizienter zu untersuchen.
Verlauf
Die Geschichte des modellgetriebenen Designs reicht bis in die 1920er Jahre zurück, als die beiden technischen Aspekte der Steuerungstheorie und der Steuerungssysteme verschmolzen, um groß angelegte integrierte Systeme zu ermöglichen. In den Anfängen wurden Steuerungssysteme hauptsächlich in industriellen Umgebungen eingesetzt, wobei große Prozessanlagen begannen, Prozessregler zur Regelung kontinuierlicher Variablen wie Temperatur, Druck und Durchfluss einzusetzen. Ein Patchpanel-Netzwerk aus elektrischen Relais war eines der ersten diskreten Steuergeräte, das den gesamten Herstellungsprozess automatisierte.
Am Ende des 20. Jahrhunderts waren eingebettete Steuerungssysteme allgegenwärtig und Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen und Klimaanlagen enthielten komplexe und fortschrittliche Steuerungsalgorithmen, die sie „intelligenter“ machten.
In den 1950er und 1960er Jahren förderte der Aufstieg der Luft- und Raumfahrttechnik die Entwicklung eingebetteter Steuerungssysteme, und Ingenieure begannen mit dem Bau von Steuerungssystemen, einschließlich Motorsteuergeräten und Flugsimulatoren. Die ersten computerbasierten Steuerungen wurden 1969 eingeführt. Diese frühen speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) simulierten vorhandene diskrete Steuerungstechnologie mithilfe veralteter Relaisleitern. Der Steuerungsmarkt hat mit dem Aufkommen der PC-Technologie drastische Veränderungen erfahren, bei der ein typischer Desktop-Computer eine ganze Prozesseinheit steuern und komplexe PID-Algorithmen ausführen oder als dezentrales Steuerungssystem (DCS) verwendet werden kann.
Hauptschritte des modellgetriebenen Designs
Zu den Hauptschritten des modellgesteuerten Designs gehören:
- Anlagenmodellierung:Die Anlagenmodellierung kann datengesteuert sein oder auf Grundprinzipien basieren. Bei der datengesteuerten Anlagenmodellierung werden Systemidentifikationstechniken verwendet, um Anlagenmodelle durch die Erfassung und Verarbeitung von Rohdaten aus realen Systemen zu identifizieren.
- Controller-Analyse und -Synthese: Verwenden Sie mathematische Modelle, die bei der Anlagenmodellierung gewonnen wurden, um die dynamischen Eigenschaften des Anlagenmodells zu identifizieren und dann Controller basierend auf diesen Eigenschaften zu synthetisieren.
- Offline- vs. Echtzeitsimulation: Untersuchen Sie das Zeitverhalten dynamischer Systeme durch die Simulation einfacher linearer zeitinvarianter oder nichtlinearer Modelle. Mit automatisch generiertem Controller-Code kann eine Echtzeitsimulation durchgeführt werden.
- Bereitstellung: Idealerweise erfolgt dieser Schritt durch Generieren von Code aus dem entwickelten Controller und iteratives Debuggen. Modellgesteuerte Designtools ermöglichen die Durchführung dieser Iterationen in einer einheitlichen visuellen Umgebung.
Vor- und Nachteile
Zu den Nachteilen des modellgesteuerten Designs gehören:
- Bei diesem Ansatz handelt es sich häufig um eine Einheitslösung, die nicht an eine bestimmte Situation angepasst werden kann.
- Die Herausforderung der Versionskontrolle, das Fehlen hochwertiger Tools zur Versionsverwaltung, insbesondere zur Handhabung von Unterschieden und Zusammenführungsvorgängen, kann zu Verwaltungsschwierigkeiten führen.
Modellgetriebenes Design hat jedoch immer noch einige Vorteile, die nicht ignoriert werden können:
- Bietet eine gemeinsame Designumgebung zur Förderung der Kommunikation und Systemüberprüfung zwischen verschiedenen Entwicklungsteams.
- Die Wiederverwendbarkeit von Designs wurde verbessert, was die Verbesserung von Upgrades und abgeleiteten Systemen erleichtert.
Grafische Modellierungstools sollen die Effizienz des Designs verbessern, indem sie komplexe Modelle in hierarchische Strukturen einzelner Designblöcke vereinfachen und so den Designprozess weniger umständlich machen.
Mit dem Aufkommen moderner Tools wie Simulink und LabVIEW wird modellgetriebenes Design bei der Entwicklung von Steuerungssystemen immer beliebter. Bedeutet das, dass zukünftige Designs darauf basieren werden?
