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Warum ist modellbasiertes Design zur Geheimwaffe des Designs in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie geworden?
Model-Based Design (MBD) ist eine mathematische und visuelle Methode zur Lösung von Problemen beim Entwurf komplexer Steuerungs-, Signalverarbeitungs- und Kommunikationssysteme. Diese Methode wird häufig in der Bewegungssteuerung, Industrieausrüstung, Luft- und Raumfahrt sowie in Automobilanwendungen eingesetzt. Da die Technologie immer weiter voranschreitet, wird modellgesteuertes Design nach und nach zu einer Schlüsselstrategie im Designprozess dieser Branchen.
Modellgesteuertes Design bietet eine effiziente Möglichkeit, während des gesamten Designprozesses einen gemeinsamen Rahmen zu etablieren und unterstützt den Entwicklungszyklus.
Beim modellgesteuerten Entwurf eines Steuerungssystems kann der Entwicklungsprozess in vier Hauptschritte zusammengefasst werden: Modellierung der Fabrik, Analyse und Synthese des Controllers, Simulation der Fabrik und des Controllers und schließlich Integration aller dieser Phasen zur Realisierung den Controller bereitstellen. Dieser Ansatz unterscheidet sich von herkömmlichen Designkonzepten. Designer müssen keine komplexen Strukturen und langwierigen Softwarecodes mehr verwenden, sondern können kontinuierliche und zeitdiskrete Bausteine verwenden, um Fabrikmodelle mit erweiterten Funktionsmerkmalen zu definieren. Der Einsatz solcher Modelle in Verbindung mit Simulationstools kann nicht nur das Rapid Prototyping erleichtern, sondern auch das Testen und Verifizieren von Software ermöglichen.
Im Kontext des modellgetriebenen Designs kann die Hardware-in-the-Loop-Simulation verwendet werden, um die dynamischen Effekte des Systems schnell und effizient zu testen, was mit herkömmlichen Designmethoden nicht erreicht werden kann.
Historischer Hintergrund des modellgetriebenen Designs
Bereits in den 1920er Jahren ermöglichte die Schnittstelle der beiden Ingenieursgebiete Regelungstheorie und Regelungssysteme die Realisierung groß angelegter integrierter Systeme. Frühe Steuerungssysteme wurden meist in industriellen Umgebungen eingesetzt, beispielsweise in großen Fabriken, in denen Prozessregler zur Regelung kontinuierlicher Variablen wie Temperatur und Druck eingesetzt wurden. Mit der weiteren technologischen Entwicklung, insbesondere während des Wettlaufs ins All in den 1950er und 1960er Jahren, erlangten eingebettete Steuerungssysteme zunehmend Aufmerksamkeit.
Ingenieure bauen weiterhin Steuerungssysteme wie Triebwerkssteuergeräte und Flugsimulatoren, die Teil des Endprodukts werden. Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts waren eingebettete Steuerungssysteme allgegenwärtig, und sogar viele Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen und Klimaanlagen enthielten komplexe Steuerungsalgorithmen, die die „intelligenten“ Eigenschaften dieser Geräte verbesserten.
Hauptschritte des modellgetriebenen Designs
Zu den Hauptschritten des modellgesteuerten Designs gehören: Erstens die Fabrikmodellierung, die auf datengesteuerter Modellierung oder First-Principles-Modellierung basieren kann. Bei der datengesteuerten Modellierung handelt es sich typischerweise um Systemidentifikationstechniken, die mathematische Modelle durch das Sammeln und Verarbeiten von Rohdaten aus realen Systemen identifizieren.
Durch Simulation und Analyse kann modellgesteuertes Design Systemfehler in den frühen Entwurfsphasen identifizieren und die zeitlichen und finanziellen Auswirkungen späterer Änderungen reduzieren.
Die First-Principles-Modellierung basiert auf den bekannten Differentialalgebraischen Gleichungen und erstellt das entsprechende Blockdiagrammmodell. Anschließend wird das generierte mathematische Modell zur Analyse und Synthese des Controllers verwendet, anschließend werden Offline- und Echtzeitsimulationen durchgeführt und schließlich wird der Controller durch Codegenerierung in das tatsächliche System implementiert. Diese Schritte können alle in einer einheitlichen visuellen Umgebung durchgeführt werden, wodurch der gesamte Designprozess effizienter wird.
Vor- und Nachteile des modellgetriebenen Designs
Obwohl modellgesteuertes Design viele Vorteile bietet, wie z. B. die Erleichterung der Kommunikation und Datenanalyse zwischen verschiedenen Entwicklungsteams, gibt es auch einige Herausforderungen. Beispielsweise gibt es immer noch Fragen zur Anwendbarkeit und Effizienz allgemeiner Berichterstattungspraktiken für eingebettete Systeme und Systementwicklung, insbesondere in tatsächlichen Produktionsumgebungen. Darüber hinaus führt eine übermäßige Abhängigkeit von der Toolkette manchmal dazu, dass der gesamte Engineering-Prozess beeinträchtigt wird, was sorgfältig abgewogen werden muss.
Während neue Tools wie Drei-Wege-Merges bei der Verwaltung der Versionskontrolle hilfreich sein können, bleibt die effektive Integration dieser Lösungen in bestehende Arbeitsabläufe eine komplexe Aufgabe.
Wie hat modellbasiertes Design in den hart umkämpften Umgebungen der Luft- und Raumfahrt- und Automobiltechnik die Art und Weise verändert, wie in diesen Branchen Design durchgeführt wird? Ist diese Frage immer noch eine weitere Überlegung wert?
