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De la tradición a la modernidad: ¿Cómo revoluciona el diseño basado en modelos la forma en que se desarrollan los sistemas de control?
En el campo tecnológico que cambia rápidamente, el diseño basado en modelos (MBD) proporciona soluciones para diseñar sistemas complejos de control, procesamiento de señales y comunicación con sus métodos matemáticos y visuales. Este método de diseño se ha utilizado ampliamente en muchos campos de aplicación, como equipos industriales, aeroespaciales y automóviles, lo que demuestra que ha aportado cambios significativos en el diseño de software integrado.
El diseño basado en modelos proporciona un marco común eficiente que facilita la comunicación durante todo el proceso de diseño y al mismo tiempo respalda el ciclo de desarrollo (V-Model).
Si bien los métodos de diseño tradicionales a menudo se basan en estructuras complejas y códigos voluminosos, el diseño basado en modelos permite a los diseñadores utilizar bloques de modelado continuos y discretos para definir modelos de plantas con propiedades funcionales avanzadas. Estos modelos, con la ayuda de herramientas de simulación, pueden avanzar en el proceso de creación rápida de prototipos, pruebas y verificación de software. Esto no sólo mejora el proceso de prueba y verificación, sino que también permite el uso de simulación de hardware en el bucle para examinar los efectos dinámicos del sistema de una manera más rápida y eficiente.
Historia
La historia del diseño basado en modelos se remonta a la década de 1920, cuando los dos aspectos de ingeniería de la teoría del control y los sistemas de control se fusionaron para hacer posibles los sistemas integrados a gran escala. Al principio, los sistemas de control se usaban principalmente en entornos industriales, y las grandes instalaciones de procesos comenzaron a utilizar controladores de procesos para regular variables continuas como temperatura, presión y flujo. Una red de paneles de conexión de relés eléctricos fue uno de los primeros dispositivos de control discretos en automatizar todo el proceso de fabricación.
A finales del siglo XX, los sistemas de control integrados eran omnipresentes y los electrodomésticos como lavadoras y aires acondicionados contenían algoritmos de control complejos y avanzados, lo que los hacía más "inteligentes".
En las décadas de 1950 y 1960, el auge de la ingeniería aeroespacial promovió el desarrollo de sistemas de control integrados y los ingenieros comenzaron a construir sistemas de control que incluían unidades de control de motores y simuladores de vuelo. Los primeros controladores basados en computadora se introdujeron en 1969. Estos primeros controladores lógicos programables (PLC) simularon la tecnología de control discreto existente utilizando escaleras de retransmisión anticuadas. Con la llegada de la tecnología de las PC, el mercado del control ha experimentado cambios drásticos. Una computadora de escritorio típica puede ejecutar una unidad de proceso completa y ejecutar algoritmos PID complejos o usarse como un sistema de control descentralizado (DCS).
Pasos principales del diseño basado en modelos
Los pasos principales del diseño basado en modelos incluyen:
- Modelado de plantas:El modelado de plantas puede basarse en datos o en principios básicos. El modelado de plantas basado en datos utiliza técnicas de identificación de sistemas para identificar modelos de plantas mediante la adquisición y el procesamiento de datos sin procesar de sistemas reales.
- Análisis y síntesis de controladores: Utilice modelos matemáticos obtenidos en el modelado de plantas para identificar las características dinámicas del modelo de planta y luego sintetizar controladores basados en estas características.
- Simulación fuera de línea versus en tiempo real: estudie la respuesta temporal de sistemas dinámicos mediante la simulación de modelos lineales simples, invariantes en el tiempo o no lineales. La simulación en tiempo real se puede realizar con un código de controlador generado automáticamente.
- Implementación: Idealmente, este paso se realiza generando código a partir del controlador desarrollado y depurando de forma iterativa. Las herramientas de diseño basadas en modelos permiten que estas iteraciones ocurran dentro de un entorno visual unificado.
Ventajas y desventajas
Las desventajas del diseño basado en modelos incluyen:
- Este enfoque suele ser una solución única que no se puede personalizar para una situación específica.
- El desafío del control de versiones, la falta de herramientas de alta calidad para administrar versiones, especialmente para manejar diferencias y operaciones de fusión, puede causar dificultades de administración.
Sin embargo, el diseño basado en modelos todavía tiene algunas ventajas que no se pueden ignorar:
- Proporciona un entorno de diseño común para promover la comunicación y la verificación del sistema entre diferentes equipos de desarrollo.
- Se mejora la reutilización del diseño, lo que facilita la mejora de las actualizaciones y los sistemas derivados.
Las herramientas de modelado gráfico están diseñadas para mejorar la eficiencia del diseño, simplificando modelos complejos en estructuras jerárquicas de bloques de diseño individuales, haciendo que el proceso de diseño sea menos engorroso.
Con la aparición de herramientas modernas como Simulink y LabVIEW, el diseño basado en modelos se está volviendo cada vez más popular en el desarrollo de sistemas de control. ¿Significa esto que los diseños futuros dependerán de esto?
