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De la tradition à la modernité : comment la conception pilotée par modèle révolutionne-t-elle la manière dont les systèmes de contrôle sont développés
Dans un domaine technologique en évolution rapide, la conception pilotée par modèle (MBD) fournit des solutions pour la conception de systèmes complexes de contrôle, de traitement du signal et de communication grâce à ses méthodes mathématiques et visuelles. Cette méthode de conception a été largement utilisée dans de nombreux domaines d’application tels que les équipements industriels, l’aérospatiale et l’automobile, démontrant qu’elle a apporté des changements significatifs dans la conception des logiciels embarqués.
La conception pilotée par modèle fournit un cadre commun efficace qui facilite la communication tout au long du processus de conception tout en prenant en charge le cycle de développement (V-Model).
Alors que les méthodes de conception traditionnelles s'appuient souvent sur des structures complexes et des codes volumineux, la conception basée sur les modèles permet aux concepteurs d'utiliser des blocs de modélisation continus et discrets pour définir des modèles d'usine dotés de propriétés fonctionnelles avancées. Ces modèles, aidés par des outils de simulation, peuvent faire progresser le processus de prototypage rapide, de test et de vérification des logiciels. Cela améliore non seulement le processus de test et de vérification, mais permet également d'utiliser la simulation matérielle dans la boucle pour examiner les effets dynamiques du système de manière plus rapide et plus efficace.
Historique
L'histoire de la conception pilotée par modèle remonte aux années 1920, lorsque les deux aspects techniques de la théorie du contrôle et des systèmes de contrôle ont fusionné pour rendre possibles des systèmes intégrés à grande échelle. Au début, les systèmes de contrôle étaient principalement utilisés dans les environnements industriels, les grandes installations de traitement commençant à utiliser des contrôleurs de processus pour réguler des variables continues telles que la température, la pression et le débit. Un réseau de panneaux de brassage de relais électriques a été l'un des premiers dispositifs de contrôle discret à automatiser l'ensemble du processus de fabrication.
À la fin du XXe siècle, les systèmes de contrôle intégrés étaient omniprésents et les appareils électroménagers tels que les machines à laver et les climatiseurs contenaient des algorithmes de contrôle complexes et avancés, les rendant plus « intelligents ».
Dans les années 1950 et 1960, l'essor de l'ingénierie aérospatiale a favorisé le développement de systèmes de contrôle embarqués, et les ingénieurs ont commencé à construire des systèmes de contrôle comprenant des unités de commande moteur et des simulateurs de vol. Les premiers contrôleurs informatiques ont été introduits en 1969. Ces premiers contrôleurs logiques programmables (PLC) simulaient la technologie de contrôle discret existante à l'aide d'échelles de relais obsolètes. Le marché du contrôle a subi des changements radicaux avec l'avènement de la technologie PC, où un ordinateur de bureau typique peut exécuter une unité de traitement entière et exécuter des algorithmes PID complexes ou être utilisé comme système de contrôle décentralisé (DCS).
Principales étapes de la conception pilotée par modèle
Les principales étapes de la conception pilotée par modèle sont les suivantes :
- Modélisation des installations : la modélisation des installations peut être basée sur des données ou sur des principes premiers. La modélisation d'usine basée sur les données utilise des techniques d'identification de système pour identifier les modèles d'usine en acquérant et en traitant des données brutes provenant de systèmes réels.
- Analyse et synthèse de contrôleurs : utilisez les modèles mathématiques obtenus lors de la modélisation d'usine pour identifier les caractéristiques dynamiques du modèle d'usine, puis synthétisez des contrôleurs basés sur ces caractéristiques.
- Simulation hors ligne ou en temps réel : étudiez la réponse temporelle des systèmes dynamiques en simulant des modèles linéaires simples, invariants dans le temps ou non linéaires. La simulation en temps réel peut être effectuée avec un code de contrôleur généré automatiquement.
- Déploiement : idéalement, cette étape est effectuée en générant du code à partir du contrôleur développé et en déboguant de manière itérative. Les outils de conception pilotés par modèles permettent à ces itérations de se produire dans un environnement visuel unifié.
Avantages et inconvénients
Les inconvénients de la conception basée sur les modèles incluent :
- Cette approche constitue souvent une solution universelle qui ne peut pas être personnalisée pour une situation spécifique.
- Le défi du contrôle des versions et le manque d'outils de haute qualité pour gérer les versions, en particulier pour gérer les différences et les opérations de fusion, peuvent entraîner des difficultés de gestion.
Cependant, la conception pilotée par modèle présente encore certains avantages qui ne peuvent être ignorés :
- Fournit un environnement de conception commun pour promouvoir la communication et la vérification du système entre les différentes équipes de développement.
- La réutilisabilité de la conception a été améliorée, ce qui facilite l'amélioration des mises à niveau et des systèmes dérivés.
Les outils de modélisation graphique sont conçus pour améliorer l'efficacité de la conception, en simplifiant les modèles complexes en structures hiérarchiques de blocs de conception individuels, ce qui rend le processus de conception moins fastidieux.
Avec l'émergence d'outils modernes tels que Simulink et LabVIEW, la conception pilotée par modèle devient de plus en plus populaire dans le développement de systèmes de contrôle. Cela signifie-t-il que les conceptions futures s'appuieront sur cela ?
