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Dalla tradizione alla modernità: in che modo la progettazione model-driven rivoluziona il modo in cui vengono sviluppati i sistemi di controllo?
Nel campo tecnologico in rapida evoluzione, la progettazione basata su modelli (MBD) fornisce soluzioni per la progettazione di sistemi complessi di controllo, elaborazione dei segnali e comunicazione con i suoi metodi matematici e visivi. Questo metodo di progettazione è stato ampiamente utilizzato in molti campi applicativi come apparecchiature industriali, aerospaziali e automobilistiche, dimostrando di aver apportato cambiamenti significativi alla progettazione del software incorporato.
La progettazione basata su modelli fornisce un quadro comune efficiente che facilita la comunicazione durante tutto il processo di progettazione, supportando al contempo il ciclo di sviluppo (V-Model).
Mentre i metodi di progettazione tradizionali spesso si basano su strutture complesse e codici voluminosi, la progettazione basata su modelli consente ai progettisti di utilizzare blocchi di modellazione continui e discreti per definire modelli di impianti con proprietà funzionali avanzate. Questi modelli, aiutati da strumenti di simulazione, possono far avanzare il processo di prototipazione rapida, test e verifica del software. Ciò non solo migliora il processo di test e verifica, ma consente anche l'uso della simulazione hardware-in-the-loop per esaminare gli effetti dinamici del sistema in modo più rapido ed efficiente.
Storia
La storia della progettazione basata su modelli risale agli anni '20, quando i due aspetti ingegneristici della teoria del controllo e dei sistemi di controllo si unirono per rendere possibili sistemi integrati su larga scala. All’inizio, i sistemi di controllo venivano utilizzati principalmente in ambienti industriali, con grandi strutture di processo che cominciavano a utilizzare controllori di processo per regolare variabili continue come temperatura, pressione e flusso. Una rete di pannelli di connessione di relè elettrici è stata uno dei primi dispositivi di controllo discreti ad automatizzare l'intero processo di produzione.
Entro la fine del XX secolo, i sistemi di controllo integrati erano ormai onnipresenti e gli elettrodomestici come lavatrici e condizionatori d'aria contenevano algoritmi di controllo complessi e avanzati, che li rendevano più "intelligenti".
Negli anni '50 e '60, l'ascesa dell'ingegneria aerospaziale promosse lo sviluppo di sistemi di controllo integrati e gli ingegneri iniziarono a costruire sistemi di controllo, tra cui unità di controllo del motore e simulatori di volo. I primi controllori basati su computer furono introdotti nel 1969. Questi primi controllori logici programmabili (PLC) simulavano la tecnologia di controllo discreta esistente utilizzando relè ladder obsoleti. Il mercato del controllo ha subito drastici cambiamenti con l’avvento della tecnologia PC, dove un tipico computer desktop può gestire un’intera unità di processo ed eseguire algoritmi PID complessi o essere utilizzato come sistema di controllo decentralizzato (DCS).
Passaggi principali della progettazione model-driven
I passaggi principali della progettazione basata su modello includono:
- Modellazione degli impianti:la modellazione degli impianti può essere basata sui dati o su principi primi. La modellazione degli impianti basata sui dati utilizza tecniche di identificazione del sistema per identificare i modelli degli impianti acquisendo ed elaborando dati grezzi da sistemi reali.
- Analisi e sintesi del controller: utilizzare modelli matematici ottenuti nella modellazione dell'impianto per identificare le caratteristiche dinamiche del modello dell'impianto e quindi sintetizzare i controller in base a queste caratteristiche.
- Simulazione offline e in tempo reale: studia la risposta temporale dei sistemi dinamici simulando semplici modelli lineari tempo-invarianti o non lineari. La simulazione in tempo reale può essere eseguita con il codice del controller generato automaticamente.
- Deployment: idealmente, questo passaggio viene eseguito generando codice dal controller sviluppato ed effettuando il debug in modo iterativo. Gli strumenti di progettazione basati su modello consentono a queste iterazioni di avvenire all'interno di un ambiente visivo unificato.
Vantaggi e svantaggi
Gli svantaggi della progettazione basata su modello includono:
- Questo approccio è spesso una soluzione unica per tutti che non può essere personalizzata per una situazione specifica.
- La sfida del controllo delle versioni, la mancanza di strumenti di alta qualità per gestire le versioni, in particolare per la gestione delle differenze e le operazioni di unione, possono causare difficoltà di gestione.
Tuttavia, la progettazione basata su modelli presenta ancora alcuni vantaggi che non possono essere ignorati:
- Fornisce un ambiente di progettazione comune per promuovere la comunicazione e la verifica del sistema tra diversi team di sviluppo.
- La riusabilità del design è migliorata, rendendo più semplice il miglioramento degli aggiornamenti e dei sistemi derivati.
Gli strumenti di modellazione grafica sono progettati per migliorare l'efficienza della progettazione, semplificando modelli complessi in strutture gerarchiche di singoli blocchi di progettazione, rendendo il processo di progettazione meno macchinoso.
Con l'avvento di strumenti moderni come Simulink e LabVIEW, la progettazione basata su modelli sta diventando sempre più popolare nello sviluppo di sistemi di controllo. Ciò significa che i progetti futuri si baseranno su questo?
