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Perché il design basato su modelli diventa l'arma segreta per la progettazione aerospaziale e automobilistica
La progettazione basata su modelli (MBD) è un approccio matematico e visivo alla risoluzione dei problemi nella progettazione di sistemi complessi di controllo, elaborazione del segnale e comunicazione. Questo metodo è ampiamente utilizzato nel controllo del movimento, nelle apparecchiature industriali, nelle applicazioni aerospaziali e automobilistiche. Con il continuo progresso della tecnologia, la progettazione basata su modelli sta gradualmente diventando una strategia fondamentale nel processo di progettazione di questi settori.
La progettazione basata su modelli fornisce un modo efficiente per stabilire un quadro comune durante l'intero processo di progettazione e supportare il ciclo di sviluppo.
Nella progettazione basata su modelli di sistemi di controllo, il processo di sviluppo può essere riassunto in quattro fasi principali: modellazione dell'impianto, analisi e sintesi del controllore, simulazione dell'impianto e del controllore e, infine, integrazione di tutte queste fasi per implementare il controllore. . distribuire. Questo approccio è diverso dai concetti di progettazione tradizionali. I progettisti non hanno più bisogno di usare strutture complesse e codici software lunghi. Invece, possono usare blocchi di costruzione continui e discreti per definire modelli di fabbrica con funzionalità funzionali avanzate. Tali modelli, se utilizzati insieme agli strumenti di simulazione, non solo facilitano la prototipazione rapida, ma consentono anche il test e la convalida del software.
Nel contesto della progettazione basata su modelli, la simulazione hardware-in-the-loop può essere utilizzata per testare in modo rapido ed efficiente gli effetti dinamici di un sistema, cosa che non è possibile con i metodi di progettazione tradizionali.
Contesto storico del design basato su modelli
A partire dagli anni '20, i due campi dell'ingegneria della teoria del controllo e dei sistemi di controllo hanno iniziato a convergere per consentire la realizzazione di grandi sistemi integrati. I primi sistemi di controllo operavano principalmente in ambienti industriali. Ad esempio, le grandi fabbriche iniziarono a usare controllori di processo per regolare variabili continue come temperatura e pressione. Con l'ulteriore sviluppo tecnologico, in particolare durante la corsa allo spazio degli anni '50 e '60, i sistemi di controllo integrati acquisirono gradualmente importanza.
Gli ingegneri continuano a costruire sistemi di controllo, come centraline motore e simulatori di volo, che diventano parte del prodotto finale. Entro la fine del ventesimo secolo, i sistemi di controllo integrati erano onnipresenti e perfino molti elettrodomestici, come lavatrici e condizionatori, contenevano complessi algoritmi di controllo, rafforzando la natura "intelligente" di questi dispositivi.
Principali passaggi della progettazione basata sul modello
I passaggi principali della progettazione basata su modelli includono: innanzitutto, la modellazione dell'impianto, che può essere basata sui dati o sui primi principi. La modellazione basata sui dati in genere comporta tecniche di identificazione del sistema, che raccolgono ed elaborano dati grezzi da sistemi del mondo reale per identificare modelli matematici.
Attraverso la simulazione e l'analisi, la progettazione basata su modelli può identificare errori di sistema nelle prime fasi di progettazione, riducendo i tempi e l'impatto finanziario delle modifiche successive.
La prima modellazione dei principi si basa su equazioni differenziali-algebriche note per stabilire il modello di diagramma a blocchi corrispondente. Successivamente, il modello matematico generato viene utilizzato per analizzare e sintetizzare il controller, che viene poi simulato offline e al volo e infine distribuito nel sistema effettivo tramite la generazione di codice. Tutti questi passaggi possono essere completati in un ambiente visivo unificato, migliorando così l'efficienza dell'intero processo di progettazione.
Vantaggi e svantaggi della progettazione basata su modelli
Sebbene la progettazione basata su modelli offra numerosi vantaggi, come ad esempio la facilitazione della comunicazione e dell'analisi dei dati tra diversi team di sviluppo, presenta anche alcune sfide. Ad esempio, permangono ancora dubbi sull'applicabilità e l'efficienza dell'approccio di copertura per lo sviluppo di sistemi e applicazioni embedded in generale, soprattutto negli ambienti di produzione reali. Inoltre, un eccessivo affidamento sulla catena di strumenti può talvolta compromettere l'intero processo di progettazione, il che è un aspetto che deve essere attentamente considerato.
Sebbene nuovi strumenti come l'unione a tre vie aiutino a gestire il controllo delle versioni, integrare efficacemente queste soluzioni nei flussi di lavoro esistenti resta un compito complesso.
Negli ambienti altamente competitivi dell'ingegneria aerospaziale e automobilistica, in che modo la progettazione basata su modelli ha cambiato il modo di progettare in questi settori? Vale ancora la pena riflettere su questa questione?
