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伝統から現代へ: モデル駆動設計は制御システムの開発方法にどのような革命をもたらすのでしょうか?
急速に変化する技術分野において、モデル駆動設計 (MBD) は、数学的および視覚的な手法を使用して、複雑な制御、信号処理、および通信システムを設計するためのソリューションを提供します。この設計手法は産業機器、航空宇宙、自動車など多くの応用分野で広く利用されており、組み込みソフトウェアの設計に大きな変化をもたらしています。
モデル駆動設計は、開発サイクル (V モデル) をサポートしながら、設計プロセス全体にわたるコミュニケーションを促進する効率的な共通フレームワークを提供します。
従来の設計手法では、複雑な構造や嵩張るコードに依存することがよくありますが、モデル駆動設計では、設計者が連続および離散モデリング ブロックを使用して、高度な機能特性を備えたプラント モデルを定義できます。これらのモデルは、シミュレーション ツールの助けを借りて、ラピッド プロトタイピング、ソフトウェア テスト、検証のプロセスを進めることができます。これにより、テストと検証のプロセスが強化されるだけでなく、ハードウェアインザループ シミュレーションを使用して、より高速かつ効率的な方法でシステムの動的な影響を調べることが可能になります。
歴史
モデル駆動設計の歴史は、制御理論と制御システムという 2 つの工学的側面が統合されて大規模な統合システムが可能になった 1920 年代に遡ります。初期の頃、制御システムは主に工業環境で使用され、大規模なプロセス施設では温度、圧力、流量などの連続変数を制御するためにプロセス コントローラーを使用し始めました。電気リレーのパッチパネル ネットワークは、製造プロセス全体を自動化した最初の個別制御デバイスの 1 つです。
20 世紀の終わりまでに、組み込み制御システムは至るところに普及し、洗濯機やエアコンなどの家庭用電化製品には複雑で高度な制御アルゴリズムが組み込まれ、より「インテリジェント」になりました。
1950 年代と 1960 年代、航空宇宙工学の隆盛により組み込み制御システムの開発が促進され、エンジニアはエンジン制御ユニットやフライト シミュレーターなどの制御システムを構築し始めました。最初のコンピュータベースのコントローラは 1969 年に導入されました。これらの初期のプログラマブル ロジック コントローラ (PLC) は、時代遅れのリレー ラダーを使用して既存のディスクリート制御テクノロジをシミュレートしました。 PC テクノロジーの出現により、制御市場は劇的な変化を遂げました。一般的なデスクトップ コンピューターは、プロセス ユニット全体を実行して複雑な PID アルゴリズムを実行したり、分散制御システム (DCS) として使用したりできます。
モデル駆動設計の主な手順
モデル駆動設計の主な手順は次のとおりです。
- プラント モデリング:プラント モデリングは、データ駆動型または第一原理に基づくことができます。データ駆動型プラント モデリングでは、システム識別技術を使用して、実際のシステムから生データを取得して処理することでプラント モデルを識別します。
- コントローラーの分析と合成: プラント モデリングで得られた数学的モデルを使用して、プラント モデルの動的特性を特定し、これらの特性に基づいてコントローラーを合成します。
- オフライン シミュレーションとリアルタイム シミュレーション: 単純な線形時不変モデルまたは非線形モデルをシミュレーションして、動的システムの時間応答を研究します。自動生成されたコントローラー コードを使用してリアルタイム シミュレーションを実行できます。
- デプロイメント: 理想的には、このステップは、開発されたコントローラーからコードを生成し、繰り返しデバッグすることによって実行されます。モデル駆動設計ツールを使用すると、統一されたビジュアル環境内でこれらの反復を実行できます。
メリットとデメリット
モデル駆動設計には次のような欠点があります。
- このアプローチは、多くの場合、特定の状況に合わせてカスタマイズできない、万能のソリューションです。
- バージョン管理の課題、特に相違点の処理やマージ操作など、バージョンを管理するための高品質なツールが不足していることが、管理上の困難を引き起こす可能性があります。
ただし、モデル駆動設計には無視できない利点がいくつかあります。
- 異なる開発チーム間のコミュニケーションとシステム検証を促進するための共通の設計環境を提供します。
- 設計の再利用性が向上し、アップグレードや派生システムの改善が容易になります。
グラフィカル モデリング ツールは、設計の効率を向上させるように設計されており、複雑なモデルを個々の設計ブロックの階層構造に単純化して、設計プロセスの煩雑さを軽減します。
Simulink や LabVIEW などの最新ツールの登場により、制御システムの開発においてモデル駆動設計がますます一般的になってきています。これは、将来の設計がモデル駆動設計に依存することを意味しますか?
