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전통에서 현대로: 모델 기반 설계가 제어 시스템 개발 방식에 어떻게 혁명을 일으켰습니까?
급격하게 변화하는 기술 분야에서 모델 기반 설계(MBD)는 수학적, 시각적 방법을 통해 복잡한 제어, 신호 처리 및 통신 시스템을 설계하기 위한 솔루션을 제공합니다. 이러한 설계 방식은 산업장비, 항공우주, 자동차 등 다양한 응용분야에서 널리 활용되어 임베디드 소프트웨어의 설계에 큰 변화를 가져왔음을 보여주고 있다.
모델 기반 설계는 개발 주기(V-Model)를 지원하는 동시에 설계 프로세스 전반에 걸쳐 의사소통을 용이하게 하는 효율적인 공통 프레임워크를 제공합니다.
기존 설계 방법은 종종 복잡한 구조와 부피가 큰 코드에 의존하는 반면, 모델 기반 설계를 통해 설계자는 연속 및 이산 모델링 블록을 사용하여 고급 기능 특성을 갖춘 플랜트 모델을 정의할 수 있습니다. 시뮬레이션 도구의 도움을 받아 이러한 모델은 신속한 프로토타입 제작, 소프트웨어 테스트 및 검증 프로세스를 발전시킬 수 있습니다. 이를 통해 테스트 및 검증 프로세스가 향상될 뿐만 아니라 HIL(Hardware-in-the-Loop) 시뮬레이션을 사용하여 시스템의 동적 효과를 더 빠르고 효율적인 방식으로 검사할 수 있습니다.
역사
모델 기반 설계의 역사는 제어 이론과 제어 시스템의 두 가지 엔지니어링 측면이 통합되어 대규모 통합 시스템이 가능했던 1920년대로 거슬러 올라갑니다. 초기에는 제어 시스템이 주로 산업 환경에서 사용되었으며, 대규모 공정 시설에서는 온도, 압력, 흐름과 같은 연속 변수를 조절하기 위해 공정 컨트롤러를 사용하기 시작했습니다. 전기 계전기의 패치 패널 네트워크는 전체 제조 공정을 자동화한 최초의 개별 제어 장치 중 하나였습니다.
20세기 말에는 내장형 제어 시스템이 보편화되었고, 세탁기, 에어컨과 같은 가전제품에는 복잡하고 고급 제어 알고리즘이 포함되어 더욱 '지능화'되었습니다.
1950년대와 1960년대에는 항공우주 공학의 발전으로 임베디드 제어 시스템의 개발이 촉진되었고 엔지니어들은 엔진 제어 장치와 비행 시뮬레이터를 포함한 제어 시스템을 구축하기 시작했습니다. 최초의 컴퓨터 기반 컨트롤러는 1969년에 출시되었습니다. 이러한 초기 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)는 오래된 릴레이 래더를 사용하여 기존 개별 제어 기술을 시뮬레이션했습니다. PC 기술의 출현으로 제어 시장은 급격한 변화를 겪었습니다. 일반적인 데스크탑 컴퓨터는 전체 프로세스 단위를 실행하고 복잡한 PID 알고리즘을 실행하거나 분산 제어 시스템(DCS)으로 사용될 수 있습니다.
모델 기반 설계의 주요 단계
모델 기반 디자인의 주요 단계는 다음과 같습니다.
- 식물 모델링:식물 모델링은 데이터 기반이거나 첫 번째 원칙을 기반으로 할 수 있습니다. 데이터 기반 플랜트 모델링은 시스템 식별 기술을 사용하여 실제 시스템에서 원시 데이터를 수집하고 처리함으로써 플랜트 모델을 식별합니다.
- 컨트롤러 분석 및 합성: 플랜트 모델링에서 얻은 수학적 모델을 사용하여 플랜트 모델의 동적 특성을 식별한 다음 이러한 특성을 기반으로 컨트롤러를 합성합니다.
- 오프라인 시뮬레이션과 실시간 시뮬레이션: 간단한 선형 시불변 모델 또는 비선형 모델을 시뮬레이션하여 동적 시스템의 시간 응답을 연구합니다. 자동으로 생성된 컨트롤러 코드로 실시간 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.
- 배포: 이상적으로 이 단계는 개발된 컨트롤러에서 코드를 생성하고 반복적으로 디버깅하여 수행됩니다. 모델 기반 설계 도구를 사용하면 통합된 시각적 환경 내에서 이러한 반복이 발생할 수 있습니다.
장점과 단점
모델 기반 디자인의 단점은 다음과 같습니다.
- 이 접근 방식은 특정 상황에 맞게 맞춤설정할 수 없는 일률적인 솔루션인 경우가 많습니다.
- 버전 관리 문제, 특히 차이점 처리 및 병합 작업을 위한 버전 관리를 위한 고품질 도구가 부족하여 관리에 어려움을 겪을 수 있습니다.
그러나 모델 기반 디자인에는 여전히 무시할 수 없는 몇 가지 장점이 있습니다.
- 서로 다른 개발팀 간의 의사소통과 시스템 검증을 촉진하기 위한 공통 디자인 환경을 제공합니다.
- 디자인 재사용성이 향상되어 업그레이드 및 파생 시스템을 더욱 쉽게 개선할 수 있습니다.
그래픽 모델링 도구는 설계 효율성을 향상시키고 복잡한 모델을 개별 설계 블록의 계층 구조로 단순화하여 설계 프로세스를 덜 번거롭게 만들도록 설계되었습니다.
Simulink 및 Labview와 같은 현대적인 도구의 출현으로 모델 중심 디자인은 컨트롤 시스템 개발에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다.
