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Da tradição à modernidade: como o design baseado em modelos revoluciona a forma como os sistemas de controle são desenvolvidos?
No campo tecnológico em rápida mudança, o design orientado a modelos (MBD) fornece soluções para projetar sistemas complexos de controle, processamento de sinais e comunicação com seus métodos matemáticos e visuais. Este método de projeto tem sido amplamente utilizado em diversos campos de aplicação, como equipamentos industriais, aeroespacial e automotivo, mostrando que trouxe mudanças significativas no projeto de software embarcado.
O design orientado a modelos fornece uma estrutura comum eficiente que facilita a comunicação durante todo o processo de design, ao mesmo tempo que dá suporte ao ciclo de desenvolvimento (Modelo V).
Embora os métodos de projeto tradicionais muitas vezes dependam de estruturas complexas e códigos volumosos, o projeto orientado a modelos permite que os projetistas usem blocos de modelagem contínuos e discretos para definir modelos de plantas com propriedades funcionais avançadas. Esses modelos, auxiliados por ferramentas de simulação, podem avançar no processo de prototipagem rápida, teste e verificação de software. Isto não só melhora o processo de teste e verificação, mas também permite o uso de simulação de hardware-in-the-loop para examinar os efeitos dinâmicos do sistema de uma forma mais rápida e eficiente.
Histórico
A história do projeto orientado a modelos remonta à década de 1920, quando os dois aspectos de engenharia da teoria de controle e dos sistemas de controle se fundiram para tornar possíveis sistemas integrados em larga escala. No início, os sistemas de controle eram usados principalmente em ambientes industriais, com grandes instalações de processo começando a usar controladores de processo para regular variáveis contínuas, como temperatura, pressão e vazão. Uma rede de relés elétricos de patch panel foi um dos primeiros dispositivos de controle discretos a automatizar todo o processo de fabricação.
No final do século 20, os sistemas de controle incorporados eram onipresentes e os eletrodomésticos, como máquinas de lavar e aparelhos de ar condicionado, continham algoritmos de controle complexos e avançados, tornando-os mais "inteligentes".
Nas décadas de 1950 e 1960, a ascensão da engenharia aeroespacial promoveu o desenvolvimento de sistemas de controle embarcados, e os engenheiros começaram a construir sistemas de controle, incluindo unidades de controle de motores e simuladores de vôo. Os primeiros controladores baseados em computador foram introduzidos em 1969. Esses primeiros controladores lógicos programáveis (CLPs) simulavam a tecnologia de controle discreto existente usando escadas de relé desatualizadas. O mercado de controle passou por mudanças drásticas com o advento da tecnologia PC, onde um típico computador desktop pode executar uma unidade de processo inteira e executar algoritmos PID complexos ou ser usado como um sistema de controle descentralizado (DCS).
Principais etapas do design orientado a modelos
As principais etapas do design orientado a modelos incluem:
- Modelagem de Plantas:A modelagem de plantas pode ser orientada por dados ou baseada em princípios básicos. A modelagem de plantas orientada por dados utiliza técnicas de identificação de sistemas para identificar modelos de plantas, adquirindo e processando dados brutos de sistemas reais.
- Análise e síntese de controladores: Use modelos matemáticos obtidos na modelagem de planta para identificar as características dinâmicas do modelo de planta e então sintetizar controladores com base nessas características.
- Simulação offline versus em tempo real: estude a resposta temporal de sistemas dinâmicos simulando modelos lineares simples invariantes no tempo ou não lineares. A simulação em tempo real pode ser realizada com código de controlador gerado automaticamente.
- Implantação: Idealmente, esta etapa é realizada gerando código do controlador desenvolvido e depurando iterativamente. As ferramentas de design orientadas por modelo permitem que essas iterações ocorram em um ambiente visual unificado.
Vantagens e desvantagens
As desvantagens do design baseado em modelo incluem:
- Essa abordagem costuma ser uma solução única que não pode ser personalizada para uma situação específica.
- O desafio do controle de versões, a falta de ferramentas de alta qualidade para gerenciar versões, especialmente para lidar com diferenças e operações de mesclagem, podem causar dificuldades de gerenciamento.
No entanto, o design orientado a modelos ainda tem algumas vantagens que não podem ser ignoradas:
- Fornece um ambiente de design comum para promover a comunicação e a verificação do sistema entre diferentes equipes de desenvolvimento.
- A capacidade de reutilização do design foi aprimorada, facilitando o aprimoramento de atualizações e sistemas derivados.
As ferramentas de modelagem gráfica são projetadas para melhorar a eficiência do projeto, simplificando modelos complexos em estruturas hierárquicas de blocos de projeto individuais, tornando o processo de projeto menos complicado.
Com o surgimento de ferramentas modernas como Simulink e LabVIEW, o design orientado a modelos está se tornando cada vez mais popular no desenvolvimento de sistemas de controle. Isso significa que os projetos futuros dependerão disso?
