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從傳統到現代：模型驅動設計如何徹底改變控制系統的開發方式？
在快速變化的科技領域，模型驅動設計（MBD）以其數學和視覺方法，為設計複雜控制、信號處理及通信系統提供了解決方案。這一設計方法在工業設備、航太及汽車等多個應用領域中獲得廣泛應用，顯示出它為嵌入式軟體的設計帶來的顯著變革。
模型驅動設計提供了一個高效的共同框架，有助於在整個設計過程中進行溝通，同時支持開發週期（V模型）。
傳統設計方法通常依賴於複雜的結構和龐大的程式碼，而模型驅動設計則使設計師能夠使用連續和離散建模區塊來定義具有先進功能特性的植物模型。這些模型在模擬工具的輔助下，可以推進快速原型測試、軟體測試及驗證的進程。這不僅加強了測試和驗證過程，還可以使用硬體在迴路的模擬，以更快且更高效的方式檢測系統的動態效果。
歷史
模型驅動設計的歷史可以追溯到1920年代，那時控制理論和控制系統的兩個工程方面融合，讓大規模集成系統成為可能。在早期，控制系統主要用於工業環境，大型過程設施開始使用過程控制器來調節溫度、壓力及流量等持續變數。電氣繼電器構成的接線板網路是最早自動化整個製造過程的離散控制設備之一。
到20世紀末，嵌入式控制系統已無處不在，家用電器如洗衣機和空調機中，都包含了複雜且先進的控制算法，令其變得更加“智能”。
進入1950年代和1960年代，航天工程的興起促進了嵌入式控制系統的發展，工程師開始構建包括發動機控制單元和飛行模擬器的控制系統。1969年，首個基於計算機的控制器問世，這些早期的可編程邏輯控制器（PLC）模擬了已存在的使用過時繼電器梯子的離散控制技術。隨著PC技術的出現，控制市場發生了劇變，通常的桌面電腦可以運行整個過程單元並執行複雜的PID算法或作為分散控制系統（DCS）使用。
模型驅動設計的主要步驟
模型驅動設計的主要步驟包括：
- 植物建模：植物建模可以是數據驅動的或基於第一原理。數據驅動的植物建模使用系統識別技術，通過獲取和處理真實系統的原始數據來識別植物模型。
- 控制器分析與合成：使用在植物建模中獲得的數學模型來識別植物模型的動態特性，然後根據這些特性合成控制器。
- 離線模擬與實時模擬：通過模擬簡單的線性時不變模型或非線性模型來研究動態系統的時間響應。實時模擬可以通過自動生成的控制器代碼進行。
- 部署：理想情況下，這一步通過從所開發的控制器生成代碼來完成，並進行迭代調試。模型驅動設計工具允許在統一視覺環境中進行這些迭代。
優缺點
模型驅動設計的缺點包含：
- 該方法常常是一種普遍適用的解決方案，無法針對特定情況進行定制。
- 版本控制的挑戰，由於缺乏高質量的工具來管理版本，尤其是對於處理差異和合併操作，會引發管理困難。
然而，模型驅動設計還是有一些不可忽視的優勢：
- 提供共同的設計環境，促進了不同開發團隊之間的溝通和系統驗證。
- 設計重用性提高，便於對升級和衍生系統進行改進。
圖形建模工具旨在提高設計的效率，將複雜模型簡化為個別設計塊的階層結構，使設計過程不再繁瑣。
隨著像Simulink和LabVIEW等現代工具的出現，模型驅動設計在控制系統的開發上越來越普及，這是否意味著未來的設計都會以此為依託呢？
