모델 기반 설계

Model-based design
소프트웨어 모델 기반 설계는 물리적 객체의 모델 기반 정의와 혼동해서는 안 됩니다.

모델 기반 설계(MBD)는 복잡한 제어,[1] 신호 처리[2] 및 통신 시스템 설계와 관련된 문제를 해결하기 위한 수학적이고 시각적인 방법입니다.많은 모션 컨트롤, 산업 장비, 항공우주 [3][4][5]및 자동차 애플리케이션에 사용됩니다.모델 기반 설계는 임베디드 소프트웨어 [6][7][8]설계에 적용되는 방법론입니다.

개요

모델 기반 설계는 개발 주기(V-모델)를 지원하면서 설계 프로세스 전반에 걸쳐 공통 커뮤니케이션 프레임워크를 구축하기 위한 효율적인 접근 방식을 제공합니다.모델 기반 제어 시스템 설계에서 개발은 다음 4단계로 이루어집니다.

  1. 플랜트 모델링,
  2. 발전소의 제어장치를 분석 및 합성하고,
  3. 플랜트 및 컨트롤러 시뮬레이션,
  4. 컨트롤러를 도입함으로써 이러한 모든 단계를 통합합니다.

모형 기반 설계는 기존 설계 방법론과는 크게 다릅니다.설계자는 복잡한 구조와 광범위한 소프트웨어 코드를 사용하는 대신 모델 기반 설계를 사용하여 연속 시간 및 이산 시간 구성 요소를 사용하여 고급 기능 특성을 가진 플랜트 모델을 정의할 수 있습니다.시뮬레이션 도구와 함께 사용되는 이러한 빌드 모델은 신속한 프로토타이핑, 소프트웨어 테스트 및 검증으로 이어질 수 있습니다.테스트 및 검증 프로세스가 강화되었을 뿐만 아니라 경우에 따라서는 하드웨어 인더루프 시뮬레이션을 새로운 설계 패러다임과 함께 사용하여 기존 설계 방법론보다 시스템에 대한 동적 효과 테스트를 더 빠르고 효율적으로 수행할 수 있습니다.

역사

전기 시대의 시작은 많은 혁신적이고 진보된 제어 시스템을 가져왔다.1920년대에 엔지니어링, 제어 이론 및 제어 시스템의 두 가지 측면이 대규모 통합 시스템을 가능하게 하기 위해 통합되었습니다.초기에는 산업 환경에서 일반적으로 제어 시스템이 사용되었습니다.대규모 공정 시설에서는 온도, 압력, 유량 등의 연속 변수를 조절하기 위해 공정 컨트롤러를 사용하기 시작했습니다.사다리 모양의 네트워크에 내장된 전기 릴레이는 전체 제조 공정을 자동화하는 최초의 개별 제어 장치 중 하나였습니다.

제어 시스템은 주로 자동차 및 항공우주 분야에서 탄력을 받았습니다.1950년대와 1960년대에 우주로의 추진은 임베디드 제어 시스템에 대한 관심을 불러일으켰다.엔지니어는 최종 생산물의 일부가 될 수 있는 엔진 제어 장치 및 비행 시뮬레이터와 같은 제어 시스템을 구축했습니다.20세기 말까지 임베디드 제어 시스템은 어디에나 보급되었습니다. 세탁기나 에어컨과 같은 흰색 제품에도 복잡하고 고급 제어 알고리즘이 포함되어 있어 훨씬 더 "지능적"이 되었습니다.

1969년에 최초의 컴퓨터 기반 컨트롤러가 도입되었습니다.이러한 초기 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)는 오래된 릴레이 래더를 사용한 이미 사용 가능한 이산 제어 기술의 작동을 모방했습니다.PC 기술의 등장은 프로세스와 개별 제어 시장에 급격한 변화를 가져왔다.적절한 하드웨어와 소프트웨어를 탑재한 기성 데스크톱에서는 프로세스 유닛 전체를 실행하여 복잡하고 확립된 PID 알고리즘을 실행하거나 Distributed Control System(DCS; 분산 제어 시스템)으로 동작할 수 있습니다.

순서

모델 기반 설계 접근법의 주요 단계는 다음과 같습니다.

  1. 플랜트 모델링플랜트 모델링은 데이터 중심 또는 제1원칙에 기초할 수 있습니다.데이터 기반 플랜트 모델링은 시스템 식별과 같은 기술을 사용합니다.시스템 식별을 통해 플랜트 모델은 실제 시스템에서 원시 데이터를 취득 및 처리하고 수학적 모델을 식별하기 위한 수학적 알고리즘을 선택함으로써 식별된다.모델 기반 컨트롤러를 설계하기 전에 식별된 모델을 사용하여 다양한 종류의 분석 및 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.제1원칙 기반 모델링은 발전소 역학을 지배하는 알려진 미분 대수 방정식을 구현하는 블록 다이어그램 모델을 만드는 것에 기초한다.제1원칙 기반 모델링의 한 종류는 물리적 모델링으로, 모델은 실제 공장의 물리적 요소를 나타내는 연결된 블록으로 구성됩니다.
  2. 컨트롤러 분석 및 통합1단계에서 착안한 수학적 모델은 발전소 모델의 동적 특성을 식별하기 위해 사용됩니다.다음으로 이들 특성에 기초하여 컨트롤러를 합성할 수 있다.
  3. 오프라인 시뮬레이션 및 실시간 시뮬레이션복잡하고 시간 가변적인 입력에 대한 동적 시스템의 시간 응답을 조사합니다.이는 단순한 LTI(Linear Time-Invariant) 모델을 시뮬레이션하거나 컨트롤러로 발전소의 비선형 모델을 시뮬레이션함으로써 이루어집니다.시뮬레이션을 통해 설계 작업의 후반이 아니라 사양, 요구사항 및 모델링 오류를 즉시 찾을 수 있습니다.실시간 시뮬레이션은 2단계에서 개발한 컨트롤러의 코드를 자동으로 생성함으로써 수행할 수 있습니다.이 코드는 코드를 실행하고 공장의 작동을 제어할 수 있는 특별한 실시간 프로토타이핑 컴퓨터에 배포될 수 있습니다.발전소 프로토타입을 사용할 수 없거나 프로토타입에 대한 테스트가 위험하거나 비용이 많이 드는 경우 발전소 모델에서 코드를 자동으로 생성할 수 있습니다.이 코드는 실행 중인 컨트롤러 코드를 사용하여 대상 프로세서에 연결할 수 있는 특별한 실시간 컴퓨터에 배포할 수 있습니다.따라서 컨트롤러는 실시간 발전소 모델에 대해 실시간으로 테스트할 수 있습니다.
  4. 도입.스텝 2에서 개발한 컨트롤러에서 코드 생성을 통해 실행하는 것이 이상적입니다.컨트롤러가 시뮬레이션에서와 같이 실제 시스템에서 동작할 가능성은 낮기 때문에 실제 타깃에 대한 결과를 분석하고 컨트롤러 모델을 갱신함으로써 반복적인 디버깅프로세스가 실행됩니다.모델 기반 설계 도구를 사용하면 이러한 모든 단계를 통합된 시각적 환경에서 수행할 수 있습니다.

단점들

모델 기반 설계의 단점은 제품의 개발 라이프 사이클과 개발 라이프 사이클에서 상당히 잘 이해되고 있습니다.

  • 한 가지 큰 단점은 표준 임베디드 및 시스템 개발에 대한 포괄적 또는 포괄적 접근법이라는 것입니다.대부분의 경우 프로세서와 에코시스템 간에 포팅하는 데 걸리는 시간이 단순한 랩 기반 구현에서 제공하는 시간적 가치를 초과할 수 있습니다.
  • 컴파일 툴 체인의 대부분은 클로즈드 소스이며 포스트 오류 및 기타 일반적인 컴파일 오류는 기존 시스템 엔지니어링에서 쉽게 수정할 수 있습니다.
  • 설계 및 재사용 패턴으로 인해 해당 작업에 적합하지 않은 모델을 구현할 수 있습니다.예를 들어 열센서, 속도센서, 전류센서를 사용하는 컨베이어벨트 생산설비의 컨트롤러 실장.이 모델은 일반적으로 모터 컨트롤러 등의 재실장에는 적합하지 않습니다.단, 이러한 모델을 포팅하여 모든 소프트웨어 장애를 도입하는 것은 매우 간단합니다.


모델 기반 설계는 테스트 시나리오를 시뮬레이션하고 시뮬레이션을 잘 해석할 수 있지만 실제 운영 환경에서는 적합하지 않은 경우가 많습니다.특정 툴 체인에 지나치게 의존하면 상당한 재작업이 발생하고 전체 엔지니어링 접근 방식이 손상될 수 있습니다.벤치 작업에는 적합하지만, 생산 시스템에 사용할 수 있는 선택은 매우 신중하게 이루어져야 합니다.

이점

기존 접근 방식에 비해 모델 기반 설계의 장점은 다음과 같습니다.[9]

  • 모델 기반 설계는 다양한 (개발) 그룹 간의 일반적인 통신, 데이터 분석 및 시스템 검증을 용이하게 하는 공통 설계 환경을 제공합니다.
  • 엔지니어는 시스템 변경에 따른 시간과 재정적 영향을 최소화할 때 시스템 설계 초기에 오류를 찾아 수정할 수 있습니다.
  • 업그레이드 및 기능이 확장된 파생 시스템의 설계 재사용이 촉진됩니다.

그래픽 툴의 한계 때문에 설계 엔지니어는 이전에는 텍스트 기반 프로그래밍과 수학적 모델에 크게 의존했습니다.그러나 이러한 모델을 개발하는 데는 시간이 많이 걸렸고 오류가 발생하기 쉬웠습니다.게다가 텍스트 베이스의 프로그램을 디버깅하는 것은 귀찮은 프로세스입니다.특히 수학적 모델은 다양한 설계 단계에서 번역 중에 눈에 보이지 않는 변경을 겪기 때문에 최종적인 무장애 모델을 작성하기 위해서는 많은 시행착오가 필요합니다.

그래픽 모델링 도구는 설계의 이러한 측면을 개선하는 것을 목표로 합니다.이러한 도구는 매우 일반적이고 통합된 그래픽 모델링 환경을 제공하며 모델 설계를 개별 설계 블록의 계층 구조로 세분화함으로써 모델 설계의 복잡성을 줄입니다.따라서 설계자는 단순히 하나의 블록 요소를 다른 블록 요소로 대체함으로써 여러 수준의 모델 충실도를 달성할 수 있습니다.또한 그래픽 모델을 통해 엔지니어는 전체 시스템을 개념화하고 설계 프로세스에서 한 단계에서 다른 단계로 모델을 전송하는 프로세스를 단순화할 수 있습니다.Boeing의 시뮬레이터 EASY5는 Bond Graph 이론에 기초한 멀티 도메인, 멀티 레벨 플랫폼인 AMESim과 함께 그래픽 사용자 인터페이스를 제공하는 최초의 모델링 도구 중 하나였다.곧이어 20-sim 및 Dymola와 같은 툴이 등장하여 모델을 질량, 스프링, 저항기 등과 같은 물리적 구성요소로 구성할 수 있게 되었습니다.그 후 Simulink나 LabVIEW와 같은 다른 많은 최신 툴이 도입되었습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Reedy, J.; Lunzman, S. (2010). Model Based Design Accelerates the Development of Mechanical Locomotive Controls. SAE 2010 Commercial Vehicle Engineering Congress. doi:10.4271/2010-01-1999. SAE Technical Paper 2010-01-1999.
  2. ^ Ahmadian, M.; Nazari, Z. J.; Nakhaee, N.; Kostic, Z. (2005). Model based design and SDR (PDF). 2nd IEE/EURASIP Conference on DSP Enabled Radio. pp. 19–99. doi:10.1049/ic:20050389. ISBN 0-86341-560-1.
  3. ^ 자동 코드 생성기용 소프트웨어 안전 인증 플러그인:타당성 조사 및 예비 설계
  4. ^ General Motors, MathWorks 모델 기반 설계로 2모드 하이브리드 파워트레인 개발, 예상 개발 시간 24개월 단축
  5. ^ Dias, B. M. D.; Laganá, A. A. M.; Justo, J. F.; Yoshika, L. R.; Santos, M. M. D.; Gu, Z. H. (2018). "Model-Based Development of an Engine Control Module for a Spark Ignition Engine". IEEE Access. 6: 53638-53649. doi:10.1109/ACCESS.2018.2870061.
  6. ^ 메카트로닉스 시스템용 모델 기반 설계, 머신 디자인, 2007년 11월 21일 2010년 11월 25일 Wayback Machine에서 아카이브
  7. ^ Nicolescu, Gabriela; Mosterman, Pieter J., eds. (2010). Model-Based Design for Embedded Systems. Computational Analysis, Synthesis, and Design of Dynamic Systems. Vol. 1. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-1-4200-6784-2.
  8. ^ "Model-based design reshaping Disney parks". Archived from the original on 2016-08-28. Retrieved 2016-02-18.
  9. ^ 모델 기반 디자인을 선택한 자동차 메이커, Design News, 2010년 11월 5일 2010년 11월 25일 Wayback Machine에서 아카이브