Diseño basado en modelos

El diseño basado en modelos ( MBD ) es un método matemático y visual para abordar problemas asociados con el diseño de sistemas complejos de control, ^[1] procesamiento de señales ^[2] y comunicación. Se utiliza en muchas aplicaciones de control de movimiento , equipos industriales, aeroespaciales y automotrices. ^[3]^[4] El diseño basado en modelos es una metodología que se aplica en el diseño de software integrado. ^[5]^[6]^[7]

Descripción general

El diseño basado en modelos proporciona un enfoque eficiente para establecer un marco común de comunicación durante todo el proceso de diseño, al mismo tiempo que respalda el ciclo de desarrollo ( modelo V ). En el diseño basado en modelos de sistemas de control, el desarrollo se manifiesta en estos cuatro pasos:

modelando una planta ,
analizar y sintetizar un controlador para la planta,
simulando la planta y el controlador,
integrando todas estas fases mediante la implementación del controlador.

El diseño basado en modelos es significativamente diferente de la metodología de diseño tradicional. En lugar de utilizar estructuras complejas y un código de software extenso, los diseñadores pueden utilizar el diseño basado en modelos para definir modelos de planta con características funcionales avanzadas utilizando bloques de construcción de tiempo continuo y tiempo discreto. Estos modelos construidos utilizados con herramientas de simulación pueden conducir a una rápida creación de prototipos, pruebas de software y verificación. No solo se mejora el proceso de prueba y verificación, sino que también, en algunos casos, la simulación de hardware en el bucle se puede utilizar con el nuevo paradigma de diseño para realizar pruebas de efectos dinámicos en el sistema de manera más rápida y mucho más eficiente que con la metodología de diseño tradicional.

Historia

Ya en la década de 1920, dos aspectos de la ingeniería, la teoría de control y los sistemas de control, convergieron para hacer posible los sistemas integrados a gran escala. En aquellos primeros tiempos, los sistemas de control se utilizaban comúnmente en el entorno industrial. Las grandes instalaciones de proceso comenzaron a utilizar controladores de proceso para regular variables continuas como la temperatura, la presión y el caudal. Los relés eléctricos integrados en redes tipo escalera fueron uno de los primeros dispositivos de control discretos para automatizar un proceso de fabricación completo.

Los sistemas de control cobraron impulso, principalmente en los sectores de la automoción y la aeronáutica. En los años 1950 y 1960, el impulso espacial generó interés en los sistemas de control integrados. Los ingenieros construyeron sistemas de control, como unidades de control de motores y simuladores de vuelo, que podrían formar parte del producto final. A finales del siglo XX, los sistemas de control integrados eran omnipresentes, ya que incluso los principales electrodomésticos, como las lavadoras y los aparatos de aire acondicionado, contenían algoritmos de control complejos y avanzados, lo que los hacía mucho más "inteligentes".

En 1969, se introdujeron los primeros controladores basados en computadora. Estos primeros controladores lógicos programables (PLC) imitaban las operaciones de las tecnologías de control discreto ya disponibles que utilizaban las anticuadas escalas de relés. La llegada de la tecnología de PC trajo consigo un cambio drástico en el mercado de control discreto y de procesos. Una computadora de escritorio lista para usar cargada con el hardware y el software adecuados puede ejecutar una unidad de proceso completa y ejecutar algoritmos PID complejos y establecidos o funcionar como un sistema de control distribuido (DCS).

Pasos

Los pasos principales del enfoque de diseño basado en modelos son:

Modelado de plantas. El modelado de plantas puede basarse en datos o en principios básicos . El modelado de plantas basado en datos utiliza técnicas como la identificación del sistema . Con la identificación del sistema, el modelo de planta se identifica mediante la adquisición y el procesamiento de datos sin procesar de un sistema del mundo real y la elección de un algoritmo matemático con el que identificar un modelo matemático. Se pueden realizar varios tipos de análisis y simulaciones utilizando el modelo identificado antes de usarlo para diseñar un controlador basado en modelos. El modelado basado en principios básicos se basa en la creación de un modelo de diagrama de bloques que implementa ecuaciones algebraicas diferenciales conocidas que rigen la dinámica de la planta. Un tipo de modelado basado en principios básicos es el modelado físico, donde un modelo consiste en bloques conectados que representan los elementos físicos de la planta real.
Análisis y síntesis del controlador . El modelo matemático concebido en el paso 1 se utiliza para identificar las características dinámicas del modelo de la planta. A continuación, se puede sintetizar un controlador en función de estas características.
Simulación fuera de línea y simulación en tiempo real . Se investiga la respuesta temporal del sistema dinámico a entradas complejas que varían con el tiempo. Esto se hace simulando un modelo LTI (Linear Time-Invariant) simple o simulando un modelo no lineal de la planta con el controlador. La simulación permite detectar errores de especificación, requisitos y modelado de inmediato, en lugar de hacerlo más tarde en el esfuerzo de diseño. La simulación en tiempo real se puede realizar generando automáticamente código para el controlador desarrollado en el paso 2. Este código se puede implementar en una computadora especial de creación de prototipos en tiempo real que puede ejecutar el código y controlar el funcionamiento de la planta. Si no se dispone de un prototipo de planta o las pruebas en el prototipo son peligrosas o costosas, se puede generar automáticamente el código a partir del modelo de planta. Este código se puede implementar en la computadora especial en tiempo real que se puede conectar al procesador de destino con el código del controlador en ejecución. De este modo, se puede probar un controlador en tiempo real frente a un modelo de planta en tiempo real.
Implementación. Lo ideal es que esto se haga mediante la generación de código a partir del controlador desarrollado en el paso 2. Es poco probable que el controlador funcione en el sistema real tan bien como lo hizo en la simulación, por lo que se lleva a cabo un proceso de depuración iterativo mediante el análisis de los resultados en el objetivo real y la actualización del modelo del controlador. Las herramientas de diseño basadas en modelos permiten realizar todos estos pasos iterativos en un entorno visual unificado.

Desventajas

Las desventajas del diseño basado en modelos se entienden bastante bien en esta etapa tan avanzada del ciclo de vida del desarrollo del producto y del desarrollo.

Una desventaja importante es que el enfoque adoptado es un enfoque general o general para el desarrollo de sistemas y aplicaciones embebidas estándar. A menudo, el tiempo que lleva realizar la migración entre procesadores y ecosistemas puede superar el valor temporal que ofrece en las implementaciones más simples basadas en laboratorio.

Gran parte de la cadena de herramientas de compilación es de código cerrado y propensa a errores de publicación de información y otros errores de compilación comunes que se corrigen fácilmente en la ingeniería de sistemas tradicional.

Los patrones de diseño y reutilización pueden dar lugar a la implementación de modelos que no son adecuados para esa tarea, como la implementación de un controlador para una instalación de producción de cintas transportadoras que utiliza un sensor térmico, un sensor de velocidad y un sensor de corriente. Por lo general, ese modelo no es adecuado para su reimplementación en un controlador de motor, etc., aunque es muy fácil trasladar un modelo de este tipo e introducir en él todos los fallos de software.
Problemas de control de versiones : el diseño basado en modelos puede enfrentar desafíos importantes debido a la falta de herramientas de alta calidad para gestionar el control de versiones, en particular para manejar operaciones de comparación y fusión. Esto puede generar dificultades para gestionar cambios simultáneos y mantener prácticas de control de versiones sólidas. Aunque se han introducido herramientas más nuevas, como la fusión de tres vías, para abordar estos problemas, la integración efectiva de estas soluciones en los flujos de trabajo existentes sigue siendo una tarea compleja. ^[8]

Si bien el diseño basado en modelos tiene la capacidad de simular escenarios de prueba e interpretar bien las simulaciones, en entornos de producción del mundo real, a menudo no es adecuado. La dependencia excesiva de una determinada cadena de herramientas puede dar lugar a una importante repetición del trabajo y posiblemente comprometer enfoques de ingeniería completos. Si bien es adecuado para el trabajo de laboratorio, la elección de utilizarlo para un sistema de producción debe hacerse con mucho cuidado.

Ventajas

Algunas de las ventajas que ofrece el diseño basado en modelos en comparación con el enfoque tradicional son: ^[9]

El diseño basado en modelos proporciona un entorno de diseño común, que facilita la comunicación general, el análisis de datos y la verificación del sistema entre varios grupos (de desarrollo).
Los ingenieros pueden localizar y corregir errores en las primeras etapas del diseño del sistema, cuando se minimizan el impacto financiero y temporal de la modificación del sistema.
Se facilita la reutilización del diseño para actualizaciones y para sistemas derivados con capacidades ampliadas.

Debido a las limitaciones de las herramientas gráficas, los ingenieros de diseño dependían en gran medida de la programación basada en texto y de los modelos matemáticos. Sin embargo, el desarrollo de estos modelos requería mucho tiempo y era muy propenso a errores. Además, la depuración de programas basados en texto es un proceso tedioso que requiere mucho ensayo y error antes de poder crear un modelo final sin fallas, especialmente porque los modelos matemáticos sufren cambios invisibles durante la traducción a través de las distintas etapas de diseño.

Las herramientas de modelado gráfico tienen como objetivo mejorar estos aspectos del diseño. Estas herramientas proporcionan un entorno de modelado gráfico muy genérico y unificado, y reducen la complejidad de los diseños de modelos al dividirlos en jerarquías de bloques de diseño individuales. De este modo, los diseñadores pueden lograr múltiples niveles de fidelidad del modelo simplemente sustituyendo un elemento de bloque por otro. Los modelos gráficos también ayudan a los ingenieros a conceptualizar todo el sistema y simplificar el proceso de transporte del modelo de una etapa a otra en el proceso de diseño. El simulador EASY5 de Boeing fue una de las primeras herramientas de modelado que se proporcionó con una interfaz gráfica de usuario, junto con AMESim , una plataforma multidominio y multinivel basada en la teoría de grafos de enlace. A esto pronto le siguieron herramientas como 20-sim y Dymola , que permitieron que los modelos se compusieran de componentes físicos como masas, resortes, resistencias, etc. A estas les siguieron más tarde muchas otras herramientas modernas como Simulink y LabVIEW .

Véase también

Referencias

^ Reedy, J.; Lunzman, S. (2010). El diseño basado en modelos acelera el desarrollo de controles mecánicos de locomotoras . SAE 2010 Commercial Vehicle Engineering Congress. doi :10.4271/2010-01-1999. Documento técnico de SAE 2010-01-1999.
^ Ahmadian, M.; Nazari, ZJ; Nakhaee, N.; Kostic, Z. (2005). Diseño basado en modelos y SDR (PDF) . Segunda conferencia IEE/EURASIP sobre radio con DSP habilitado. págs. 19–99. doi :10.1049/ic:20050389. ISBN . 0-86341-560-1.
^ Un complemento de certificación de seguridad de software para generadores de código automatizados: estudio de viabilidad y diseño preliminar
^ General Motors desarrolló un sistema de propulsión híbrido de dos modos con un diseño basado en modelos de MathWorks; redujo en 24 meses el tiempo de desarrollo previsto
^ Diseño basado en modelos para sistemas mecatrónicos, Machine Design, 21 de noviembre de 2007 Archivado el 25 de noviembre de 2010 en Wayback Machine .
^ Nicolescu, Gabriela; Mosterman, Pieter J. , eds. (2010). Diseño basado en modelos para sistemas integrados . Análisis computacional, síntesis y diseño de sistemas dinámicos. Vol. 1. Boca Raton: CRC Press . ISBN 978-1-4200-6784-2.
^ "Diseño basado en modelos que remodela los parques de Disney". Archivado desde el original el 28 de agosto de 2016. Consultado el 18 de febrero de 2016 .
^ Sauceda, Jeremias; Kothari, Suraj (12 de abril de 2010). "Control de revisión moderno y gestión de configuración de modelos Simulink". SAE 2010 World Congress & Exhibition . SAE International: 10. doi :10.4271/2010-01-0940.
^ Los fabricantes de automóviles optan por un diseño basado en modelos, Design News, 5 de noviembre de 2010 Archivado el 25 de noviembre de 2010 en Wayback Machine .