Diseño basado en modelos

El diseño basado en modelos ( MBD ) es un método matemático y visual para abordar problemas asociados con el diseño de control complejo, ^[1] procesamiento de señales ^[2] y sistemas de 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 aplicada 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 para la comunicación durante todo el proceso de diseño y al mismo tiempo respalda el ciclo de desarrollo ( modelo V ). En el diseño de sistemas de control basado en modelos, el desarrollo se manifiesta en estos cuatro pasos:

1. modelando una planta ,
2. analizar y sintetizar un controlador para la planta,
3. simulando la planta y el controlador,
4. integrando todas estas fases mediante el despliegue del controlador.

El diseño basado en modelos es significativamente diferente de la metodología de diseño tradicional. En lugar de utilizar estructuras complejas y un extenso código de software, los diseñadores pueden utilizar el diseño basado en modelos para definir modelos de plantas con características funcionales avanzadas utilizando bloques de construcción de tiempo continuo y discreto. Estos modelos construidos utilizados con herramientas de simulación pueden conducir a la creación rápida de prototipos, pruebas de software y verificación. No sólo se mejora el proceso de prueba y verificación, sino que también, en algunos casos, la simulación hardware-in-the-loop 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 Metodología de diseño tradicional.

Historia

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

Los sistemas de control cobraron impulso, principalmente en los sectores automovilístico y aeroespacial. En las décadas de 1950 y 1960, el impulso hacia el espacio 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 lavadoras y aires acondicionados, 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 tecnologías de control discreto ya disponibles que utilizaban escaleras de relés obsoletas. La llegada de la tecnología de PC trajo un cambio drástico en el mercado de procesos y control discreto. Una computadora de escritorio lista para usar cargada con el hardware y 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 en el enfoque de diseño basado en modelos son:

1. Modelado de plantas. El modelado de plantas puede basarse en datos o en primeros principios . El modelado de plantas basado en datos utiliza técnicas como la identificación del sistema . Con la identificación del sistema, el modelo de la planta se identifica adquiriendo y procesando datos sin procesar de un sistema del mundo real y eligiendo un algoritmo matemático con el cual 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 primeros principios se basa en la creación de un modelo de diagrama de bloques que implementa ecuaciones algebraicas diferenciales conocidas que gobiernan la dinámica de las plantas. Un tipo de modelado basado en primeros principios es el modelado físico, donde un modelo consta de bloques conectados que representan los elementos físicos de la planta real.
2. Análisis y síntesis de controladores . El modelo matemático concebido en el paso 1 se utiliza para identificar las características dinámicas del modelo de planta. Luego se puede sintetizar un controlador basándose en estas características.
3. Simulación fuera de línea y simulación en tiempo real . Se investiga la respuesta temporal del sistema dinámico a entradas complejas que varían en 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 encontrar errores de especificación, requisitos y modelado inmediatamente, en lugar de hacerlo más adelante 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 un prototipo de planta no está disponible, o las pruebas en el prototipo son peligrosas o costosas, se puede generar código automáticamente 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 comparándolo con un modelo de planta en tiempo real.
4. Despliegue. Idealmente, esto se hace mediante la generación de código desde el 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 analizando los resultados en el objetivo real. y actualizar el modelo del controlador. Las herramientas de diseño basadas en modelos permiten que todos estos pasos iterativos se realicen en un entorno visual unificado.

Desventajas

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

• Una desventaja importante es que el enfoque adoptado es un enfoque global o general para el desarrollo de sistemas e integrados estándar. A menudo, el tiempo que lleva 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 y otros errores de compilación comunes que se corrigen fácilmente en la ingeniería de sistemas tradicional.

• Los patrones de diseño y reutilización pueden conducir a implementaciones de modelos que no se adaptan bien a esa tarea. Como implementar 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 transferir dicho modelo e introducir todas las fallas de software en él.

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 cadena de herramientas determinada puede llevar a una reelaboración significativa y posiblemente comprometer enfoques de ingeniería completos. Si bien es adecuado para trabajos de mesa, 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: ^[8]

• 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 tiempo y el impacto financiero 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 anteriormente dependían en gran medida de la programación basada en texto y de modelos matemáticos. Sin embargo, desarrollar estos modelos llevó mucho tiempo y fue muy propenso a errores. Además, depurar programas basados ​​en texto es un proceso tedioso que requiere muchas pruebas y errores antes de poder crear un modelo final libre de errores, 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 dividiéndolos 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 transportar el modelo de una etapa a otra en el proceso de diseño. El simulador EASY5 de Boeing fue una de las primeras herramientas de modelado dotadas de una interfaz gráfica de usuario, junto con AMESim , una plataforma multidominio y multinivel basada en la teoría Bond Graph. A esto pronto le siguieron herramientas como 20-sim y Dymola , que permitían que los modelos estuvieran compuestos de componentes físicos como masas, resortes, resistencias, etc. Posteriormente, les siguieron muchas otras herramientas modernas como Simulink y LabVIEW .

Ver también

• Teoría del control
• Especificacion funcional
• Ingeniería basada en modelos
• Modelado científico
• Especificación (norma técnica)
• Ingeniería de Sistemas

Referencias

1. Reedy, J.; Lunzman, S. (2010). "El diseño basado en modelos acelera el desarrollo de controles mecánicos de locomotoras ". SAE 2010 Congreso de Ingeniería de Vehículos Comerciales. doi :10.4271/2010-01-1999. Documento técnico SAE 2010-01-1999.
2. Ahmadiano, M.; Nazarí, ZJ; Nakhaee, N.; Kostic, Z. (2005). Diseño basado en modelos y SDR (PDF) . Segunda Conferencia IEE/EURASIP sobre radio habilitada para DSP. págs. 19–99. doi :10.1049/ic:20050389. ISBN 0-86341-560-1.
3. Un complemento de certificación de seguridad de software para generadores de código automatizados: estudio de viabilidad y diseño preliminar
4. General Motors desarrolló un tren motriz híbrido de dos modos con un diseño basado en modelos de MathWorks; Reduzca el tiempo de desarrollo previsto en 24 meses
5. Diseño basado en modelos para sistemas mecatrónicos, Machine Design, 21 de noviembre de 2007 Archivado el 25 de noviembre de 2010 en Wayback Machine.
6. Nicolescu, Gabriela; Mosterman, Pieter J. , eds. (2010). Diseño basado en modelos para sistemas integrados . Análisis, Síntesis y Diseño Computacional de Sistemas Dinámicos. vol. 1. Boca Ratón: CRC Press . ISBN 978-1-4200-6784-2.
7. "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 .
8. Los fabricantes de automóviles optan por el diseño basado en modelos, Design News, 5 de noviembre de 2010 Archivado el 25 de noviembre de 2010 en Wayback Machine.