基于模型的设计(MBD)

MBD: Model-based design

河北优控新能源科技有限公司自主研发的发动机控制器（ECU），电动车控制器（VCU）,变速箱控制器（TCU），混动动力控制器（HCU）都采用模块化设计，功能多样化，支持不同的需求。

软件模型

下面详细介绍下基于模型设计的定义及基本步骤。

基于模型的设计(MBD)是一种用数字化和可视化的方法来解决问题和设计相关复杂控制的算法,是一种信号处理和通信系统。它被广泛应用在许多动向控制、工业设备、航空航天和汽车应用领域。基于模型的设计方法应用于嵌入式软件设计。

概述

基于模型的设计在整个设计过程中提供了一个有效方法来建立一个共同通信框架，同时支持开发周期(“V”图)。在基于模型控制系统的设计、开发体现在这四个步骤:

模型设计建设；

模型控制器的分析和合成；

模型和控制器的模拟

集成所有这些阶段模型的控制器。

基于模型的设计范式与传统的设计方法有着显著的不同。设计人员可以使用基于模型的设计来定义模型，采用连续时间和离散时间的建筑块，而不是使用复杂的结构和广泛的软件代码，设计人员可以使用模型为基础的设计。这些内置的模型与仿真工具，可以导致快速原型，软件测试和验证。不仅是测试和验证过程增强，而且，在某些情况下，硬件在环仿真可以使用新的设计范例，以执行测试的动态效果更快速，更有效地比传统的设计方法。

历史

电时代的曙光带来了许多创新和先进的控制系统，早在20世纪20年代的工程、控制理论与控制系统这两个方面的融合，使大型集成系统成为可能。在那些早期的控制系统中，通常在工业环境中使用。大型过程设备开始使用过程控制器，用于调节连续变量，如温度，压力和流量。内置梯形网络的电气继电器是第一个独立的控制设备，自动化的整个生产过程。

控制系统获得的势头，主要是在汽车和航空航天部门。在上世纪五十年代和60年代，在嵌入式控制系统中对空间产生了兴趣。工程师建造的控制系统，如发动机控制单元和飞行模拟器，这可能是部分的最终产品。到第二十世纪末，嵌入式控制系统是无处不在的，如洗衣机和空调，即使是白色的产品包含复杂和先进的控制算法，使他们更“智能”。

1969年,介绍了第一个以计算机为基础的控制器。这些早期的可编程序逻辑控制器(PLC)模仿现有的离散控制操作技术,计算机技术的出现为过程和离散控制市场带来了巨大的转变。现成的桌面含有足够的硬件和软件可以运行整个过程处理单元,执行复杂的，并建立了一个分布式控制系统（集散控制系统）的控制算法或工作。

基于模型的设计步骤

基于模型设计方法的主要步骤是:

1 模型设计建设。模型建设是基于数据驱动，或者是基的第一原则。数据驱动的模式设计采用的技术，如系统识别。通过对实际系统中的原始数据的获取和处理，选择一个数学模型，并选择一个数学模型来识别模型的数学模型。各种各样的分析和模拟，可以使用所确定的模型，它被用来设计一个基于模型的控制器进行执行。第一原则为基础的建模是基于创建一个框图模型，实现已知的微分代数方程组的动态。一种类型的第一原则为基础的建模是物理模型，其中一个模型包括在连接块，代表实际的植物的物理元素。

2 控制器分析和集成。设想在步骤1中的数学模型被用于识别模型的动态特性，然后控制器可以根据这些特性合成。

3，离线仿真和实时仿真。根据复杂的动态系统时间响应,对随时间变化的输入进行了研究。这是通过模拟一个简单的LTI（线性时不变）模型，或通过模拟一个非线性模型的控制器进行。仿真允许规范、要求和建模出现错误时立即可以被发现,而不是在之后的设计工作才被发现。实时仿真可以通过自动生成代码的控制器开发的步骤2。此代码可以部署到一个特殊的实时原型计算机可以运行的代码和控制植物的经营。如果一个工厂原型是不可用，或在原型测试是危险的或昂贵的，代码可以自动生成从工厂模型。该代码可以部署到特定的实时计算机，可以连接到目标处理器与运行控制器代码。因此，一个控制器可以实时测试的实时工厂模型。

4，部署。理想情况下,这是通过开发的步骤2自动从控制器生成代码。控制器将不太可能在实际系统中进行模拟，所以迭代调试过程是通过对实际分析结果目标和更新的控制器模型。基于模型的设计工具，允许在一个统一的视觉环境中执行这些所有迭代步骤。

优点

相比于传统的做法基于模型的设计提供了一些显着的优点：

基于模型的设计提供了一个通用的设计环境,促进开发组织之间和电力电子应用程序的一般沟通、数据分析和系统验证

在系统设计的时间和财务影响最小化时，工程师可以在系统设计中找到正确的错误。

设计重用可扩展，用于促进升级和扩展功能的衍生系统。

挑战

建模和仿真工具长期以来一直在使用，但传统的基于文本的工具，不适合用于现代控制系统的复杂性。由于图形工具的限制，设计工程师以前主要依靠基于文本的编程模型和数学模型。然而，开发这些模型是困难的、耗时的，并且高度容易出错。此外，调试基于文本的程序是一个繁琐的过程，需要大量的试验和错误结果才可以创建一个最终的无故障模式，尤其是数学模型在翻译的不同设计阶段过程中进行看不见的变化。

这些挑战所使用的图形化建模工具，目前使用主要克服在设计的各个方面[根据谁？]。这些工具提供了一个非常通用的和统一的图形化建模环境，他们将它们分为独立设计的块层级，减少了模型设计的复杂性。设计人员可以通过简单地替换一个块元素与另一个从而达到多层次模型的保真度。图形模型也是记录工程师想法的最好办法。它帮助工程师概念化整个系统，并在设计的过程中简化从一个阶段的模型传输到另一个。波音公司的模拟器EASY5是最早的提供一个图形用户界面建模工具,加上在AMESim的基础上，提供了多领域，多层次的键合图理论平台。其后不久，又被工具如20-SIM和Dymola的这使得像质量，弹簧，电阻等物理组件也可以加入其中，后来这些又跟着许多其他工具组成模型。

开发嵌入式控制系统时,设计师们正挤压两种趋势——缩减开发周期和设计复杂。开发这些复杂的系统，意味着在广泛的各个学科范围内协调资源，击破各个的策略。