基于模型的設計(MBD)

2024年3月1日發(作者：勞安簡歷)

河北優控新能源科技有限公司 基本模型設計算法

MBD: Model-bad design

河北優控新能源科技有限公司自主研發的發動機控制器（ECU），電動車控制器（VCU）,變速箱控制器（TCU），混動動力控制器（HCU） 都采用模塊化設計，功能多樣化，支持不同的需求。

軟件模型

下面詳細介紹下基于模型設計的定義及基本步驟。

基于模型的設計(MBD)是一種用數字化和可視化的方法來解決問題和設計相關復雜控制的算法,是一種信號處理和通信系統。它被廣泛應用在許多動向控制、工業設備、航空航天和汽車應用領域?；谀Ｐ偷脑O計方法應用于嵌入式軟件設計。

概述

基于模型的設計在整個設計過程中提供了一個有效方法來建立一個共同通信框架，同時支持開發周期(“V”圖)。在基于模型控制系統的設計、開發體現在這四個步驟:

模型設計建設；

模型控制器的分析和合成；

模型和控制器的模擬

集成所有這些階段模型的控制器。

基于模型的設計范式與傳統的設計方法有著顯著的不同。設計人員可以使用基于模型的設計來定義模型，采用連續時間和離散時間的建筑塊，而不是使用復雜的結構和廣泛的軟件代碼，設計人員可以使用模型為基礎的設計。這些內置的模型與仿真工具，可以導致快速原型，軟件測試和驗證。不僅是測試和驗證過程增強，而且，在某些情況下，硬件在環仿真可以使用新的設計范例，以執行測試的動態效果更快速，更有效地比傳統的設計方法。

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歷史

電時代的曙光帶來了許多創新和先進的控制系統，早在20世紀20年代的工程、控制理論與控制系統這兩個方面的融合，使大型集成系統成為可能。在那些早期的控制系統中，通常在工業環境中使用。大型過程設備開始使用過程控制器，用于調節連續變量，如溫度，壓力和流量。內置梯形網絡的電氣繼電器是第一個獨立的控制設備，自動化的整個生產過程。

控制系統獲得的勢頭，主要是在汽車和航空航天部門。在上世紀五十年代和60年代，在嵌入式控制系統中對空間產生了興趣。工程師建造的控制系統，如發動機控制單元和飛行模擬器，這可能是部分的最終產品。到第二十世紀末，嵌入式控制系統是無處不在的，如洗衣機和空調，即使是白色的產品包含復雜和先進的控制算法，使他們更“智能”。

1969年,介紹了第一個以計算機為基礎的控制器。這些早期的可編程序邏輯控制器(PLC)模仿現有的離散控制操作技術,

計算機技術的出現為過程和離散控制市場帶來了巨大的轉變?，F成的桌面含有足夠的硬件和軟件可以運行整個過程處理單元,執行復雜的，并建立了一個分布式控制系統（集散控制系統）的控制算法或工作。

基于模型的設計步驟

基于模型設計方法的主要步驟是:

1 模型設計建設。模型建設是基于數據驅動，或者是基的第一原則。數據驅動的模式設計采用的技術，如系統識別。通過對實際系統中的原始數據的獲取和處理，選擇一個數學模型，并選擇一個數學模型來識別模型的數學模型。各種各樣的分析和模擬，可以使用所確定的模型，它被用來設計一個基于模型的控制器進行執行。第一原則為基礎的建模是基于創建一個框圖模型，實現已知的微分代數方程組的動態。一種類型的第一原則為基礎的建模是物理模型，其中一個模型包括在連接塊，代表實際的植物的物理元素。

2 控制器分析和集成。設想在步驟1中的數學模型被用于識別模型的動態特性，然后控制器可以根據這些特性合成。

3，離線仿真和實時仿真。根據復雜的動態系統時間響應,對隨時間變化的輸入進行了研究。這是通過模擬一個簡單的LTI（線性時不變）模型，或通過模擬一個非線性模型的控制器進行。仿真允許規范、要求和建模出現錯誤時立即可以被發現,而不是在之后的設計工作才被發現。實時仿真可以通過自動生成代碼的控制器開發的步驟2。此代碼可以部署到一個特殊的實時原型計算機可以運行的代碼和控制植物的經營。如果一個工廠原型是不可用，或在原型測試是危險的或昂貴的，代碼可以自動生成從工廠模型。該代碼可以部署到特定的實時計算機，可以連接到目標處理器與運行控制器代碼。因此，一個控制器可以實時測試的實時工廠模型。

4，部署。理想情況下,這是通過開發的步驟2自動從控制器生成代碼。控制器將不太可能在實際系統中進行模擬，所以迭代調試過程是通過對實際分析結果目標和更新的控制器模型。基于模型的設計工具，允許在一個統一的視覺環境中執行這些所有迭代步驟。

河北優控新能源科技有限公司 基本模型設計算法

優點

相比于傳統的做法基于模型的設計提供了一些顯著的優點：

基于模型的設計提供了一個通用的設計環境,促進開發組織之間和電力電子應用程序的一般溝通、數據分析和系統驗證

在系統設計的時間和財務影響最小化時，工程師可以在系統設計中找到正確的錯誤。

設計重用可擴展，用于促進升級和擴展功能的衍生系統。

挑戰

建模和仿真工具長期以來一直在使用，但傳統的基于文本的工具，不適合用于現代控制系統的復雜性。由于圖形工具的限制，設計工程師以前主要依靠基于文本的編程模型和數學模型。然而，開發這些模型是困難的、耗時的，并且高度容易出錯。此外，調試基于文本的程序是一個繁瑣的過程，需要大量的試驗和錯誤結果才可以創建一個最終的無故障模式，尤其是數學模型在翻譯的不同設計階段過程中進行看不見的變化。

這些挑戰所使用的圖形化建模工具，目前使用主要克服在設計的各個方面[根據誰？]。這些工具提供了一個非常通用的和統一的圖形化建模環境，他們將它們分為獨立設計的塊層級，減少了模型設計的復雜性。設計人員可以通過簡單地替換一個塊元素與另一個從而達到多層次模型的保真度。圖形模型也是記錄工程師想法的最好辦法。它幫助工程師概念化整個系統，并在設計的過程中簡化從一個階段的模型傳輸到另一個。波音公司的模擬器EASY5是最早的提供一個圖形用戶界面建模工具,加上在AMESim的基礎上，提供了多領域，多層次的鍵合圖理論平臺。其后不久，又被工具如20-SIM和Dymola的這使得像質量，彈簧，電阻等物理組件也可以加入其中，后來這些又跟著許多其他工具組成模型。

開發嵌入式控制系統時,設計師們正擠壓兩種趨勢——縮減開發周期和設計復雜。開發這些復雜的系統，意味著在廣泛的各個學科范圍內協調資源，擊破各個的策略。