基于模型的设计

是一种数学和视觉方法，用于解决与设计复杂控制、信号处理和通信系统有关的问题。它被用于许多运动控制、工业设备、航空航天和汽车应用。基于模型的设计是一种应用于嵌入式软件设计的方法。

基于模型的设计提供了一种有效的方法，在整个设计过程中建立一个通用的通信框架，同时支持开发周期（V-model）。在控制系统的基于模型的设计中，开发体现在这四个步骤中。

为工厂建模，分析和合成工厂的控制器，模拟工厂和控制器，通过部署控制器整合所有这些阶段。 基于模型的设计与传统的设计方法明显不同。设计者可以使用基于模型的设计，而不是使用复杂的结构和大量的软件代码，而是使用连续时间和离散时间构建模块来定义具有高级功能特性的工厂模型。这些与仿真工具一起使用的构建模型可以导致快速的原型设计、软件测试和验证。不仅测试和验证过程得到加强，而且在某些情况下，硬件在环仿真可以与新的设计范式一起使用，对系统的动态影响进行测试，比传统的设计方法更快、更有效。

早在20世纪20年代，工程的两个方面，控制理论和控制系统，融合在一起，使大规模集成系统成为可能。在那些早期的日子里，控制系统在工业环境中被普遍使用。大型工艺设施开始使用工艺控制器来调节连续变量，如温度、压力和流速。建立在阶梯状网络中的电气继电器是最早的离散控制设备之一，用于实现整个制造过程的自动化。

控制系统获得了发展势头，主要是在汽车和航空航天领域。在20世纪50年代和60年代，对太空的推动产生了对嵌入式控制系统的兴趣。工程师们建造了控制系统，如发动机控制单元和飞行模拟器，这些系统可以成为最终产品的一部分。到二十世纪末，嵌入式控制系统无处不在，因为即使是洗衣机和空调等主要家用电器也包含复杂和先进的控制算法，使它们更加智能化。

1969年，第 一批基于计算机的控制器问世。这些早期的可编程逻辑控制器（PLC）模仿了已经存在的离散控制技术的操作，这些技术使用过时的继电器梯子。

PC技术的出现给过程和离散控制市场带来了巨大的转变。装有足够硬件和软件的现成台式机可以运行整个过程单元，并执行复杂和既定的PID算法或作为分布式控制系统（DCS）工作。

基于模型的设计方法的主要步骤是。

工厂建模。工厂建模可以是数据驱动的或基于第 一原理的。数据驱动的工厂建模使用诸如系统识别等技术。

通过系统识别，工厂模型是通过获取和处理来自真实世界系统的原始数据，并选择一种数学算法来识别一个数学模型。

在用于设计基于模型的控制器之前，可以使用识别的模型进行各种分析和模拟。基于第 一原理的建模是基于创建一个框图模型，实现支配植物动力学的已知微分代数方程。

基于第 一原理的建模的一种类型是物理建模，模型由代表实际工厂物理元素的连接块组成。

控制器分析和合成。在步骤1中构想的数学模型被用来确定工厂模型的动态特性。然后可以根据这些特性合成控制器。

离线仿真和实时仿真。研究动态系统对复杂的、时间变化的输入的时间响应。这是通过模拟一个简单的LTI（线性时间不变）模型，或通过模拟一个带有控制器的非线性工厂模型来实现的。仿真允许立即发现规格、要求和建模错误，而不是在设计工作的后期。

实时仿真可以通过为步骤2中开发的控制器自动生成代码来完成。这个代码可以被部署到一个特殊的实时原型计算机上，该计算机可以运行代码并控制工厂的运行。

如果没有工厂原型，或者在原型上的测试很危险或昂贵，可以从工厂模型中自动生成代码。这段代码可以被部署到工厂模型上。