使用基于模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行早期驗(yàn)證和確認(rèn)

MATLAB 簡化了線性控制設(shè)計(jì)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)很少是線性的。因此，即使在設(shè)計(jì)了控制器后，對其進(jìn)行測試和調(diào)整仍然意味著需要構(gòu)建系統(tǒng)的硬件原型，并對算法進(jìn)行編碼?；蛘?，因?yàn)闆]有樣機(jī)而無法進(jìn)行測試，只有等到開發(fā)流程后期才能開展測試活動。

為了將算法應(yīng)用到硬件之前驗(yàn)證這些算法，工程師們借助數(shù)值技術(shù)來仿真控制算法對系統(tǒng)（也稱為“對象”）的控制行為?？刂乒こ處焸儗W(xué)習(xí)編寫 C 或 Fortran 程序來嘗試構(gòu)建系統(tǒng)模型，借用他們認(rèn)為可能會適用于其系統(tǒng)類型的數(shù)值積分例程，在系統(tǒng)模型程序中復(fù)制其控制算法，并仿真整個(gè)系統(tǒng)。如果要使系統(tǒng)完全正常工作，那么整個(gè)仿真-開發(fā)流程需要耗費(fèi)大量時(shí)間并且極具挑戰(zhàn)性。

The MathWorks 在 1990 年發(fā)布了Simulink，一種用于對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真的軟件環(huán)境。在控制設(shè)計(jì)中使用 Simulink 可帶來兩大好處。首先，該軟件提供了一種直觀的框圖環(huán)境，可用于對算法和對象以及可能影響系統(tǒng)行為的非線性實(shí)際效果進(jìn)行建模。其次，該軟件包括一個(gè)基于一流數(shù)值積分方法創(chuàng)建的仿真引擎。這些核心功能極大地簡化了控制工程師通過仿真來驗(yàn)證控制算法的工作。但是控制工程師們?nèi)匀槐仨氃谧詈髮λ惴ㄟM(jìn)行編碼，以在硬件樣機(jī)或?qū)嶋H系統(tǒng)上測試這些算法。

大約五年后，隨著 Simulink 模型自動代碼生成的推出，此流程變得簡單得多。對于調(diào)試和測試在原型系統(tǒng)中運(yùn)行的代碼，控制工程師們不必再擔(dān)心將算法模型轉(zhuǎn)換為代碼時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

控制工程發(fā)展的下一步曾是個(gè)很大的挑戰(zhàn)：產(chǎn)品級的代碼生成。快速原型代碼通常包含許多調(diào)試?yán)?、?shù)據(jù)收集代碼、主機(jī)-目標(biāo)通信代碼以及用于交互測試的其他補(bǔ)充代碼。一般而言，這些代碼的優(yōu)化程度不足以將其運(yùn)用在可交付使用的系統(tǒng)中。代碼生成工具經(jīng)過改進(jìn)后，可以生成高效率的代碼，足以部署到產(chǎn)品級嵌入式系統(tǒng)中。今天，許多行業(yè)都認(rèn)為從控制模型自動生成產(chǎn)品級代碼是最佳的做法。

Model-Based Design（基于模型的設(shè)計(jì)）

處理器速度和內(nèi)存的快速增加有助于在桌面上開發(fā)建模、仿真和代碼生成工具，同樣也使嵌入式軟件開發(fā)人員可以改進(jìn)嵌入式控制器的功能和復(fù)雜性。此步驟繼而推動了這樣一種需求：即使用文本編輯器和調(diào)試器的傳統(tǒng)代碼開發(fā)技術(shù)不再是一種局限，未來的設(shè)計(jì)將以模型為中心。這種以模型為中心的開發(fā)方法稱為 Model-Based Design（基于模型的設(shè)計(jì)）（圖 1）。

圖1：以模型為中心的開發(fā)方法稱為 Model-Based Design（基于模型的設(shè)計(jì)）。

通過基于模型的設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)可根據(jù)書面需求使用模型開發(fā)其設(shè)計(jì)。由于采用了仿真引擎，因此這些模型成為“可執(zhí)行的規(guī)范”。對于開發(fā)和檢查規(guī)范的團(tuán)隊(duì)而言，“規(guī)范可執(zhí)行”是個(gè)極大的好處。檢查完高級模型后，可使用設(shè)計(jì)詳細(xì)信息修改模型，以便將其轉(zhuǎn)換為代碼。從詳細(xì)設(shè)計(jì)模型自動生成代碼極大優(yōu)化了實(shí)現(xiàn)過程，并避免了從設(shè)計(jì)到代碼轉(zhuǎn)換過程中引入錯(cuò)誤的可能。

傳統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)過程和V 型圖一致（圖 2）。

圖2：傳統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)過程和V 型圖一致。