使用基于模型的設計進(jìn)行早期驗證和確認

MATLAB 簡(jiǎn)化了線(xiàn)性控制設計，但是在實(shí)際應用中，系統很少是線(xiàn)性的。因此，即使在設計了控制器后，對其進(jìn)行測試和調整仍然意味著(zhù)需要構建系統的硬件原型，并對算法進(jìn)行編碼?；蛘?，因為沒(méi)有樣機而無(wú)法進(jìn)行測試，只有等到開(kāi)發(fā)流程后期才能開(kāi)展測試活動(dòng)。

為了將算法應用到硬件之前驗證這些算法，工程師們借助數值技術(shù)來(lái)仿真控制算法對系統（也稱(chēng)為“對象”）的控制行為?？刂乒こ處焸儗W(xué)習編寫(xiě) C 或 Fortran 程序來(lái)嘗試構建系統模型，借用他們認為可能會(huì )適用于其系統類(lèi)型的數值積分例程，在系統模型程序中復制其控制算法，并仿真整個(gè)系統。如果要使系統完全正常工作，那么整個(gè)仿真-開(kāi)發(fā)流程需要耗費大量時(shí)間并且極具挑戰性。

The MathWorks 在 1990 年發(fā)布了Simulink，一種用于對動(dòng)態(tài)系統進(jìn)行建模和仿真的軟件環(huán)境。在控制設計中使用 Simulink 可帶來(lái)兩大好處。首先，該軟件提供了一種直觀(guān)的框圖環(huán)境，可用于對算法和對象以及可能影響系統行為的非線(xiàn)性實(shí)際效果進(jìn)行建模。其次，該軟件包括一個(gè)基于一流數值積分方法創(chuàng )建的仿真引擎。這些核心功能極大地簡(jiǎn)化了控制工程師通過(guò)仿真來(lái)驗證控制算法的工作。但是控制工程師們仍然必須在最后對算法進(jìn)行編碼，以在硬件樣機或實(shí)際系統上測試這些算法。

大約五年后，隨著(zhù) Simulink 模型自動(dòng)代碼生成的推出，此流程變得簡(jiǎn)單得多。對于調試和測試在原型系統中運行的代碼，控制工程師們不必再擔心將算法模型轉換為代碼時(shí)出現錯誤。

控制工程發(fā)展的下一步曾是個(gè)很大的挑戰：產(chǎn)品級的代碼生成?？焖僭痛a通常包含許多調試例程、數據收集代碼、主機-目標通信代碼以及用于交互測試的其他補充代碼。一般而言，這些代碼的優(yōu)化程度不足以將其運用在可交付使用的系統中。代碼生成工具經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，可以生成高效率的代碼，足以部署到產(chǎn)品級嵌入式系統中。今天，許多行業(yè)都認為從控制模型自動(dòng)生成產(chǎn)品級代碼是最佳的做法。

Model-Based Design（基于模型的設計）

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

圖1：以模型為中心的開(kāi)發(fā)方法稱(chēng)為 Model-Based Design（基于模型的設計）。

通過(guò)基于模型的設計，團隊可根據書(shū)面需求使用模型開(kāi)發(fā)其設計。由于采用了仿真引擎，因此這些模型成為“可執行的規范”。對于開(kāi)發(fā)和檢查規范的團隊而言，“規范可執行”是個(gè)極大的好處。檢查完高級模型后，可使用設計詳細信息修改模型，以便將其轉換為代碼。從詳細設計模型自動(dòng)生成代碼極大優(yōu)化了實(shí)現過(guò)程，并避免了從設計到代碼轉換過(guò)程中引入錯誤的可能。

傳統的嵌入式控制系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程和V 型圖一致（圖 2）。

圖2：傳統的嵌入式控制系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程和V 型圖一致。