使用基于模型的設(shè)計進(jìn)行早期驗證和確認(rèn)

MATLAB 簡化了線性控制設(shè)計，但是在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)很少是線性的。因此，即使在設(shè)計了控制器后，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?，因為沒有樣機而無法進(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。控制工程師們學(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，并仿真整個系統(tǒng)。如果要使系統(tǒng)完全正常工作，那么整個仿真-開發(fā)流程需要耗費大量時間并且極具挑戰(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)行為的非線性實際效果進(jìn)行建模。其次，該軟件包括一個基于一流數(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)換為代碼時出現(xiàn)錯誤。

控制工程發(fā)展的下一步曾是個很大的挑戰(zhàn)：產(chǎn)品級的代碼生成?？焖僭痛a通常包含許多調(diào)試?yán)獭?shù)據(jù)收集代碼、主機-目標(biāo)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(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）

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）（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）。

通過基于模型的設(shè)計，團(tuán)隊可根據(jù)書面需求使用模型開發(fā)其設(shè)計。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)隊而言，“規(guī)范可執(zhí)行”是個極大的好處。檢查完高級模型后，可使用設(shè)計詳細(xì)信息修改模型，以便將其轉(zhuǎn)換為代碼。從詳細(xì)設(shè)計模型自動生成代碼極大優(yōu)化了實現(xiàn)過程，并避免了從設(shè)計到代碼轉(zhuǎn)換過程中引入錯誤的可能。

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。