Tony Lennon
Industry Marketing Manager
The MathWorks
開發機電系統的挑戰
在了解到機電這個詞已有近40年的歷史后，大多數工程師都會倍感驚訝。首次使用這個詞的人是
Yaskawa Company的一名工程師Tetsuro Mori。1969年，他使用這個詞來描述由嵌入式系統控制、包含機械和電子元素的系統（參見圖1）。在當今世界，很少有機電設備不包括某種類型的嵌入式系統。嵌入式系統的智能化提供了更優越的性能、更低的能源消耗、更出色的可靠性和更安全的操作，這正是一種設備的關鍵差異化優勢和價值驅動因素。
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圖 1. 機電是由嵌入式系統控制的機械與電子系統的協作 |
嵌入式系統的優勢是有代價的。隨著機電系統利用更加強大的微處理器（這些微處理器能為嵌入式系統提供智能），硬件和軟件之間的交互也變得更加復雜。管理這樣的復雜性可能會給硬件和軟件工程團隊帶來巨大的挑戰，這些團隊要負責陳述需求、描述問題、以不同的方式測試和實現解決方案。此外，工程師必須設計閉環控制策略，以彌補機電交互和外部干擾，并針對操作需求整合開環監視控制，例如啟動和關閉、個人與設備的安全性以及故障檢測和修復。
在大多數傳統設計方法中，工程師在硬件原型上測試軟件，只有在開發過程的后期才能處理軟件驗證。在這個階段發現的硬件或軟件錯誤會造成代價高昂的延遲，而且追溯問題根源也十分耗時。與不完善、不正確或彼此沖突的需求有關的錯誤甚至可能導致徹底的重新設計。
使用基于模型的設計改進開發
基于模型的設計（參見圖2）為橫跨不同工程學科進行設計和通信提供了一種通用的環境，從而簡化了機電系統的開發。基于模型的設計為系統級設計提供了另一種視角，擴展了計算機輔助工程（CAE）領域。計算機輔助設計（CAD）提供設備的幾何學或靜態描述，與之相似，基于模型的設計整合了正確描述系統所需的動力學和性能需求。由于這種方法是由軟件驅動的，因而工程師可以順利地研究競爭對手的設計和探索新概念，不必承擔昂貴的硬件投資。工程師可以隨著設計的進展不斷開展測試，根據需求檢查設計，在開發過程的早期發現錯誤，此時糾正錯誤的難度和成本都較低。此外，基于模型的設計能消除手動編碼開環和閉環控制算法的需求，自動生成嵌入式系統的代碼。
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圖 2. 基于模型的設計將系統級模型置于機電系統開發過程的核心 |
基于模型的設計使用一種系統級模型，該模型以數學形式獨特地描述設備的自然行為和受控行為，從而定義一種可執行的規范。工程師可通過模擬系統的實際動力學和性能來執行模型。模型指定對機電系統預期性能的明確的數學定義。作為一種可執行的規范，系統級模型具備超越書面文檔的顯著優勢，這是因為書面文檔存在理解差異，可能會導致需求的遺漏、冗余或沖突。
書面需求將一直存在，但工程師可將其電子格式與系統級模型鏈接起來，幫助符合ISO 9001和IEC 61508等標準。從書面規范到系統級模型的需求跟蹤可明確工程師解釋需求的方式。需求和模型之間的電子鏈接允許工程師將測試標準與在開發過程中所用的測試用例聯系起來。
開發系統級模型
方框圖是表示系統級模型的一種自然方法（參見圖3）。模型包含輸入（由外部代理提供的信號）和輸出（系統實際行為的度量指標）。輸入和輸出代表實際值，例如電壓、溫度和PH值等。
在模型內部，每個方框表示模型的輸入和輸出信號之間的數學運算。某些方框（稱為設備或流程）代表機電系統的自然行為。例如，模型中包含的一個方框可能代表一輛汽車。汽車的數學模型可能非常簡單——獲取輸入電壓并將其轉化為輸出扭矩。為模型添加更多輸入（例如電壓噪聲）或添加更多參數（例如溫度和磁飽和影響）可提高汽車模型的復雜度。一個方框或一組方框可根據輸出錯誤或模型中發生的事件過濾并處理信號，從而表示系統中的補償或控制。
系統級模型的基礎就是描述系統物理性質的集中參數數學模型。使用常微分方程（ODEs）和微分代數方程（DAEs）表示機電系統的輸入與輸出的關系。在汽車的示例中，ODE描述電壓輸入與軸輸出扭矩之間的關系。微分方程是一種具有較高的計算效率的集中動力學描述方式，與基于偏微分方程的建模工具（例如有限元分析（FEA））正好相反。FEA軟件可用于解出由扭矩造成的汽車車軸上關鍵插槽處的壓力分布。
使用ODE來描述機電系統的系統級行為涉及多種工程學科，具有巨大的挑戰。以數學方式表示系統行為要求您了解系統底層的物理學原理。機電的本質就是所有系統都是非線性的，您必須考慮實際機電設備中出現的滯后、摩擦和熱效應。
改進系統級模型
當系統的數學原理過于困難或開發過于耗時的時候，工程師可以轉向其他系統級建模方法。第一原理方法的一種常見的補充方法就是數據驅動的經驗建模，例如系統識別或神經網絡。這些黑盒方法使用標準的輸入-輸出數據來構建線性或非線性ODE形式的系統行為，以便將其整合到系統級模型之中。這些方法未提供系統物理狀況的完整信息，但能夠在測試數據范圍內準確描述系統動力學。標準數據還能夠利用參數估計技術提高第一原理方法數學模型的準確性，這種灰盒建模方法包含用于調整模型參數（如摩擦系數）的優化技術，使模型輸出與測試數據相匹配。
基于模型的設計允許工程師從不太詳細的系統級模型入手，隨著開發的進展以增量方式提高其保真度。要幫助快速排除希望不大的概念，工程師最初只需要一個表示為低階ODE的概念驗證模型。對于更有力的想法，工程師可通過整合供應方提供的子組件來提高保真度，迅速評估組件的最佳組合。模型將發展成多個域的組合，僅提供必要的細節，以保證在需求文檔中表示的運行條件下的性能。
在工程師使用從三維CAD匯編文件轉換而來的機電系統的質量和慣性屬性提高模型保真度時，CAD與基于模型的設計就彼此結合了。工程師可使用從CAD文件自動轉換而來的表示機械主體和連接的方塊，取代近似的數學表達式。除了加速復雜機械系統級模型的開發以外，這種方法還能確保系統設計人員和機械工程師使用被廣泛認可的通用模型行為來表示即將構建的實際機電系統。
開發控制策略
描述了系統的自然行為之后，下一步就是開發和評估控制策略，該策略可在機電系統中整合多級開環和閉環控制。開環控制包括所有接口、模式、邏輯和監督控制，是工程師實現安全操作、故障檢測和恢復特性的方法。閉環控制的復雜程度多種多樣，包括從基本的比例-積分-微分（PID）補償器算法到多變量線性二次高斯（LQG）控制器的實現的各個級別。
開環控制執行設備內的監督控制和模式控制，處理操作人員與設備的交互。使用更強大的微處理器的設備設計人員可以開發出復雜的用戶界面，以提供對設備操作的更好控制。因而，開發人員可在設備內創建越來越精密的自我診斷、故障檢測和安全關閉系統。基于模型的設計幫助工程師針對系統級模型開發和測試日漸復雜的開環控制系統。仿真支持在設計過程的早期啟動測試工作，從而改進設備的工效，找出任何可能導致設備損壞或造成不安全條件的場景。
機電系統可使用大量在多種條件下操作的閉環控制系統。使用系統級模型可幫助在具有耦合行為的控制循環中設計和調節控制器。在硬件中調節控制器是一項耗時耗力的任務，為了避免不穩定性，系統往往未能調優到預期性能。系統級模型允許工程師分析控制循環的交互、開發解耦策略，并通過依靠多種直接和基于優化的技術的方法來調節補償器增益。
在這個階段，系統級模型將表現出動態不穩定性，而通過閉環補償方法消除此類不穩定性在物理或經濟上是不可行的。模型使得識別和調節導致不穩定性的物理參數（例如質量、長度和電容）更加輕松。因而，可在成本較低的軟件仿真階段發現問題，而不是在物理原型的測試過程中。
基于模型的設計可幫助工程師在控制系統內開展成本權衡研究。系統級模型是一種分析工具，可確定具有更高容錯能力但成本較低的傳感器是否能夠提供必要的準確度和性能水平。在實踐中，工程師可以衡量機電系統中使用的所有組件的成本與系統性能影響的對比情況。
連續測試與系統驗證
整個開發過程中的連續測試與驗證涉及定義和使用標準測試，并將其與控制系統設計過程相結合。使用標準測試或測試套件可確保工程師以一致的方式、使用相同的衡量指標集測試不斷發展演進的系統級模型。通過/失敗和容錯度范圍等測試標準通過需求文檔的電子鏈接與測試相關聯。使用標準測試套件的連續測試可立即公開任何設計變更對于系統輸出的影響，幫助快速跟蹤動機的變化。
此外，工程師可使用測試套件來確定是否覆蓋了完整的模型，即衡量測試套件是否全面測試了設備的所有操作場景。在建模過程中，確認標準測試將在所有操作條件下充分測試系統，這可以向開發人員保證在物理原型上開始測試之前測試的完整性和正確性。基于模型的設計可幫助工程師創建完整的測試，供其在開發過程的所有階段和生產測試中使用。
細化系統級模型以供部署
開發控制設計策略并進行仿真測試后，工程師即可針對部署進一步細化模型。部署是指將控制算法轉換為C代碼、硬件描述語言（HDL）或IEC 61131-3語言，例如結構化文本（ST），以便在實時系統上執行。此過程涉及將控制算法從連續（模擬）格式轉換為離散（數字）格式，往往采用定點格式。在連續測試的過程中，工程師根據設備的連續格式測試控制算法的數字格式，確定數字轉換是否會對系統的目標性能產生影響。
模型細化允許工程師檢查數字信號轉換的其他方面。系統設計人員建模輸入/輸出（I/O）設備驅動器和任何A/D與D/A轉換器，確保系統的實際實施過程中不會出現信號訛誤或混淆。機電系統往往結合使用多種處理器，這些處理器以不同的速度和取樣率運行。系統級建模允許工程師模擬和測試多種組合，評估成本和實現選項，例如使用現場可編程門陣列（FPGA）取代
數字信號處理器（DSP），或使用定點計算取代浮點計算。
使用實時系統測試機電系統
基于模型的設計的下一個步驟是在實時系統上測試系統級模型。在這個階段，工程師將系統級模型自動轉換為C代碼、HDL或PLC代碼。工程師可為控制算法和/或設備模型生成代碼，具體取決于他們選擇的系統測試方式。在基于模型的設計中，自動將系統級模型轉換為代碼可消除系統工程師對深入的編碼知識的需求，避免出錯并節約時間。
自動代碼生成的過程類似于通過三維CAD文件生成用于加工零件的工具路徑。如果在加工完成后發現零件存在錯誤，工程師就需要檢查和修改CAD文件，重新為工具路徑生成代碼。在基于模型的設計中，系統級模型作為排除系統故障的自然環境，工程師可以通過它更新和測試模型，并重新生成代碼。
實時測試使用專用的實時測試系統，可分為兩類：快速原型（RP）和硬件在環（hardware-in-the-loop，HIL）。在此類測試中，工程師可在測試運行時實時收集數據和更改代碼中的參數。表1給出了部分實時測試選項，展示了允許工程師在實際硬件可用之前捕捉重大、耗時的錯誤的測試靈活性。如前所述，跟蹤錯誤更加簡單，因為系統級模型就是規范，它與需求文檔緊密關聯。
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測試類型 |
控制算法 |
設備模型 |
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硬件在環 |
在目標微處理器上的代碼中表示 |
在實時系統的代碼中表示 |
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快速原型 |
在實際系統上的代碼中表示 |
實際硬件 |
表 1. 快速原型與硬件在環測試場景
在快速原型中，實時系統與實際硬件相連接。在大多數情況下，由于模型中的控制系統包含所需的全部I/O，因而系統級模型會自動為這些特性創建代碼，消除了工程師手動編碼的需求。HIL測試將設備模型部署到實時系統。在這種情況下，工程師將控制算法部署到實時測試系統或指定的目標處理器，同時連接到同樣在實時運行的設備模型。HIL測試還可以通過使用在桌面或工作站計算機上運行的模擬設備模型來實現。
生成生產質量代碼
基于模型的設計使工程師能夠使用系統級模型，以生產處理器或其他實時系統為目標，在C代碼、HDL或PLC代碼中部署控制算法。代碼生成過程針對特定處理器優化生產質量代碼。這與實時測試中所用的代碼不同，因為此過程消除了測試中需要的所有參數，并將代碼的資源占用優化到最小，從而減少存儲器的占用并最大化計算速度。工程師可控制代碼生成過程，以包括數據對象、用戶定義的存儲種類、類型和別名。此外，還可自定義代碼格式，使其自動符合企業的軟件樣式指南，這有助于完善優化工作，并簡化軟件工程師使用此類代碼的過程——對負責將代碼整合到更大的代碼集中的工程師來說更是如此。
結束語
基于模型的設計是用于機電系統的系統級設計的CAE。在軟件中開發和
測試設備的行為模型的工程師能獲得以下好處：
- 能夠以較低的成本設計和測試多種方法，無需在開發過程的早期投入大量資源來原型化硬件。
- 使用通用可執行規范的協作式設計環境與需求文檔緊密相連，允許多種工程學科采用通用語言進行通信。
- 在早期仿真階段輕松發現和糾正錯誤，從而降低開發成本。
- 能夠開發復雜的嵌入式系統，在機電系統中提供更出色的客戶價值、產品質量和精密度。
