Projektowanie z wykorzystaniem modeli – nowa dziedzina komputerowego wspomagania prac inżynierskich

Zastosowanie nowatorskiego czujnika zwiększa niezawodność pomiaru momentu obrotowego w stosowanych w przemyśle elementach łączących.

Możliwości komputerowego wspomagania prac inżynierskich (CAE) cały czas ewoluują i rosną w miarę, jak zwiększa się moc obliczeniowa komputerów stacjonarnych. To pozwala producentom oprogramowania opracowywać programy o większych możliwościach. Jednocześnie, spadające ceny tych komputerów sprawiają, że ich użytkownicy mogą czerpać korzyści płynące ze wzrostu wydajności, jakie oferują te pakiety CAE.

Jedną z najnowszych i zdobywających popularność dziedzin CAE jest projektowanie z wykorzystaniem modeli (Model-Based Design). Umożliwia ono inżynierom opracowywanie modeli symulacji na poziomie systemowym, matematycznie opisujących dynamiczne zachowanie urządzeń i sprzętu. Modele te mieszczą w sobie wiele dziedzin inżynierii, w tym (choć nie tylko) instalacje mechaniczne, elektryczne i systemy sterowania. Projektowanie z wykorzystaniem modeli dobrze nadaje się do rozwoju mechatronicznego, z naciskiem na rozwój regulatorów wbudowanych.

Dlaczego więc ten typ projektowania tak szybko zdobywa zainteresowanie producentów sprzętu, zmagających się ze złożonym problemem rozwoju wbudowanych systemów sterowania? Korzyści sprowadzają się do udokumentowanego faktu, że projektowanie z wykorzystaniem modeli skraca czas i zmniejsza koszty związane z tradycyjnym podejściem, które zazwyczaj oznacza projektowanie prototypu z wykorzystaniem właściwego osprzętu systemowego. Stosowanie projektowania z wykorzystanie modeli pozwala wykrywać błędy na początku fazy symulacyjnej projektu, a nie w fazie sprzętowej, gdzie problemy trudniej jest wyśledzić, a ich usunięcie jest kosztowne. W przypadku projektowania z wykorzystaniem modeli fazy końcowe obejmujące testy prototypów sprzętowych przeprowadzane są po to, by dokonać walidacji dobrych projektów, a nie po to, by wykryć złe.

Koncepcja projektowania z wykorzystaniem modeli (MBD) powinna być już znana kierownikom ds. technicznych, którzy byli świadkami ewolucji CAD. W przypadku tego typu projektowania model symulacyjny jest matematycznym odwzorowaniem systemu w sposób podobny to tego, w jaki plik 3-D CAD jest odwzorowaniem geometrycznym. Pomysł wykorzystania modelu jako odwzorowania to istotna koncepcja. Modele zarówno w projektowaniu z wykorzystaniem modeli MBD, jak i CAD reprezentują jednoznaczne definicje produktu, odpowiednio z dynamicznego i geometrycznego punktu widzenia. Powyższa tabela przedstawia podobieństwa między tymi rozwiązaniami CAE.

MBD to możliwości, jakich nie dają inne dziedziny CAE. Ponieważ wiąże się ono z modelowaniem wielodomenowym, inżynierowie mogą wykorzystywać projektowanie z wykorzystaniem modeli do:

• optymalizacji całości systemu pod względem ogólnej architektury elektromechanicznej oraz strategii sterowania,
• wprowadzania kompromisów projektowych dla różnych scenariuszy operacyjnych w stanie przejściowym i stacjonarnym,
• przeprowadzania weryfikacji formalnej, walidacji i testów, włącznie z identyfikowalnością wymagań,
• symulowania połączonych cyfrowych i analogowych aspektów projektu w celu określenia wpływu częstotliwości próbkowania na wydajność systemu,
• automatycznego generowania kodu (C, HDL, IEC 61131-3) dla przeprowadzanych w czasie rzeczywistym symulacji wyposażenia i możliwych do zagnieżdżenia algorytmów sterowania.

Jedną z najważniejszych korzyści, jakie wynikają z MBD, jest oszczędność czasu związana z automatycznym generowaniem kodu. Przeprowadzane w czasie rzeczywistym symulacje działania urządzeń pozwalają technikom-automatykom opracowywać i testować strategie sterowania na długo przed tym, zanim dostępne stanie się właściwe urządzenie. Przeprowadzanie tego na początku procesu projektowania może pomóc wszystkim zaangażowanym w niego przedstawicielom różnych dyscyplin inżynierii zrozumieć dynamiczną interakcję systemów, którymi każdy z nich zajmuje się i pozwolić na przeprowadzanie bardziej sensownych dyskusji na temat kompromisów w projekcie. 

Tony Lennon jest kierownikiem ds.

przemysłowy.