मॉडल-आधारित डिज़ाइन

मॉडल-आधारित डिज़ाइन (एमबीडी), जटिल नियंत्रण को डिज़ाइन करने से जुड़ी समस्याओं को संबोधित करने की एक गणितीय और दृश्य विधि है । इसका उपयोग गति नियंत्रण, सिग्नल प्रोसेसिंग, औद्योगिक उपकरण, एयरोस्पेस और ऑटोमोटिव संचार प्रणालियों के अनुप्रयोगों में किया जाता है।   मॉडल-आधारित डिज़ाइन एम्बेडेड सॉफ़्टवेयर डिज़ाइन करने में लागू एक विशिष्ट पद्धति है।

अवलोकन
मॉडल-आधारित डिज़ाइन विकास चक्र (वी मॉडल) का समर्थन करते हुए डिज़ाइन प्रक्रिया के दौरान संचार के लिए एक सामान्य प्रतिरूपण स्थापित करने के लिए एक प्रभावशाली दृष्टिकोण प्रदान करता है। नियंत्रण प्रणालियों के मॉडल-आधारित डिज़ाइन में विकास इन चार चरणों में प्रकट होता है:
 * 1) किसी संयंत्र की मॉडलिंग (नियंत्रण सिद्धांत),
 * 2) संयंत्र के लिए किसी नियंत्रक का विश्लेषण और संश्लेषण करना,
 * 3) संयंत्र और नियंत्रक का अनुकरण,
 * 4) नियंत्रक को प्रतिस्थापित करके इन सभी चरणों को एकीकृत करना।

मॉडल-आधारित डिज़ाइन अनुकूलन डिज़ाइन पद्धति से मुख्यतः भिन्न है। जटिल संरचनाओं और व्यापक सॉफ़्टवेयर कोड का उपयोग करने के अतिरिक्त, डिज़ाइनर निरंतर-समय और असतत-समय बिल्डिंग ब्लॉकों का उपयोग करके उन्नत कार्यात्मक विशेषताओं के साथ संयंत्र मॉडल को परिभाषित करने के लिए मॉडल-आधारित डिज़ाइन का उपयोग कर सकते हैं। मॉडल-आधारित डिज़ाइन एम्बेडेड सॉफ़्टवेयर डिज़ाइन करने में लागू एक विशिष्ट पद्धति है। अनुकरण पद्धति के साथ उपयोग किए जाने वाले ये निर्मित मॉडल तेजी से प्रोटोटाइप, सॉफ्टवेयर परीक्षण और सत्यापन का कारण बन सकते हैं। इसके द्वारा न केवल परीक्षण और सत्यापन प्रक्रिया को बढ़ाया गया है, बल्कि कुछ प्रकरणों में हार्डवेयर-इन-द-लूप सिमुलेशन का उपयोग सिस्टम पर गतिशील प्रभावों का परीक्षण करने के लिए नए डिज़ाइन प्रतिमान के साथ अधिक तेज़ी से और अधिक प्रभावशालीतापूर्वक परीक्षण करने और आधारभूत डिजाइन पद्धति के लिए उपयोग किया जा सकता है।

इतिहास
1920 के दशक के प्रारम्भ में इंजीनियरिंग के दो पहलू नियंत्रण सिद्धांत और नियंत्रण प्रणाली बड़े पैमाने पर एकीकृत प्रणालियों को संभव बनाने के लिए एकजुट हुए। उन प्रारंभिक दिनों में नियंत्रण प्रणालियाँ सामान्यतः औद्योगिक वातावरण में उपयोग की जाती थीं। तापमान, दबाव और प्रवाह दर जैसे निरंतर चर को विनियमित करने के लिए बड़ी प्रक्रिया सुविधाओं ने प्रक्रिया नियंत्रकों का उपयोग करना प्रारम्भ कर दिया। क्रमानुगत जैसे नेटवर्क में निर्मित विद्युत रिले संपूर्ण विनिर्माण प्रक्रिया को स्वचालित करने वाले पहले असतत नियंत्रण उपकरणों में से एक थे।

नियंत्रण प्रणालियों ने समय के साथ संघर्ष करते हुए, मुख्यतः ऑटोमोटिव और एयरोस्पेस क्षेत्रों में 1950 और 1960 के दशक में अंतरिक्ष की ओर बढ़ते दबाव ने एम्बेडेड नियंत्रण प्रणालियों में रुचि उत्पन्न की। इंजीनियरों ने इंजन नियंत्रण इकाइयों और उड़ान सिमुलेटर जैसी नियंत्रण प्रणालियों का निर्माण किया, जो अंतिम उत्पाद का अनुभाग हो सकते हैं। बीसवीं सदी के अंत तक एम्बेडेड नियंत्रण प्रणालियाँ सर्वव्यापी थीं, क्योंकि वॉशिंग मशीन और एयर कंडीशनिंग जैसे प्रमुख घरेलू उपभोक्ता उपकरण में भी जटिल और उन्नत नियंत्रण एल्गोरिदम सम्मिलित थे, जो उन्हें और अधिक स्वचालित बनाते थे।

1969 में, पहला कंप्यूटर-आधारित नियंत्रक प्रस्तुत किया गया था। इन प्रारंभिक निर्देशयोग्य तर्क नियंत्रक (पीएलसी) ने पहले से ही उपलब्ध असतत नियंत्रण प्रौद्योगिकियों के संचालन की नकल की, जो पुरानी रिले क्रमानुगत प्रौद्योगिकियों का उपयोग करते थे। पीसी प्रौद्योगिकी के आगमन से प्रक्रिया और पृथक नियंत्रण बाजार में महत्वपूर्ण परिवर्तन आया। पर्याप्त हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर से भरा ऑफ-द-शेल्फ डेस्कटॉप एक संपूर्ण प्रक्रिया इकाई संचालित कर सकता है, और जटिल और स्थापित पीआईडी ​​एल्गोरिदम निष्पादित कर सकता है या एक वितरित नियंत्रण प्रणाली (डीसीएस) के रूप में कार्य कर सकता है।

चरण
मॉडल-आधारित डिज़ाइन दृष्टिकोण में मुख्य चरण हैं:
 * 1) संयंत्र मॉडलिंग डेटा-संचालित या पहले सिद्धांत पर आधारित हो सकता है। डेटा-संचालित संयंत्र मॉडलिंग सिस्टम आइडेंटिफिकेशन जैसी तकनीकों का उपयोग करता है। सिस्टम आइडेंटिफिकेशन के साथ संयंत्र मॉडल की आइडेंटिफिकेशन वास्तविक दुनिया प्रणाली से निष्क्रिय डेटा को प्राप्त करने और संसाधित करने और गणितीय एल्गोरिदम चुनने के द्वारा की जाती है जिसके साथ गणितीय मॉडल की आइडेंटिफिकेशन की जाती है। इंजीनियरों ने इंजन नियंत्रण इकाइयों और उड़ान सिमुलेटर जैसी नियंत्रण प्रणालियों का निर्माण किया, जिसमे मॉडल-आधारित नियंत्रक को डिज़ाइन करने के लिए उपयोग करने से पहले आइडेंटिफिकेशन किये गए मॉडल का उपयोग करके विभिन्न प्रकार के विश्लेषण और सिमुलेशन किए जा सकते हैं। प्रथम-सिद्धांत आधारित मॉडलिंग एक ब्लॉक आरेख मॉडल बनाने पर आधारित है जो संयंत्रों की गतिशीलता को नियंत्रित करने वाले ज्ञात अंतर-बीजगणितीय समीकरणों को लागू करता है। प्रथम-सिद्धांत आधारित मॉडलिंग का एक प्रकार भौतिक मॉडलिंग है, जहां एक मॉडल में जुड़े हुए ब्लॉक होते हैं जो वास्तविक संयंत्र के भौतिक तत्वों का प्रतिनिधित्व करते हैं।
 * 2) नियंत्रण प्रणाली विश्लेषण और संश्लेषण चरण 1 में कल्पना किए गए गणितीय मॉडल का उपयोग संयंत्र मॉडल की गतिशील विशेषताओं की आइडेंटिफिकेशन करने के लिए किया जाता है। फिर इन विशेषताओं के आधार पर एक नियंत्रक को संश्लेषित किया जा सकता है।
 * 3) ऑफ़लाइन सिमुलेशन और वास्तविक समय सिमुलेशन जटिल समय-भिन्न इनपुट के लिए गतिशील प्रणाली की समय प्रतिक्रिया की जांच की जाती है। यह एक साधारण एलटीआई (रैखिक समय-अपरिवर्तनीय) मॉडल का अनुकरण करके या नियंत्रक के साथ संयंत्र के एक गैर-रेखीय मॉडल का अनुकरण करके प्रयोग किया जाता है। सिमुलेशन डिज़ाइन प्रयास में बाद के अतिरिक्त विनिर्देशों, आवश्यकताओं और मॉडलिंग त्रुटियों को तुरंत ढूंढने की अनुमति देता है। चरण 2 में विकसित नियंत्रक के लिए स्वचालित रूप से कोड उत्पन्न करके वास्तविक समय सिमुलेशन किया जा सकता है। इस कोड को एक विशेष वास्तविक समय प्रोटोटाइप कंप्यूटर पर अवस्थित किया जा सकता है जो कोड चला सकता है और संयंत्र के संचालन को नियंत्रित कर सकता है। यदि कोई संयंत्र प्रोटोटाइप उपलब्ध नहीं है, या प्रोटोटाइप पर परीक्षण खतरनाक या महंगा है, तो संयंत्र मॉडल से कोड स्वचालित रूप से उत्पन्न किया जा सकता है। इस कोड को विशेष रीयल-टाइम कंप्यूटर पर अवस्थित किया जा सकता है जिसे रनिंग कंट्रोलर कोड के साथ लक्ष्य प्रोसेसर से जोड़ा जा सकता है। फिर इन विशेषताओं के आधार पर एक नियंत्रक को संश्लेषित किया जा सकता है। इस प्रकार एक नियंत्रक का वास्तविक समय में वास्तविक समय संयंत्र मॉडल के विरुद्ध परीक्षण किया जा सकता है।
 * 4) अवस्थित के रूप में आदर्श रूप से यह चरण 2 में विकसित नियंत्रक से कोड जनरेशन के माध्यम से किया जाता है। यह संभावना नहीं है कि नियंत्रक वास्तविक सिस्टम पर उतना ही काम करेगा जितना उसने सिमुलेशन में किया था, इसलिए वास्तविक लक्ष्य पर परिणामों का विश्लेषण करके एक पुनरावृत्त डिबगिंग प्रक्रिया की जाती है और नियंत्रक मॉडल को आवंटित किया जाता है। मॉडल-आधारित डिज़ाइन उपकरण इन सभी पुनरावृत्त चरणों को एकीकृत दृश्य वातावरण में निष्पादित करने की अनुमति देते हैं।

हानियां
उत्पाद और विकास के जीवनचक्र में विलंब से मॉडल-आधारित डिज़ाइन के नुकसान मुख्यतः अच्छी तरह से समझ में आते हैं।


 * एक बड़ा नुकसान यह है कि अपनाया गया दृष्टिकोण मानक एम्बेडेड और सिस्टम विकास के लिए एक व्यापक या संपूर्ण दृष्टिकोण है। अधिकांशतः प्रोसेसर और पारिस्थितिकी तंत्र के बीच पोर्ट करने में लगने वाला समय सरल प्रयोगशाला आधारित कार्यान्वयन में प्रदान किए जाने वाले अस्थायी मूल्य से अधिक हो सकता है।


 * अधिकांश संकलन उपकरण श्रृंखला बंद स्रोत है, और पोर्ट पोस्ट त्रुटियों में अन्य ऐसी सामान्य संकलन त्रुटियों की संभावना होती है जिन्हें आधारभूत सिस्टम इंजीनियरिंग में आसानी से सुव्यवस्थित किया जाता है। इस प्रकार एक नियंत्रक का वास्तविक समय में वास्तविक समय संयंत्र मॉडल के विरुद्ध परीक्षण किया जा सकता है।


 * डिज़ाइन और पुन: उपयोग पैटर्न से उन मॉडलों का कार्यान्वयन हो सकता है जो उस कार्य के लिए उपयुक्त नहीं हैं। जैसे कि एक कन्वेयर बेल्ट उत्पादन सुविधा के लिए एक नियंत्रक को लागू करना जो ऊष्मीय सेंसर, स्पीड सेंसर और विद्युत धारा सेंसर का उपयोग करता है। वह मॉडल सामान्यतः मोटर नियंत्रक आदि में पुन: कार्यान्वयन के लिए उपयुक्त नहीं है। हालांकि ऐसे मॉडल को पोर्ट करना और उसमें सभी सॉफ़्टवेयर दोषों को प्रस्तुत करना बहुत आसान है।

जबकि मॉडल-आधारित डिज़ाइन में परीक्षण परिदृश्यों का अनुकरण करने और सिमुलेशन की अच्छी तरह से व्याख्या करने की क्षमता होती है, वास्तविक दुनिया के उत्पादन वातावरण में यह अधिकांशतः उपयुक्त नहीं होता है। किसी दिए गए टूलचेन पर अत्यधिक निर्भरता से महत्वपूर्ण पुनर्कार्य हो सकता है और संभवतः संपूर्ण इंजीनियरिंग दृष्टिकोण से समझौता हो सकता है। हालाँकि यह बेंच कार्य के लिए उपयुक्त है, साथ ही उत्पादन प्रणाली के लिए इसका उपयोग करने का चुनाव बहुत सावधानी से किया जाना चाहिए।

लाभ
आधारभूत दृष्टिकोण की तुलना में मॉडल-आधारित डिज़ाइन के कुछ लाभ इस प्रकार हैं:
 * मॉडल-आधारित डिज़ाइन एक सामान्य डिज़ाइन वातावरण प्रदान करता है, जो विभिन्न (विकास) समूहों के बीच सामान्य संचार, डेटा विश्लेषण और सिस्टम सत्यापन की सुविधा प्रदान करता है।
 * जब सिस्टम संशोधन का समय और वित्तीय प्रभाव कम हो जाता है, तो इंजीनियर सिस्टम डिज़ाइन में त्रुटियों का शीघ्र पता लगा सकते हैं और उन्हें सुव्यवस्थित कर सकते हैं।
 * उन्नयन के लिए और विस्तारित क्षमताओं के साथ व्युत्पन्न प्रणालियों के लिए डिज़ाइन का पुन: उपयोग की सुविधा प्रदान की जाती है।

ग्राफ़िकल टूल की सीमाओं के कारण, डिज़ाइन इंजीनियर पहले टेक्स्ट-आधारित प्रोग्रामिंग और गणितीय मॉडल पर बहुत अधिक निर्भर थे। हालाँकि, इन मॉडलों को विकसित करने में समय लगता था और त्रुटि की अत्यधिक संभावना होती थी। इसके अलावा, टेक्स्ट-आधारित कार्यक्रमों को डिबग करना एक कठिन प्रक्रिया है, जिसमें अंतिम दोष-मुक्त मॉडल बनाने से पहले बहुत अधिक परीक्षण और त्रुटि की आवश्यकता होती है, मुख्यतः जब गणितीय मॉडल विभिन्न डिजाइन चरणों के माध्यम से अनुवाद के दौरान अनदेखे परिवर्तनों से गुजरते हैं।

ग्राफ़िकल मॉडलिंग टूल का लक्ष्य डिज़ाइन के इन पहलुओं को बेहतर बनाना है। ये उपकरण एक बहुत ही सामान्य और एकीकृत ग्राफ़िकल मॉडलिंग वातावरण प्रदान करते हैं, और वे मॉडल डिज़ाइनों को अलग-अलग डिज़ाइन ब्लॉकों के पदानुक्रमों में विखंडित कर उनकी जटिलता को कम करते हैं। इस प्रकार डिजाइनर केवल एक ब्लॉक तत्व को दूसरे के साथ प्रतिस्थापित करके मॉडल निष्ठा के कई स्तर प्राप्त कर सकते हैं। ग्राफ़िकल मॉडल इंजीनियरों को संपूर्ण सिस्टम की अवधारणा बनाने और डिज़ाइन प्रक्रिया में मॉडल को एक चरण से दूसरे चरण तक ले जाने की प्रक्रिया को सरल बनाने में भी मदद करते हैं। बोइंग का सिम्युलेटर ईजी5 उन पहले मॉडलिंग टूल में से एक था, जो बॉन्ड ग्राफ सिद्धांत पर आधारित मल्टी-डोमेन, मल्टी-लेवल प्लेटफॉर्म एएमईसिम के साथ ग्राफिकल यूजर इंटरफेस के साथ प्रदान किया गया था। इसके बाद जल्द ही 20-सिम और डिमोला जैसे उपकरण आए, जिसने मॉडलों को द्रव्यमान, स्प्रिंग्स, प्रतिरोधक इत्यादि जैसे भौतिक घटकों से निर्मित कर दिया गया। बाद में इसके बाद सिमुलिंक और लैबव्यू जैसे कई अन्य आधुनिक उपकरण संज्ञान में आए।

यह भी देखें

 * नियंत्रण सिद्धांत
 * कार्यात्मक विनिर्देश
 * मॉडल-संचालित इंजीनियरिंग
 * वैज्ञानिक मॉडलिंग
 * विशिष्टता (तकनीकी मानक)
 * प्रणाली अभियांत्रिकी