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, संकेत आगे बढ़ाना और संचार प्रणालियाँ। इसका उपयोग कई गति नियंत्रण, औद्योगिक उपकरण, एयरोस्पेस और ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में किया जाता है।  मॉडल-आधारित डिज़ाइन एम्बेडेड सॉफ़्टवेयर डिज़ाइन करने में लागू एक पद्धति है।

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

मॉडल-आधारित डिज़ाइन पारंपरिक डिज़ाइन पद्धति से काफी भिन्न है। जटिल संरचनाओं और व्यापक सॉफ़्टवेयर कोड का उपयोग करने के बजाय, डिज़ाइनर निरंतर-समय और असतत-समय बिल्डिंग ब्लॉकों का उपयोग करके उन्नत कार्यात्मक विशेषताओं के साथ प्लांट मॉडल को परिभाषित करने के लिए मॉडल-आधारित डिज़ाइन का उपयोग कर सकते हैं। सिमुलेशन टूल के साथ उपयोग किए जाने वाले ये निर्मित मॉडल तेजी से प्रोटोटाइप, सॉफ्टवेयर परीक्षण और सत्यापन का कारण बन सकते हैं। न केवल परीक्षण और सत्यापन प्रक्रिया को बढ़ाया गया है, बल्कि, कुछ मामलों 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 कुशलतापूर्वक करने के लिए किया जा सकता है। पारंपरिक डिजाइन पद्धति।

इतिहास
1920 के दशक की शुरुआत में इंजीनियरिंग के दो पहलू, नियंत्रण सिद्धांत और नियंत्रण प्रणाली, बड़े पैमाने पर एकीकृत प्रणालियों को संभव बनाने के लिए एकजुट हुए। उन शुरुआती दिनों में नियंत्रण प्रणालियाँ आमतौर पर 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 शुरू कर दिया। सीढ़ी जैसे नेटवर्क में निर्मित विद्युत रिले संपूर्ण विनिर्माण प्रक्रिया को स्वचालित करने वाले पहले असतत नियंत्रण उपकरणों में से एक थे।

नियंत्रण प्रणालियों ने गति पकड़ी, मुख्यतः ऑटोमोटिव और एयरोस्पेस क्षेत्रों में। 1950 और 1960 के दशक में, अंतरिक्ष की ओर बढ़ते दबाव ने एम्बेडेड नियंत्रण प्रणालियों में रुचि पैदा की। इंजीनियरों ने इंजन नियंत्रण इकाइयों और उड़ान सिमुलेटर जैसी नियंत्रण प्रणालियों का निर्माण किया, जो अंतिम उत्पाद का हिस्सा हो सकते हैं। बीसवीं सदी के अंत तक, एम्बेडेड नियंत्रण प्रणालियाँ सर्वव्यापी थीं, क्योंकि वॉशिंग मशीन और एयर कंडीशनिंग जैसे प्रमुख घरेलू उपभोक्ता उपकरणों में भी जटिल और उन्नत नियंत्रण एल्गोरिदम शामिल थे, जो उन्हें और अधिक बुद्धिमान बनाते थे।

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

कदम
मॉडल-आधारित डिज़ाइन दृष्टिकोण में मुख्य चरण हैं:
 * 1) प्लांट मॉडलिंग. प्लांट मॉडलिंग डेटा-संचालित या पहले सिद्धांत पर आधारित हो सकता है। डेटा-संचालित प्लांट मॉडलिंग सिस्टम पहचान जैसी तकनीकों का उपयोग करता है। सिस्टम पहचान के साथ, प्लांट मॉडल की पहचान वास्तविक दुनिया प्रणाली से कच्चे डेटा को प्राप्त करने और संसाधित करने और गणितीय एल्गोरिदम चुनने के द्वारा की जाती है जिसके साथ गणितीय मॉडल की पहचान की जाती है। मॉडल-आधारित नियंत्रक को डिज़ाइन करने के लिए उपयोग करने से पहले पहचाने 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 पौधों 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 प्लांट मॉडल की गतिशील विशेषताओं की पहचान 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 किया जाता है। सिमुलेशन डिज़ाइन प्रयास में बाद के बजाय 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 तैनात किया जा सकता है जो कोड चला सकता है और संयंत्र के संचालन को नियंत्रित कर सकता है। यदि कोई प्लांट प्रोटोटाइप उपलब्ध नहीं है, या प्रोटोटाइप पर परीक्षण खतरनाक या महंगा है, तो प्लांट मॉडल से कोड स्वचालित रूप से उत्पन्न किया जा सकता है। इस कोड को विशेष रीयल-टाइम कंप्यूटर पर तैनात किया जा सकता है जिसे रनिंग कंट्रोलर कोड के साथ लक्ष्य प्रोसेसर से जोड़ा जा सकता है। इस प्रकार एक नियंत्रक का वास्तविक समय में वास्तविक समय संयंत्र मॉडल के विरुद्ध परीक्षण किया जा सकता है।
 * 4) तैनाती. 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 अद्यतन कर रहा है। मॉडल-आधारित डिज़ाइन उपकरण इन सभी पुनरावृत्त चरणों को एकीकृत दृश्य वातावरण में निष्पादित करने की अनुमति देते हैं।

नुकसान
उत्पाद और विकास के विकास जीवनचक्र में देर से मॉडल-आधारित डिज़ाइन के नुकसान काफी 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। अक्सर 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 बाड़ पोस्ट त्रुटियों, और अन्य ऐसी सामान्य संकलन त्रुटियों की संभावना होती है जिन्हें पारंपरिक सिस्टम इंजीनियरिंग में आसानी से ठीक किया जाता 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 थर्मल सेंसर, स्पीड सेंसर और वर्तमान सेंसर का उपयोग करता है। वह मॉडल आम तौर पर मोटर नियंत्रक आदि में पुन: कार्यान्वयन के लिए उपयुक्त नहीं है। हालांकि ऐसे मॉडल को पोर्ट करना और उसमें सभी सॉफ़्टवेयर दोषों को पेश 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 अक्सर 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, उत्पादन प्रणाली के लिए इसका उपयोग करने का चुनाव बहुत सावधानी से किया जाना चाहिए।

लाभ
पारंपरिक 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 ठीक 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, पाठ-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, खासकर 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 तोड़कर 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 EASY5 उन पहले मॉडलिंग टूल में से एक था, जो बॉन्ड ग्राफ सिद्धांत पर आधारित मल्टी-डोमेन, मल्टी-लेवल प्लेटफॉर्म AMESim 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 बना दिया। बाद में इसके बाद  Simulink  और लैबव्यू जैसे कई अन्य आधुनिक उपकरण आए।

यह भी देखें

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