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1 MBD的基本应用形式 前文提到，MBD的核心模型由“控制器模型 + 执行器模型”组成，这是MBD的基础应用形式。 实际的MBD项目中，控制器模型可以由实际的控制器（或原型控制器）代替，组成“实际控制器 + 执行器模型”的形式。 或者执行器模型由实际的开发产品替换，组成“控制器模型 + 实际执行器”的形式。 或者模型只用于仿真模型进行分析和生成代码，功能开发和调试都由实际的对象来实现，组成“实际控制器+ 实际执行器”的形式。 Tips：上述的四种形式均没有提到“运行环境”或“环境模型”，这是因为执行器的运行环境应当和执行器保持一致，即：执行器为模型，则运行环境也为模型；执行器为实际对象，则运行环境也为实际环境。 更进一步，实际对象和仿真模型可以根据需要，灵活地混合同步使用。这样可以实现由模型探索和设计软件框架、控制算法和产品功能，再由实际对象来验证和测试模型的实际效果。如下图所示：  MBD的不同组合形式 实际中往往都是同时使用不同的组合形式，这里我总结了以下几点。 2 利用MBD开发产品软件 这是MBD最基本的功能，一般是“控制器模型 + 执行器模型”或“实际控制器 +执行器模型”或“实际控制器 +实际执行器”的形式。autoMBD开源的项目“基于MBD开发FOC电机控制算法”就属于这种应用。 使用MBD开发控制软件，控制器模型成为主要的设计对象，而执行器模型可以适当简化。 控制器模型的设计主要包含软件框架模型设计、状态机设计、算法设计等，包括底层驱动、控制算法、数据处理等都可以实现。 我在GitHub上公开的基于MBD的电机控制项目，详细地展示了如何使用MBD开发永磁无刷电机控制软件，下图是开发的控制器模型和执行器模型：  基于MBD开发永磁无刷电机控制软件 利用MBD开发控制软件时，经常使用到模型在环（Model In the Loop，MIL）、软件在环（SoftwareIn the Loop，SIL）和处理器在环（Processor In the Loop，PIL）。 这些在环测试都有一个共同的特点：被控对象（执行器）都是非实时的仿真模型。它们之间的区别就在于控制器的形式不同：
被控对象（执行器模型）可以在Simulink中搭建，也可以使用其他建模软件。 例如开发无人机，可以使用Unity 3D、SolidWorks等3D建模软件，创建无人机模型，通过与Simulink联合仿真的方式来设计和开发无人机的控制算法。 3 利用MBD进行产品功能测试 这种应用最常见的便是硬件在环测试（Hardware In the Loop，HIL），它的MBD形式是“实际控制器 + 执行器模型”。 HIL已经有了一定的市场规模，在汽车行业广泛被使用。HIL是将被控对象（即执行器模型）进行建模，有时候还需要对环境进行建模，下载到实时操作系统中。运行被控对象和环境模型的设备一般被称为实时仿真机。  Speedgoat不同规格的实时仿真机 HIL的目的是要测试的是控制器在不同条件下的功能是否完善，是否能应对极端工况，故障率是多少，稳定性有多高，等等。这些测试在汽车行业中是必不可少的。 要注意的是，HIL中的实际控制器是功能设计和电气电路都相对完整的ECU（Electronic Control Unit，ECU）；而PIL中的实际控制器仅仅只是MCU而已。 为什么要使用HIL呢？因为HIL中的被控对象往往是复杂且成本高昂的，使用实际对象进行测试还有可能具有一定的危险性。 例如：整车控制单元（Vehicle Control Unit，VCU）的测试，他的控制对象是一辆整车。如果待测试的VCU功能不完善，很可能对整车造成不可逆的破坏。还有测试员也不是赛车手，他很难做到驾驶整车实现漂移、急转弯等工况，要做这些测试也是很危险的。 所以搭建一个整车模型，可以很方便的在实时仿真器中跑各种极端工况，从而实现对VCU进行有效的测试，这样的模型一般复杂程度都非常高。 在“2 利用MBD开发产品软件”中提到的MIL、SIL和PIL也能在一定程度上做产品功能测试。它们用于测试时，其目的是不一样的，这里总结如下：
根据实际情况，选择MIL、SIL、PIL或HIL可以达到不同的测试目的。 HIL的市场化程度很高，相应的公司和解决方案有非常多，更多信息可以参考“重新认识一下MBD：MBD的市场情况”。 4 利用MBD做快速原型开发 快速控制原型（Rapid Control Prototype，RCP）也是MBD的经典应用，它的MBD形式可以是“控制器模型 + 实际执行器”或者“实际控制器+ 实际执行器”。 这两种形式中，控制器都被称为是原型控制器；这两种形式也对应两种不同的原型控制器：
Tips：Simulink Real-Time可以认为是Simulink设计的实时操作系统，该操作系统可以直接运行Simulink模型，而不需要转化为C代码。 RCP一般用于验证算法的可行性，开发原型机，探索产品的系统框架和功能需求，为后期的产品设计提供理论支持和参考设计。 RCP可以避免繁琐的代码编写和调试过程，专注于算法开发，专注于产品的系统设计和功能设计，专注于执行器的开发和迭代。 相比于利用MBD开发软件，RCP更加侧重于产品执行器的功能设计。控制器只需要使用现有的原型控制器即可。 因此RCP适合体量较小、易于打样的产品。在RCP的项目中，原型控制器一般具有丰富的接口和强大的外设，方便快速实现算法，同时也易于算法的更新迭代；执行器是可以通过3D打印、标准零件等快速组装和实现的原型执行器。 举一个例子。开源的无人机飞控原型机Pixhawk4，它内置了很多飞控所需要的传感器和接口，可以帮助开发者快速实现简单的飞控算法，而飞控算法则可以通过建模来设计、实现和自动生成代码。控制器和执行器（带螺旋桨的电机）可以轻松地购买和组装。 将原型控制器Pixhawk4、基于模型设计生成的飞控算法和原型无人机（无人机架、电机、螺旋桨有机）等适当组装开发，便实现了无人机的RCP的开发，如下图所示：
无人机飞控原型机Pixhawk4 有的原型控制器会提供丰富的模型库（硬件支持包），集成在Simulink中。结合“2 利用MBD开发产品软件”中提到的方法，可以快速地开发控制算法，并轻易地部署到原型控制器中。 Tips：要注意RCP和HIL的区别。HIL本质上是一种测试方法，而RCP是一种具有探索性质的产品设计方法，RCP也非常适合用来个人学习和DIY。 5 利用MBD做项目管理 我们比较熟知的是，MBD的控制器模型是可以直接生成代码的，实际上MBD还可以生成需求报告和测试报告。 在MATLAB中，通过Simulink Requirements和Simulink Test这两个工具就可以实现这样的功能，如下图所示：  Simulink Requirements和Simulink Test工具 Simulink Requirements和Simulink Test这两个工具可以将项目管理中的需求文档和测试文档与MBD模型关联起来，做到模型围绕需求搭建，测试围绕模型测试，实现基于模型的文档管理和追踪。 使用MBD做项目管理，在实际中是比较少被使用的，我对这部分的应用也了解的不多。刘杰教授在他出版的《基于模型的设计——MCU篇》中，对基于模型的需求管理和追踪有系统的讲解，感兴趣的读者可以参考这本书。 6 MBD应用总结 在实践中，不同MBD应用看起来差异很多，但始终离不开四种最基本的形式，即：
这里对这四种基本形式的应用进行简单的总结：
MBD不同形式的应用总结 除了上述的应用，还有基于模型的项目管理。MBD的这种应用相对较少，我也不太熟悉，感兴趣的读者可以自行查找相关技术文章。 |
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