การออกแบบตามแบบจำลอง ( MBD ) เป็นวิธีการทางคณิตศาสตร์และภาพในการแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบระบบควบคุมที่ซับซ้อน^{[ 1 ]}การประมวลผลสัญญาณ^{[ 2 ]}และระบบสื่อสาร มีการนำไปใช้ในการควบคุมการเคลื่อนไหวอุปกรณ์อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ และการใช้งานยานยนต์ มากมาย ^{[ 3 ] [ 4 ]}การออกแบบตามแบบจำลองเป็นวิธีการที่ใช้ในการออกแบบซอฟต์แวร์ฝังตัว^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

การออกแบบโดยใช้แบบจำลองเป็นแนวทางที่มีประสิทธิภาพในการสร้างกรอบการทำงานร่วมกันสำหรับการสื่อสารตลอดกระบวนการออกแบบ พร้อมทั้งสนับสนุนวงจรการพัฒนา ( แบบจำลอง V ) ในการออกแบบระบบควบคุมโดยใช้แบบจำลอง การพัฒนาจะปรากฏในสี่ขั้นตอนดังนี้:

1. การสร้างแบบจำลองของพืช
2. การวิเคราะห์และสังเคราะห์ตัวควบคุมสำหรับโรงงาน
3. จำลองการทำงานของโรงงานและตัวควบคุม
4. โดยการบูรณาการขั้นตอนทั้งหมดเหล่านี้เข้าด้วยกันผ่านการใช้งานตัวควบคุม

การออกแบบโดยใช้แบบจำลองนั้นแตกต่างอย่างมากจากวิธีการออกแบบแบบดั้งเดิม แทนที่จะใช้โครงสร้างที่ซับซ้อนและรหัสซอฟต์แวร์จำนวนมาก นักออกแบบสามารถใช้การออกแบบโดยใช้แบบจำลองเพื่อกำหนดแบบจำลองของระบบที่มีลักษณะการทำงานขั้นสูงโดยใช้ส่วนประกอบแบบต่อเนื่องและแบบไม่ต่อเนื่อง แบบจำลองที่สร้างขึ้นเหล่านี้ เมื่อใช้ร่วมกับเครื่องมือจำลอง จะนำไปสู่การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว การทดสอบซอฟต์แวร์ และการตรวจสอบ ไม่เพียงแต่กระบวนการทดสอบและการตรวจสอบจะได้รับการปรับปรุงเท่านั้น แต่ในบางกรณีการจำลองแบบฮาร์ดแวร์ในวงจร (hardware-in-the-loop simulation) ยัง สามารถใช้กับกระบวนทัศน์การออกแบบใหม่นี้เพื่อทำการทดสอบผลกระทบแบบไดนามิกต่อระบบได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีการออกแบบแบบดั้งเดิม

ตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1920 เป็นต้นมา วิศวกรรมสองด้าน ได้แก่ ทฤษฎีการควบคุมและระบบควบคุม ได้มาบรรจบกัน ทำให้ระบบบูรณาการขนาดใหญ่เป็นไปได้ ในยุคแรกๆ ระบบควบคุมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม โรงงานขนาดใหญ่เริ่มใช้ตัวควบคุมกระบวนการเพื่อควบคุมตัวแปรต่อเนื่อง เช่น อุณหภูมิ ความดัน และอัตราการไหล รีเลย์ไฟฟ้าที่สร้างขึ้นในวงจรแบบขั้นบันไดเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ควบคุมแบบแยกส่วนตัวแรกๆ ที่ใช้ในการทำให้กระบวนการผลิตทั้งหมดเป็นไปโดยอัตโนมัติ

ระบบควบคุมได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมยานยนต์และอวกาศ ในช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960 ความพยายามในการพัฒนาอวกาศได้ก่อให้เกิดความสนใจในระบบควบคุมแบบฝังตัว วิศวกรได้สร้างระบบควบคุมต่างๆ เช่น หน่วยควบคุมเครื่องยนต์และเครื่องจำลองการบิน ซึ่งสามารถเป็นส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายได้ เมื่อถึงปลายศตวรรษที่ 20 ระบบควบคุมแบบฝังตัวก็แพร่หลายไปทั่ว แม้แต่เครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนขนาดใหญ่เช่น เครื่องซักผ้าและเครื่องปรับอากาศก็มีอัลกอริธึมควบคุมที่ซับซ้อนและล้ำสมัย ทำให้เครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านั้น "ฉลาด" มากขึ้น

ในปี 1969 ได้มีการนำตัวควบคุมแบบใช้คอมพิวเตอร์มาใช้เป็นครั้งแรกตัวควบคุมลอจิกแบบโปรแกรมได้ (PLC) รุ่นแรกๆ เหล่านี้เลียนแบบการทำงานของเทคโนโลยีการควบคุมแบบแยกส่วนที่มีอยู่แล้ว ซึ่งใช้รีเลย์แบบเก่า การมาถึงของเทคโนโลยีพีซีได้นำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในตลาดการควบคุมกระบวนการและแบบแยกส่วน คอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะสำเร็จรูปที่ติดตั้งฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่เหมาะสมสามารถควบคุมหน่วยประมวลผลทั้งหมด และดำเนินการตามอัลกอริทึม PID ที่ซับซ้อนและเป็นที่ยอมรับ หรือทำงานเป็นระบบควบคุมแบบกระจาย (DCS) ได้

ขั้นตอนหลักในการออกแบบโดยใช้แบบจำลองมีดังนี้:

1. การสร้างแบบจำลองโรงงาน สามารถทำได้ทั้งแบบใช้ข้อมูลเป็นหลักหรือแบบอิงหลักการพื้นฐานการสร้างแบบจำลองโรงงานโดยใช้ข้อมูลเป็นหลักจะใช้เทคนิคต่างๆ เช่นการระบุระบบ (System identification ) โดยการระบุระบบจะทำการระบุแบบจำลองโรงงานโดยการเก็บรวบรวมและประมวลผลข้อมูลดิบจากระบบในโลกแห่งความเป็นจริง และเลือกอัลกอริธึมทางคณิตศาสตร์ที่จะใช้ในการระบุแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ จากนั้นจึงทำการวิเคราะห์และจำลองสถานการณ์ต่างๆ โดยใช้แบบจำลองที่ระบุได้ ก่อนที่จะนำไปใช้ในการออกแบบตัวควบคุมแบบจำลอง ส่วนการสร้างแบบจำลองแบบอิงหลักการพื้นฐานนั้น จะสร้าง แบบจำลอง แผนภาพบล็อกที่ใช้สมการเชิงอนุพันธ์-พีชคณิตที่ทราบแล้วซึ่งควบคุมพลวัตของโรงงาน แบบจำลองทางกายภาพ (Physical modeling) เป็นแบบจำลองแบบอิงหลักการพื้นฐานประเภทหนึ่ง โดยแบบจำลองจะประกอบด้วยบล็อกที่เชื่อมต่อกันซึ่งแสดงถึงองค์ประกอบทางกายภาพของโรงงานจริง
2. การวิเคราะห์และการสังเคราะห์ ตัวควบคุมแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่สร้างขึ้นในขั้นตอนที่ 1 จะถูกนำมาใช้เพื่อระบุลักษณะไดนามิกของแบบจำลองระบบ จากนั้นจึงสามารถสังเคราะห์ตัวควบคุมโดยอิงจากลักษณะเหล่านี้ได้
3. การจำลองแบบออฟไลน์และการจำลองแบบเรียลไทม์มีการตรวจสอบการตอบสนองของระบบไดนามิกต่ออินพุตที่ซับซ้อนและเปลี่ยนแปลงตามเวลา โดยการจำลองแบบจำลอง LTI ( Linear Time-Invariant ) อย่างง่าย หรือโดยการจำลองแบบจำลองที่ไม่เป็นเชิงเส้นของระบบที่มีตัวควบคุม การจำลองช่วยให้สามารถค้นหาข้อกำหนด ความต้องการ และข้อผิดพลาดในการสร้างแบบจำลองได้ทันที แทนที่จะรอจนถึงขั้นตอนการออกแบบในภายหลัง การจำลองแบบเรียลไทม์สามารถทำได้โดยการสร้างโค้ดสำหรับตัวควบคุมที่พัฒนาในขั้นตอนที่ 2 โดยอัตโนมัติ โค้ดนี้สามารถนำไปใช้กับคอมพิวเตอร์ต้นแบบแบบเรียลไทม์พิเศษที่สามารถรันโค้ดและควบคุมการทำงานของระบบได้ หากไม่มีต้นแบบระบบ หรือการทดสอบบนต้นแบบนั้นอันตรายหรือมีราคาแพง โค้ดสามารถสร้างขึ้นโดยอัตโนมัติจากแบบจำลองระบบ โค้ดนี้สามารถนำไปใช้กับคอมพิวเตอร์แบบเรียลไทม์พิเศษที่สามารถเชื่อมต่อกับโปรเซสเซอร์เป้าหมายที่มีโค้ดตัวควบคุมที่กำลังทำงานอยู่ ดังนั้นจึงสามารถทดสอบตัวควบคุมแบบเรียลไทม์กับแบบจำลองระบบแบบเรียลไทม์ได้
4. การนำไปใช้งานจริง ในอุดมคติแล้วควรทำผ่านการสร้างโค้ดจากตัวควบคุมที่พัฒนาขึ้นในขั้นตอนที่ 2 แต่เป็นไปได้ยากที่ตัวควบคุมจะทำงานบนระบบจริงได้ดีเท่ากับที่ทำงานในระบบจำลอง ดังนั้นจึงต้องดำเนินการกระบวนการแก้ไขข้อผิดพลาดแบบวนซ้ำ โดยการวิเคราะห์ผลลัพธ์บนระบบเป้าหมายจริงและอัปเดตแบบจำลองตัวควบคุม เครื่องมือออกแบบตามแบบจำลองช่วยให้สามารถดำเนินการขั้นตอนแบบวนซ้ำทั้งหมดเหล่านี้ได้ในสภาพแวดล้อมแบบภาพที่รวมเป็นหนึ่งเดียว

ข้อเสียของการออกแบบโดยใช้โมเดลนั้นเป็นที่เข้าใจกันดีอยู่แล้วในช่วงปลายของวงจรการพัฒนาผลิตภัณฑ์

• ข้อเสียเปรียบที่สำคัญประการหนึ่งคือ แนวทางที่ใช้เป็นแนวทางแบบครอบคลุมหรือเหมาทั้งหมดสำหรับการพัฒนาระบบฝังตัวและระบบทั่วไป บ่อยครั้งที่เวลาที่ใช้ในการพอร์ตระหว่างโปรเซสเซอร์และระบบนิเวศอาจมากกว่าคุณค่าเชิงเวลาที่ได้รับจากการใช้งานในห้องปฏิบัติการที่เรียบง่ายกว่า

• ชุดเครื่องมือคอมไพล์ส่วนใหญ่เป็นซอฟต์แวร์ปิด และมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดแบบ fence post error และข้อผิดพลาดทั่วไปอื่นๆ ในการคอมไพล์ ซึ่งสามารถแก้ไขได้ง่ายในวิศวกรรมระบบแบบดั้งเดิม

• รูปแบบการออกแบบและการนำกลับมาใช้ใหม่ อาจนำไปสู่การนำโมเดลที่ไม่เหมาะสมกับงานนั้นมาใช้ ตัวอย่างเช่น การสร้างตัวควบคุมสำหรับโรงงานผลิตสายพานลำเลียงที่ใช้เซ็นเซอร์ความร้อน เซ็นเซอร์ความเร็ว และเซ็นเซอร์กระแสไฟฟ้า โมเดลดังกล่าวโดยทั่วไปแล้วไม่เหมาะสมสำหรับการนำไปใช้ใหม่ในตัวควบคุมมอเตอร์ เป็นต้น แม้ว่าการดัดแปลงโมเดลดังกล่าวและนำข้อผิดพลาดทางซอฟต์แวร์ทั้งหมดมาใช้จะทำได้ง่ายมากก็ตาม
• ปัญหาการควบคุมเวอร์ชัน : การออกแบบตามแบบจำลองอาจพบกับความท้าทายอย่างมากเนื่องจากขาดเครื่องมือคุณภาพสูงสำหรับการจัดการการควบคุมเวอร์ชัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการจัดการการเปรียบเทียบและการรวม ซึ่งอาจนำไปสู่ความยากลำบากในการจัดการการเปลี่ยนแปลงพร้อมกันและการรักษาแนวทางการควบคุมการแก้ไขที่แข็งแกร่ง แม้ว่าจะมีการนำเครื่องมือใหม่ๆ เช่น การรวมแบบ 3 ทาง มาใช้เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ แต่การบูรณาการโซลูชันเหล่านี้เข้ากับเวิร์กโฟลว์ที่มีอยู่อย่างมีประสิทธิภาพยังคงเป็นงานที่ซับซ้อน^{[ 8 ]}

แม้ว่าการออกแบบโดยใช้แบบจำลองจะมีศักยภาพในการจำลองสถานการณ์ทดสอบและตีความผลการจำลองได้ดี แต่ในสภาพแวดล้อมการผลิตจริงนั้น มักจะไม่เหมาะสม การพึ่งพาเครื่องมือใดเครื่องมือหนึ่งมากเกินไปอาจนำไปสู่การแก้ไขงานซ้ำซ้อนอย่างมาก และอาจส่งผลกระทบต่อแนวทางการออกแบบทางวิศวกรรมทั้งหมดได้ แม้ว่าจะเหมาะสมสำหรับการทำงานบนโต๊ะทดลอง แต่การเลือกใช้ในระบบการผลิตควรพิจารณาอย่างรอบคอบ

ข้อดีบางประการของการออกแบบตามแบบจำลองเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม ได้แก่: ^{[ 9 ]}

• การออกแบบโดยใช้โมเดลเป็นพื้นฐานจะสร้างสภาพแวดล้อมการออกแบบที่เป็นมาตรฐาน ซึ่งอำนวยความสะดวกในการสื่อสาร การวิเคราะห์ข้อมูล และการตรวจสอบระบบระหว่างกลุ่ม (พัฒนา) ต่างๆ
• วิศวกรสามารถค้นหาและแก้ไขข้อผิดพลาดได้ตั้งแต่เนิ่นๆ ในขั้นตอนการออกแบบระบบ ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบด้านเวลาและค่าใช้จ่ายในการแก้ไขระบบให้น้อยที่สุด
• การนำการออกแบบกลับมาใช้ซ้ำ เพื่อการอัปเกรดและสำหรับระบบที่พัฒนาต่อยอดซึ่งมีขีดความสามารถที่เพิ่มขึ้นนั้นได้รับการอำนวยความสะดวก

เนื่องจากข้อจำกัดของเครื่องมือทางกราฟิก วิศวกรออกแบบจึงพึ่งพาการเขียนโปรแกรมแบบข้อความและแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เป็นอย่างมาก อย่างไรก็ตาม การพัฒนาแบบจำลองเหล่านี้ใช้เวลานานและมีโอกาสเกิดข้อผิดพลาดสูง นอกจากนี้ การแก้ไขข้อผิดพลาดในโปรแกรมแบบข้อความยังเป็นกระบวนการที่น่าเบื่อ ต้องลองผิดลองถูกหลายครั้งก่อนที่จะสร้างแบบจำลองที่ปราศจากข้อผิดพลาดได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากแบบจำลองทางคณิตศาสตร์อาจมีการเปลี่ยนแปลงที่ไม่คาดคิดเกิดขึ้นระหว่างการแปลงผ่านขั้นตอนการออกแบบต่างๆ

เครื่องมือสร้างแบบจำลองกราฟิกมีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงแง่มุมเหล่านี้ของการออกแบบ เครื่องมือเหล่านี้มีสภาพแวดล้อมการสร้างแบบจำลองกราฟิกที่เป็นมาตรฐานและเป็นหนึ่งเดียว และลดความซับซ้อนของการออกแบบแบบจำลองโดยการแบ่งออกเป็นลำดับชั้นของบล็อกการออกแบบแต่ละส่วน นักออกแบบจึงสามารถบรรลุระดับความแม่นยำของแบบจำลองได้หลายระดับโดยการแทนที่องค์ประกอบบล็อกหนึ่งด้วยอีกองค์ประกอบหนึ่ง แบบจำลองกราฟิกยังช่วยให้วิศวกรสามารถมองเห็นภาพรวมของระบบทั้งหมดและลดความซับซ้อนของกระบวนการถ่ายโอนแบบจำลองจากขั้นตอนหนึ่งไปยังอีกขั้นตอนหนึ่งในกระบวนการออกแบบ โปรแกรมจำลอง EASY5 ของโบอิ้งเป็นหนึ่งในเครื่องมือสร้างแบบจำลองแรกๆ ที่มีอินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิก ร่วมกับAMESimซึ่งเป็นแพลตฟอร์มหลายโดเมนหลายระดับที่อิงตามทฤษฎี Bond Graph ต่อมาไม่นานก็มีเครื่องมืออย่าง20-simและDymola ซึ่งอนุญาตให้สร้างแบบจำลองจากส่วนประกอบทางกายภาพ เช่น มวล สปริง ตัวต้านทาน เป็นต้น และในภายหลัง ก็ มีเครื่องมือที่ทันสมัยอื่นๆ อีกมากมาย เช่นSimulinkและLabVIEW

• ทฤษฎีการควบคุม
• ข้อกำหนดเชิงฟังก์ชัน
• วิศวกรรมที่ขับเคลื่อนด้วยแบบจำลอง
• การสร้างแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์
• ข้อกำหนด (มาตรฐานทางเทคนิค)
• วิศวกรรมระบบ