制御のためのSimulink入門

今から始めるSimulink

®

入門 ～制御編～

MathWorks Japan

アプリケーションエンジニアリング部

アプリケーションエンジニア

例：アポロ月着陸船のデジタル自動操縦の開発

Simulinkを使うと？

当時の設計者が自らSimulinkを使ってモデルを作成した

わずか

一週間

_で完成！

システム全体の設計、解析

フルシステムテスト

実装コードの自動生成

例：アポロ月着陸船のデジタル自動操縦の開発

Why use Simulink?

Why

NOT

use Simulink ?

本講演の目的：

これから制御分野でSimulinkを使ってみたい

という初心者の方を対象に、Simulinkの

アジェンダ



Simulinkの概要



Simulinkモデルを使ってみましょう



Simulinkモデルを作ってみましょう



まとめ

Simulinkを簡単に言うと？

1.

Simulinkは、時間とイベントのシミュレーション環境

2.

Simulinkは、グラフィカルなモデリング環境

3.

Simulinkは、モデルベースデザインを実現するための環境

シミュ レー ション モデリン グ 実機 テスト、 検証 自動コード 生成 モデル シミュ レー ション モデリン グ 実機 テスト、 検証 自動コード 生成 モデル

MATLAB

®

とSimulinkの関係は？

MATLAB



容易なデータ操作



簡潔なプログラミング言語



豊富な数学関数・ファイルI/O



2次元/3次元可視化機能

Simulink



ブロック線図モデリング



豊富なブロックライブラリ



高精度な時間応答シミュレーション

Stateflow

®



Simulink用フローチャート・

状態遷移図

技術計算環境

モデルベースデザイン 環境

MATLAB/Simulink 採用業種



航空宇宙／防衛



自動車関連



医療、創薬



化学／石油



通信



コンピュータ、オフィス機器



教育



エレクトロニクス／半導体



金融関連



工業オートメーション



計測



電気、ガス、エネルギー

MATLAB/Simulink 適用分野

金融解析

実験・計測

通信/エレクトロニクス/半導体

画像処理

科学技術計算

生命工学

制御関連

多種多様な制御システムの開発において、

Simulinkは業界標準ツールとして利用されています

ミツバ リバーシング ワイパー システム _{プリンタ用紙軌道制御技術} Xerox Lear ボディコントロール Nissan エミッション低減化システム Daimler Truck クルーズコントローラー Medrad MRI 血管造影剤注入ポンプ

WHY?

Simulinkを使用し、

アジェンダ



Simulinkの概要



Simulinkモデルを使ってみましょう



Simulinkモデルを作ってみましょう



まとめ

デモ

コードベースで開発する場合は

_…

Engine

Shift logic

Transmission

Driver inputs

Vehicle

先程のデモをまとめると？



One clickでシミュレーション実行



簡単に信号を確認



細かく確認したい所で一旦停止、

一ステップずつ実行/巻き戻し



入力信号を変えてテスト



車両のスペックをチューニング

Simulinkを使用し、

制御システムの振る舞いを

机上

で

簡単

_に検討！

• 内容を理解しやすい

• 設計資産の再利用性が高い

⇒チーム間のコミュニケーション向上

ブロック線図

環境

• 伝達関数、PIDコントローラ、FFT、可視化・・・

• 処理の詳細までプログラムを書く必要なし

⇒開発期間を短縮

ライブラリが

豊富

• アルゴリズムの試行錯誤に便利

• 検証、デバッグが簡単

⇒アルゴリズムの最適化による品質向上

チューニングや

変更が簡単

アジェンダ



Simulinkの概要



Simulinkモデルを使ってみましょう



Simulinkモデルを作ってみましょう



まとめ

仮

想

環

境

Simulinkを用いた制御システム開発

モデルベースデザイン（Model-Based Design）

構想・設計・試作・検証といった一連の開発プロセスに

モデル＆シミュレーション

を活用した開発手法

制御装置

実

環

境

制御対象

制御対象モデル

制御モデル

モデリング＝仮想試作

シミュレーション＝仮想実験

シミュ

レー

ション

モデリング

実機

テスト、

検証

自動コード

生成

モデル

シミュ

レー

ション

モデリング

実機

テスト、

検証

自動コード

生成

モデル - 設計しながらテスト可能 - 早期のエラー検出

モデルベースデザインの流れ

- 実行可能な仕様書 - 明確で分かりやすい - 試作コストを削減 - システムレベルで解析 コーディング工数削減

Simulinkを使って、

例題： マス・バネ・ダンパ系の位置決め制御

+

-

ア

ク

チ

ュ

エ

ー

タ

セ

ン

サ

PI

制御

コントローラ

プラント

目標位置

測定

位置

m

c

k

x

u

制御入力

偏差

まずはプラントから！

制御対象のモデリング

仮

想

環

境

制御装置

実

環

境

制御対象

制御対象モデル

制御モデル

メカ・エレキ動作の把握

数式モデリング 物理モデリング Black box Gray box システム同定 パラメータ推定

1.ライブラリブラウザ起動 3.ブロックをモデルにド ラッグ＆ドロップ 2.新規モデル作成 5.シミュレーション開始 4.ブロックを結線

Simulinkの基本操作方法

6.結果確認

Simulinkのブロックライブラリ

制御対象の数式モデリング

Step.1

数式モデル

導出

m

c k x u

ms

cs

k

s

G







₂

1

)

(

Step.2

Simulinkで

モデリング

Step.3

シミュレー

ション

C = 0

C = 10

バネ復元力

ダンパ減衰力

伝達関数で表現

台車質量

デモ：制御対象の数式モデリング

3.Transfer Fcn(伝達関数) ブロックをモデルにドラッ グ＆ドロップ 1.新規モデル作成 4.ダブルクリックで 開く 2.連続系のカテコ リを選択 5.パラメータを設定 6.パラメータの値は、 MATLABのコマンド ウィンドウ上で設定

デモ：制御対象の数式モデリング

8.出力観測用の Scopeを配置 (Sinks⇒Scope) 7.入力信号を配置 （Sources⇒Step） 10.シミュレーション開始 9.ブロックを結線 11.結果確認 12. コマンドウィンドウ上で パラメータの値を変更し、 再シミュレーション

Tip:

MATLABと併用し、ダンパ減衰力Cを1～10まで、

1ずつ変化させて、簡単に結果を確認！

ほかのモデリング方法： 物理モデリング

数式なしで直感的にモデリング

m

c k x u

マルチドメインな物理モデリング環境

SimM

ech

anics

TM

SimDriveli

ne

TM

SimHydra

ulics

®

SimElectronics

®

SimPowerSys

tems

TM

Simscape

TM

MATLAB, Simulink

Simscape

機械 油圧 電気 熱 “Simscape Language” によるカスタム部品/ドメイン開発 空気圧 磁気 N S  マルチドメインシステム専用の 計算エンジン  DAE（微分代数方程式）ソルバ  基本要素ブロックライブラリ  カスタムコンポーネント

弱電

デジアナ

動力伝達

1D

油圧

1D

機械

3D

強電

パワエレ

関連講演：

A4 Simscapeによる物理モデリング

入門

Simulink Design Optimization

TM



実験データを用いた

制御対象パラメータ推定



期待出力値

による制御

パラメータ調節

System Identification Toolbox

TM



入出力値から

線形/非線形

動的モデルを同定



同定のための

前処理/後処理

グレーボックス・モデル

パラメータが一部不明

ダンパ要素（c）が不明

ブラックボックス・モデル

数式・パラメータが不明

何も分からない

パラメータ推定、システム同定の機能も提供！

例題： マス・バネ・ダンパ系の位置決め制御

+

-

ア

ク

チ

ュ

エ

ー

タ

セ

ン

サ

PI

制御

コントローラ

プラント

目標位置

測定

位置

m

c

k

x

u

制御入力

k

cs

ms

s

G







₂

1

)

(

プラント

伝達関数

10

,

10

,

1







c

k

m

偏差

次は制御設計！

制御設計

仮

想

環

境

制御装置

実

環

境

制御対象

制御対象モデル

制御モデル

効率的な補償器設計・パラメータ調節

システム解析 パラメータ自動調節 最適化

PI補償器で位置決め制御

Simulink

の

PID Controller

ブロック

+

-

ア

ク

チ

ュ

エ

ー

タ

セ

ン

サ

PI

制御

コントローラ

プラント

目標位置

測定

位置

m

c

k

x

u

制御入力

偏差

PI 制御を簡単

に実現可能！

デモ：モデル上で制御設計

4.コントローラー形式の選択 （今回はPI制御を使用） 1.差分計算ブロックを配置 （Math Operations⇒Sum） 3.PID制御ブロックを配置 （Continuous⇒PID Controller） 2.フィードバックループを作成 （右ボタンを押しながらドラックし、 信号線の分岐点を作成） 5.チューニング前 の応答を確認

PIゲインを自動調整して応答特性を改善します

Simulink Control Design

TM

_使用

応答を確認しながらチューニング

マス・バネ・ダンパ系の

その先は？

仮

想

環

境

制御装置

実

環

境

制御対象

制御対象モデル

制御モデル

C/C++

HDL

ST

モデルから自動的にコードを生成！

まとめ

ブロック線図

環境

ライブラリが

豊富

チューニングや

変更が簡単

・Simulinkを使用し、制御システムの振る舞いを

机上

で

簡単

_に検討！

・ Simulinkをベースにした

モデルベースデザイン

_で、

制御システム開発の

プロセスを改善！

シミュ レー ション モデリング 実機 テスト、 検証 自動コード 生成 モデル シミュ レー ション モデリング 実機 テスト、 検証 自動コード 生成 モデル

もう少し深く知りたい方に向けの情報



関連講演



A4 Simscapeによる物理モデリング入門



E2 モーター・モーション制御モデルベースデザイン実践「制御系設計」編



E3 モーター・モーション制御モデルベースデザイン実践「プラントモデリング」編



E4 モーター・モーション制御モデルベースデザイン実践「リアルタイムテスト」編



E5 モーター・モーション制御モデルベースデザイン実践「組み込みコード生成」編



F4 多入出力（MIMO）制御システムのチューニングをSimulinkでより簡単に

Simulink を最大限活用するために・・・



【Simulink 基礎】 トレーニング

•

Simulink をすぐに使いこなせるようになります

•

日数：2日間 in 名古屋/東京



【MATLAB と Simulink による制御設計】 トレーニング

•

MATLAB/Simulink 製品群による閉ループ制御システムの設計方法（プラン

トモデリング、解析、コントローラー設計・シミュレーション等）を習得できます。

•

日数：2日間 in 名古屋/東京

Googleにて、” Simulink ” “トレーニング” で検索！！

Great

Learning

Experience!

受講者の声：

- 講習の内容は座学と実習がちょうどよいバランスで楽しみながら学ぶことができました。 - Simulinkの使い方が基礎から説明されていて、とても良かったです。はじめてSimulinkに 触れる人には、おすすめできる内容だと思いました。 - 今回の講義を通して、はじめてMATLABとSimulinkについて触れる機会となりましたが、 大変分かりやすい説明と講義資料により、着実に理解しながら進めることができました。

ご清聴ありがとうございました.

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