モデルベースデザイン(MBD)を始めましょう!

モデルベースデザイン(MBD)を始めましょう!

MathWorks Japan

アプリケーションエンジニアリング部 シニアアプリケーションエンジニア 村上直也

モデルベースデザイン(MBD)を始めましょう!

ますます増えていくスマートシステム

多機能なソフトウェア

モデルベースデザイン

開発プロセスを加速

はじめに

本講演では制御設計を行うに上で実際に起こりうる課題を元 に、モデルベースデザインがどう機能していくのかを説明させ ていただきます

なぜ多くの企業で

モデルベースデザインの適用がはじまった？

最近

_{”モデルベースデザイン”ってよく聞きませんか?}

 スマートシステムの増加  ソフトの高機能化 “モデルベースデザイン”の 重要性が高まっている

ミツバ、リバーシング ワイパー システムの開発を加速 課題 革新的なリバーシング ワイパー システム コントローラーの設計と実 装ソリューション ソリューション MathWorks のモデルベース開発ツールを使用した、制御システム のモデリング、シミュレーション、検証、および量産コードの生成 結果  ある特定の機能開発において、期間を16 週間から3 週間に 短縮  設計審査期間と紙文書を 90% 削減  設計の早期検証とやりなおし作業の最小化 ″モデルベース開発を採用したことにより、当社の 開発プロセスに即時に改善が見られました。デザイ ンレビューのスピードが上がり、欠陥や要求仕様に おける問題点の発見がより効率的になったのです。 エラーを早期に発見し、やりなおし作業を減らすこ とで、高品質のコントローラーを以前の 2 割の時 間で完成することができました。" 株式会社ミツバ 電子技術部 研究員 新井貴男 リバーシングワイパーシステムのコントローラー

ユーザー事例

チャレンジ Brand-Newなクルマ（TATA Nano）のエンジンマネジメントシ ステム (EMS) を、厳しい日程と少ない予算で開発しなければな らない。 ソリューション MathWorksのツールを用いたモデルベースデザインを適用しなが ら、モデリング、シミュレーション、コード生成、プロトタイプの制御シ ステムを開発する。 結果  高価なセンサーを2つ排除できた。  数週間かかっていた検証のサイクルが、数時間に。  サプライヤ選定前に、プロトタイプ制作と要求の確認を実施。 MBDでのプロトタイピングは必要 不可欠であることを証明しました。 モデリング、シミュレーション、テ ストの工程において、設計変更が容 易に行え、実際のモノを作る前にシ ステム全体の挙動を予測することが できるようになりました。事前にこ の予測が出来るおかげで、コント ローラーやエンジン、またNano自 体の設計を作り込むことができたの です。 S. Govindarajan Tata Motors

The Tata Nano

ユーザー事例

Medrad社はMathWorksのツールにより MRI血管造影剤注入ポンプの安全性を確保 課題 患者への薬剤の安全レベルを管理するMRI血管造 影剤注入ポンプの設計 ソリューション ポンプの圧力センシング技術の改善にMathWorks のツールを使用 結果  設計期間を数か月短縮  栄誉ある産業賞を受賞  FDA の認可を獲得 “MathWorksツールにより、シ ステムレベルでコンポーネント 間の相互作用を理解することが 可能となり、物理特性をモデル 化し、ポンプの安全限界を非常 に効率的かつ迅速に 決定するこ とができました。” John F. Kalafut Medrad Medrad 社のSpectris Solaris

造影剤注入システム

1 JMAAB Open Conference 2009 © 2009 NISSAN MOTOR CO., LTD. 2009/10/27 MBD利点のまとめ  修正ループの短縮や情報伝達のオーバヘッド低減の他にも利点がある 1. 改善ループを早く回すことができる ⇒ 実機を使わず設計検討が何回でもできる ⇒ サプライヤを巻き込んだソフト試作を必要としない （VVEL制御の適用事例） 2. 情報伝達の付帯作業や解釈ミスを減らせる ⇒ モデルが設計情報の媒体となる（制御の図面化） 3. 早く、正しく制御設計ができる ⇒ 制御開発に特化したツールを活用できる

（Sliding Mode A/F Feedback制御の適用事例）

4. 品質が安定する

⇒ Quality Gateの通過条件が定量的になる

All Rights Reserved by JMAAB

2007/11/1 JMAAB Open Conference 1

MBD応用開発のメリット

研究･先行開発では､開発時間が従来の1/5程度に短縮｡ 評価計画 評価準備 プログラム 評価 車両評価へ 1. 適合環境が極めて短時間で構築可能 2. 再利用性が高く､他プロジェクトの成果を展開可能 3. 再現性が極めて高く､相対評価指標として活用可能 但し､車両として実走するにはまだたくさんの課題が･･･ 従 来 評価準備 評価計画 車両評価へ 現 在 VRS+RPCでの システム制御開発例

モデルベース開発の利点（お客様講演から）

ところで、どんな課題をお持ちでしょうか？

制御設計を行う上で、様々な課題をお持ちではありませんか？

要求仕様に関する課題？

実機に関する課題？

実機テストに関する課題？

実機テスト実現への課題？

制御モデル実装への課題？

実制御器の検証の課題？

制御設計における課題

要求仕様に関する課題

要求仕様が曖昧で、 妥当性があるのか わからない。 要求を上手く伝えるの が難しく、期待した物と 違うものができてしまう。

妥当性を有する要求仕様を

正しく伝えることへの課題

制御設計における課題

実機に関する課題

実機・試作ができ るまで実機テスト ができない！ 変更のたびに試作を 作るとお金がかかる。 求められる実機の性能 が明確になっていない

実機を適切に素早く

用意することへの課題

制御設計における課題

実機テストに関する課題

ちょっとした確認のたびに、 実機テストの準備は大変 テスト毎の条件合わ せが難しい 正しく動かすための制御パラーメータ の調整が大変？時間がかかる テストによっては実機を 壊してしまうかもしれない

実機・手作業ならでは

のテスト実施への課題

制御設計における課題

紙の仕様書から 動く仕様モデルへ 妥当性を有する仕様を正 しく伝えることへの課題 実機を適切に素早く 用意することへの課題 実機・手作業ならでは のテスト実施への課題 仮想テスト(シミュレーション) を行いましょう 仮想環境に実機のモデル を用意しましょう

要求仕様 制御モデル 実 環 境 仮 想 環 境 制御設計 実機モデル シミュレーション 実機

仮想環境での制御設計及びシミュレーションテスト

Model In the Loop Simulation⇒MILS

制御モデルを用いて 実機モデルを動かす 紙の仕様書から動く仕様モデルへ 仮想実験 (シミュレーション)を行う _{仮想環境に} 実機のモデルを用意 モデリング

制御モデル 仮 想 環 境 実機モデル シミュレーション

仮想環境での制御設計及びシミュレーションテスト

Model In the Loop Simulation⇒MILS

仮想環境でのシミュレーションによる検証で以下が可能になります • 動く仕様により：要求仕様の妥当性検証又は妥当なアルゴリズムの検討 • 実機レスにより：時間・コストの削減 • 実機モデルでのシミュレーションテストにより： • 気軽にテストを実施 • 再現性の高い繰り返しテスト • 実機では難しい異常状態(フェール等)用ロジックの検討 • 自動化や各種ツール利用により：各種パラメータの素早い決定

仮想環境でのシミュレーションによる検証において以下の ソリューションをご紹介しました

実機テストも行いたい

細かい部分でのロジックの詰めや、制御パラメータなどの調整が必要

仮想環境での制御設計及びシミュレーションテスト

Model In the Loop Simulation⇒MILS

妥当性を有する仕様を正しく伝える ことへの課題 実機を適切に素早く 用意することへの課題 実機・手作業ならではのテスト実施 への課題 紙の仕様書から 動く仕様モデルへ 仮想実験(シミュレーション) を行いましょう 仮想環境に実機のモデルを 用意しましょう

そうは言っても・・・・

実機や環境のすべての振る舞いを仮想環境で表現 するわけではない

すぐに実機を動かして確認したいんだけど・・・

制御設計における課題

実機テスト実現への課題

専用ハードウェアに制御モデルを実装しましょう

ロジックそのものが検討中であるた

め最終的なコントローラが未だ無い

使用するセンサ・アクチュエータが 固まっていないため、製品としての コントローラの仕様が決まらない 検討したロジックを実装し たコントローラがまだ無い

実機モデル 要求仕様 制御モデル 実 環 境 仮 想 環 境 制御設計 専用ハードウェア

C

_{実機での検証}

専用ハードウェアと実機を使用した制御設計及び検証

Rapid Controller Prototyping ⇒ RCP

専用ハードウェアとは？ リアルタイムOSを適用した潤沢な プロセッサーパワーと汎用的な各 種I/Oを有するシミュレータ シミュレーション

専用ハードウェアに制御モデルを実装

実機 実 環 境 専用ハードウェア

C

_{実機での検証}

専用ハードウェアと実機を使用した制御設計及び検証

Rapid Controller Prototyping ⇒ RCP

専用ハードウェアと実機での検証で以下が可能となります • 専用ハードウェアにより： • 検証中のロジックで素早く実機を動かす • 実際に必要となるI/Oの検討 • 実機での検証により： • 細かい部分を含めたロジックの妥当性検証及び修正 • 制御パラメータの決定

専用ハードウェアと実機での検証において以下のソリューション をご紹介しました

専用ハードウェアと

実機を使用した制御設計及び検証

Rapid Controller Prototyping ⇒ RCP

ロジックそのものが検討中であるた め最終的なコントローラが未だ無い 専用ハードウェアに 制御モデルを実装しましょう

制御ロジックの検証は完了したので・・・・

検証によって固まった制御モデルを実際の制御器に実装 する必要があります。

制御モデルを実制御器に実装したい

制御設計における課題

制御モデル実装への課題

検証を行った制御ロジックを実制御器用に実装したい

んだけれど・・・

コーディングに時間がかかる デバッグ作業が大変 人による品質・表現 のばらつきがある

自動コード生成を行いましょう

モデル誤解釈の可能 性がある

人の工数や人によるエラー

人毎のばらつきが課題

実 環 境 仮 想 環 境 実制御器

C

制御モデル

C

制御対象モデル 要求仕様 制御設計

製品コードの自動生成と実装

Product Code Generation⇒ PCG

自動コード生成

実 環 境 仮 想 環 境 実制御器 制御モデル

C

製品コードの自動生成と実装

Product Code Generation⇒ PCG

自動コード生成

自動コード生成により以下が可能となります • コーディング時間の削減 • デバック作業の削減 • 人による品質・表現ばらつきの低減 • モデルとソフトの乖離・誤解釈の防止

製品コードの自動生成と実装

Product Code Generation⇒ PCG

実制御器に対する製品コード生成において以下のソリューショ ンをご紹介しました 人の工数や人によるエラー 人毎のばらつきが課題 自動コード生成を行いましょう

実制御器に対する製品コード生成が完了したの

で・・・

実I/Oを使用した実制御器の確認を行いたい

制御設計における課題

実制御器の検証の課題

実I/Oを使用した実制御器の確認を行い

たいんだけれど・・・

これを実機でやろうとすると

異常状態の環境を つくるのが難しい

実機シミュレータ使いましょう

現実に起こりうる異常状態

の再現や、その確認を安全

に行うことへの課題

実機を壊すわけにはいかない 実機で行うと 危険な試験もある

実 環 境 仮 想 環 境 実制御器 専用ハードウェア

C

制御モデル 制御対象モデル

C

要求仕様 制御設計

実機シミュレータでの制御器検証

Hardware In the Loop Simulation⇒ HILS

実機シミュレータ での検証

実 環 境

実制御器 実機シミュレータ

実機シミュレータでの制御器検証

Hardware In the Loop Simulation⇒ HILS

実機視シミュレータ での検証 実制御器と実機シミュレータでの検証で以下が可能となります • 実I/Oまたはそれに近い環境での検証 • 異常状態の検証が容易に行える • 実機を壊す心配が無い • 危険な検証も安全に行える

実I/Oを使用した実制御器の確認において以下のソリューション をご紹介しました 現実に起こりうる異常状態の 再現や、その確認を安全に 行うことへの課題 実機シミュレータ使いましょう

実I/Oを使用した実制御器の確認が出来たので・・・

後は実製品の検証・適合となります。

実機シミュレータでの制御器検証

要求仕様 実製品の 検証・適合 専用ハードウェアに制御 モデルを実装しましょう モデリング 紙の仕様書から 動く仕様モデルへ 仮想環境に実機の モデルを用意しましょう Cコード PCG 組込コード 静的検証 自動コード生成を 行いましょう

おさらい

実機シミュレータを 使いましょう 実機テストに関する課題 実機テスト実現への課題 制御モデル実装への課題 実制御器の検証の課題 要求仕様に関する課題 実機に関する課題 仮想実験(シミュレー ション)を行いましょう

要求仕様

モデルベースデザイン、どこから始めるべき？

モデリング 実製品の 検証・適合 Cコード PCG 組込コード 静的検証 まずはモデリング・MILSから始めましょう “モデルベース”か らも分かるとおり、 ここで作成される モデルがプロセス 後工程にも重要な 役割を持ってきます。

要求仕様

なぜマスワークスなのか？

各プロセスにおいて適切なソリューションのご提案が可能

モデリング 実製品の 検証・適合 Cコード PCG 組込コード 静的検証 Simulinkを中心としたプラットホーム上でプロセスを進められます。 ・Simulink ・Stateflow® ・Simulink Control Design™ ・Control System Toolbox™ ・Simulink Design Optimization™ ・Model Predictive Control Toolbox™ ・Robust Control Toolbox™

・Fuzzy Logic Toolbox™ ・Neural Network Toolbox™

・Simscape™ ・SimMechanics™ ・SimDriveline™ ・SimHydraulics®

・SimElectronics™ ・SimPower Systems™ ・System Identification Toolbox™

・Real-Time Windows Target™ ・Simulink Real-Time™

・Simulink Coder™ ・MATLAB Coder™ ・Fixed-Point Designer™

・Embedded Coder®

要求仕様

関連講演(基礎／入門編)のご紹介

モデリング 実製品の 検証・適合 Cコード PCG 組込コード 静的検証 A2 14:20-14:50 Simulink入門 MathWorks Japan 宅島 章夫 A3 15:10-15:30 Stateflow入門 MathWorks Japan 山本 順久 A4 16:00-16:30 物理モデリングツールによるプラ ントモデリング入門 MathWorks Japan 張 莉 A5 16:50-17:10 モデルベース制御設計入門 ～制御設計をよりスムーズに～ MathWorks Japan 新井 克明 A6 17:30-18:00 Simulinkのバーチャル環境を現 実の世界へ MathWorks Japan 村上 直也

まとめ

 モデルベースデザインがどのようなものかを、ご理解いただけ たでしょうか  なぜ多くの会社で適用され始めた理由を感じていただけたで しょうか？  本講演で上げた課題とその解決において、皆様が開発のお仕 事を進める上で共感いただける部分がありましたら幸いです。  他の講演でモデルベースデザイン各フェーズにおける具体的 な技術的ソリューションをご紹介しておりますので、ぜひ参考に してください。

 モデルベースデザインを効率よく進めていく上で、まず弊 社のトレーニングを受講していただくことが成功への近道 となります。  本日、弊社トレーニングコースを紹介させていただくブース を用意させていただいていますのでぜひともお立ち寄りく ださい。(各種トレーニングテキストを閲覧いただけます)

モデルベースデザインを効率よく進めるために・・・

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。 http://www.mathworks.co.jp/services/training/courses/ トレーニングコース一覧 詳しくはコチラをご覧ください

関連トレーニングコース

MATLAB 関連 基礎 期間 MATLAB 基礎 3日 応用 期間 MATLAB によるデータ処理と可視化 1日 MATLAB のプログラミング手法 2日 MATLAB の最適化手法 1日 MATLAB と Simulink による制御設計 2日 Simulink 関連 コース名 期間 MATLAB/Simulink によるモデルベース開発 2日 基礎 期間 Simulink 基礎 2日 応用 期間 SimPowerSystems による電力系統の物理モデリング 1日 Simulink への外部コードの取り込み 1日 Simscape によるマルチドメインシステムの物理モデリング 1日 SimMechanics による力学系の物理モデリング 1日 専門 期間 Simulink モデルの検証と妥当性確認 1日 Simulink モデルの管理 2日 Stateflow 関連 基礎 期間 Stateflow 基礎 2日 コード生成関連 基礎 期間 リアルタイム コードの生成およびテストの基礎 1日 専門 期間 Embedded Coder による量産向けコード生成 3日 Polyspace 関連 専門 期間 Polyspace によるコード検証 2日

ご清聴ありがとうございました

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