モデルベースデザイン(MBD)を始めましょう!

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1 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 2014 The MathWorks, Inc. 1

2 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 2

3 はじめに 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 最近 モデルベースデザイン ってよく聞きませんか? 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? 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 3

4 ユーザー事例 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 リバーシングワイパーシステムのコントローラー 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 4

5 ユーザー事例 Tata Motors 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 The Tata Nano S. Govindarajan Tata Motors 5

6 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 Link to user story Medrad 社の Spectris Solaris 造影剤注入システム 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 6

7 モデルベース開発の利点 ( お客様講演から ) 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 1 JMAAB Open Conference NISSAN MOTOR CO., LTD. 2009/10/27 日産自動車 柿崎様 : JMAAB Open Conference

8 モデルベース開発の利点 ( お客様講演から ) MBD 応用開発のメリット 従来 評価計画 評価準備 プログラム 評価準備 評価 車両評価へ 現在 評価計画 車両評価へ VRS+RPC でのシステム制御開発例 研究 先行開発では 開発時間が従来の 1/5 程度に短縮 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 2007/11/1 JMAAB Open Conference All Rights Reserved by JMAAB 1 ヤマハ発動機 迫田様 : JMAAB Open Conference

9 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? 9

10 制御設計における課題要求仕様に関する課題 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 要求仕様が曖昧で 妥当性があるのかわからない 妥当性を有する要求仕様を正しく伝えることへの課題 10

11 制御設計における課題実機に関する課題 求められる実機の性能が明確になっていない 実機 試作ができるまで実機テストができない! 実機を適切に素早く用意することへの課題 変更のたびに試作を作るとお金がかかる 11

12 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 実機 手作業ならではのテスト実施への課題 テストによっては実機を壊してしまうかもしれない 12

13 制御設計における課題 妥当性を有する仕様を正しく伝えることへの課題 紙の仕様書から動く仕様モデルへ 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 仮想環境に実機のモデルを用意しましょう 仮想テスト ( シミュレーション ) を行いましょう 13

14 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 要求仕様 モデリング制御設計 紙の仕様書から動く仕様モデルへ 制御モデルを用いて実機モデルを動かす 仮想環境 実環境 制御モデル シミュレーション 仮想実験実機モデル ( 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 実機 14

15 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 制御モデル シミュレーション 実機モデル 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 15

16 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において以下のソリューションをご紹介しました 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 そうは言っても 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 実機テストも行いたい 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 仮想実験 ( シミュレーション ) を行いましょう 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 16

17 制御設計における課題実機テスト実現への課題 すぐに実機を動かして確認したいんだけど 検討したロジックを実装したコントローラがまだ無い 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 専用ハードウェアに制御モデルを実装しましょう 17

18 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 要求仕様 制御設計 専用ハードウェアとは? 仮想環境 シミュレーション 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 専用ハードウェアに制御モデルを実装実機モデル 実環境 C 実機での検証 専用ハードウェア 実機 18

19 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 実環境 C 実機での検証 専用ハードウェア 実機 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 19

20 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において以下のソリューションをご紹介しました 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 20

21 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 人の工数や人によるエラー人毎のばらつきが課題 モデル誤解釈の可能性がある 自動コード生成を行いましょう 21

22 製品コードの自動生成と実装 Product Code Generation PCG 要求仕様 制御設計 仮想環境 C 制御モデル 自動コード生成 制御対象モデル 実環境 C 001 実制御器 制御対象 22

23 製品コードの自動生成と実装 Product Code Generation PCG 仮想環境 実環境 制御モデル 自動コード生成 C 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 001 実制御器 23

24 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 24

25 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 実機を壊すわけにはいかない 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 実機で行うと危険な試験もある 実機シミュレータ使いましょう 25

26 実機シミュレータでの制御器検証 Hardware In the Loop Simulation HILS 要求仕様 制御設計 仮想環境 制御モデル C 制御対象モデル 実環境 001 実制御器 C 実機シミュレータでの検証 専用ハードウェア実機シミュレータ 26

27 実機シミュレータでの制御器検証 Hardware In the Loop Simulation HILS 実環境 実機視シミュレータでの検証 実制御器 実機シミュレータ 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 27

28 実機シミュレータでの制御器検証 Hardware In the Loop Simulation HILS 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 28

29 おさらい 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 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 要求仕様 モデリング 実製品の検証 適合 仮想実験 ( シミュレーション ) を行いましょう 組込コード静的検証 実機シミュレータを使いましょう 専用ハードウェアに制御モデルを実装しましょう C コード PCG 自動コード生成を行いましょう 29

30 モデルベースデザイン どこから始めるべき? 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 モデリング 組込コード静的検証 実製品の検証 適合 C コード PCG 30

31 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 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 Simulink PLC Coder HDL Coder 要求仕様 モデリング C コード PCG Simulink Verification and Validation Simulink Design Verifier 組込コード静的検証 実製品の検証 適合 31

32 関連講演 ( 基礎 / 入門編 ) のご紹介 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 要求仕様 モデリング 実製品の検証 適合 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 組込コード静的検証 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 C コード PCG 32

33 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 33

34 モデルベースデザインを効率よく進めるために 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 ) 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 詳しくはコチラをご覧ください トレーニングコース一覧 34

35 関連トレーニングコース MATLAB 関連基礎 MATLAB 基礎応用 MATLAB によるデータ処理と可視化 MATLAB のプログラミング手法 MATLAB の最適化手法 MATLAB と Simulink による制御設計 Simulink 関連コース名 MATLAB/Simulink によるモデルベース開発基礎 Simulink 基礎応用 SimPowerSystems による電力系統の物理モデリング Simulink への外部コードの取り込み Simscape によるマルチドメインシステムの物理モデリング SimMechanics による力学系の物理モデリング専門 Simulink モデルの検証と妥当性確認 Simulink モデルの管理 Stateflow 関連基礎 Stateflow 基礎コード生成関連基礎リアルタイムコードの生成およびテストの基礎専門 Embedded Coder による量産向けコード生成 Polyspace 関連専門 Polyspace によるコード検証 期間 3 日期間 1 日 2 日 1 日 2 日期間 2 日期間 2 日期間 1 日 1 日 1 日 1 日期間 1 日 2 日期間 2 日期間 1 日期間 3 日期間 2 日 35

36 ご清聴ありがとうございました 引き続き他の講演もお楽しみください 2014 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See for a list of additional trademarks. Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their respective holders. 36