HILS実装のためのプラントモデリングツールの活用

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たかとしすずがみね
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1 HILS 実装のためのプラントモデリングツールの活用 MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部 ( 制御 ) アプリケーションエンジニア新井克明 2016 The MathWorks, Inc. 1

試作 ECU 実際のコントローラと制御対象を用いた機能性能評価実機挙動を再現したモデルをシミュレータに実装量産 / 試作 ECU HILシミュレータプラントモデル HIL

2 ハードウェアインザループシミュレーション (HILS) 制御対象の振る舞いを模擬し試作量産コントローラの機能検証を行うアプローチ実機を利用したテストよりも再現性高くテストシナリオの繰り返し実施が可能実機では再現させにくい故障モード等の機能評価が容易実際の制御対象 Test 実機での評価適合量産 / 試作 ECU 実際のコントローラと制御対象を用いた機能性能評価実機挙動を再現したモデルをシミュレータに実装量産 / 試作 ECU HILシミュレータプラントモデル HIL シミュレータによるコントローラの機能評価 HILS シミュレータを活用したコントローラの機能評価 PCG&SIL/PIL 量産コード生成 & 等価性検証シミュレータでの入念な機能検証を経て実機による本テストに移行 2

3 HIL シミュレーション環境構築のための MathWorks ツールチェーン Simulink の最新機能を活用したリアルタイムシミュレーション環境を実現できますプラントモデリング本セッションで注目するポイントデータモニタリングパラメータ適合テストシナリオ管理実行 MATLAB Simulink Stateflow MATLAB&Simulink および SLRT Explorer ( 2) 他社製適合ツール / ユーザーアプリケーション Simulink Test Simscape MATLAB Coder Simulink Coder 専用 HW Speedgoat ( プロセッサボード +IO ボード ) モデルのリアルタイム入出力のシミュレーション HDL Coder ( 1) FPGA 搭載 IO ボードベンチマーク環境 Powertrain Blockset Simulink Real-Time 1: Simscpe および Powertrain Blockset は HDL コード生成に対応していません 2: Simulink Real-Time 付属の測定 / 適合用 GUI 3

4 MathWorks が提供するプラントモデリングツール [ 本セッションでのキーポイント ] HILS 環境実装のためのプラントモデリングツールの機能向上や各種 Tips を紹介 Simulink ベースパワートレインコンポーネントによるプラントモデリング Powertrain Blockset Simscape ベースマルチドメインコンポーネントによるプラントモデリング Simscape 数式によるプラントモデリング Simulink 4

5 アジェンダ - HILS 実装のためのプラントモデリングツールの活用 - プラントモデルの HILS 運用への課題とアプローチ HILS 実装で使えるプラントモデリングツールと利用方法 Powertrain Blockset (Simulink) Simscape まとめ 5

6 デスクトップでのプラントモデルのシミュレーションオフラインシミュレーション : 可変ステップソルバーでの演算が一般的固定ステップに較べて一般的に演算精度が高いモデルの振る舞いに応じてステップサイズを可変にして演算 ( 演算負荷は時間軸において不均等 ) システムのダイナミクスが大きい場合に詳細度上げて ( タイムステップを細かく ) 演算可変ステップソルバー : コード生成には非対応 HILS 実装にあたっては固定ステップでの演算が必要 6

7 HIL シミュレータでのプラントモデルのシミュレーションオンラインシミュレーション : 固定ステップソルバーで演算 ( コード生成された形で実装 ) 一定のタイムステップでモデルを実行ステップサイズと精度はトレードオフの関係演算精度と安定性を保てるステップサイズの検討ユーザーが指定できるステップサイズ設定可能なステップサイズ (CPU のオーバーラン限界 ) ー : 可変ステップー : 時間分割数 N = 20 ー : 時間分割数 N = 10 ー : 時間分割数 N = 8 演算精度を確保するためのタイムステップ HIL シミュレータプラントモデルの実行時間モデルのシミュレーション実行入出力処理 / その他ステップサイズアイドル HIL シミュレータの演算性能の制約モデルの忠実度とリアルタイム性のバランスの検討が必要 7

8 HILS でリアルタイム性能と演算精度を保つためには粗いタイムステップでも安定した演算を行えるようなモデルにする本セッションで取り扱うトピック 1 モデルの演算ロバスト性の向上ユーザーが指定できるステップサイズソルバー ( 計算エンジン ) 自体の性能向上ソルバーの選択設定可能なステップサイズ (CPU のオーバーラン限界 ) モデルの詳細度規模の見直しプラントモデルの実行時間モデルのシミュレーション実行入出力処理 / その他アイドル時間 2 リアルタイム OS/ シミュレータ HW の演算能力の向上マルチコアによる並列実行より細かいタイムステップ時間への対応ハイスペックなプロセッサの採用タイムステップを細かくできるように演算速度を上げる FPGA への実装資料末尾の参考情報参照 8

9 アジェンダ - HILS 実装のためのプラントモデリングツールの活用 - プラントモデルの HILS 運用への課題とアプローチ HILS 実装で使えるプラントモデリングツールと利用方法 Powertrain Blockset (Simulink) Simscape まとめ 9

10 パワートレイン向けプラントモデリングツール Powertrain Blockset Simulink ベースのオープン & カスタマイズ可能なライブラリパワートレイン用テンプレートモデルライブラリの提供燃焼エンジン搭載一般乗用車電動自動車 (HEV / EV) 汎用エンジン ( ダイナモと接続された SI / CI) パラメータスタディ HILS 実装に利用可能な軽快なモデル高速実行可能な車両シミュレーションを活用してパラメータ最適化 HILS 実装が可能標準ドライブサイクルスタンダードへの対応 MDF ファイルの読み込み 10

11 HILS への Powertrain Blockset の活用プラントモデリングのスタートポイントしてテンプレートモデルを活用 HILS 実装を意識したシミュレーションスピードの速いテンプレートモデルを各種提供しています 1 テンプレートモデルからスタート 2 コンポーネント詳細度の切り替え 3 固定ステップソルバーへ切り替えヘルプ Examples Mapベースの部品を提供 < ダイナミクス有り > (e.g.) 車両モデル燃焼エンジン搭載車両 HEV EV < マップベース > バリアントから選択 11

固定ステップで演算する場合でも小さなステップサイズが必要となる可能性ありシミュレーション中ほとんどがステップサイズが 0.

12 ステップサイズの変化に注目したリアルタイム実行可否の判断可変ステップソルバー実行時のステップサイズを参考に固定ステップサイズを検討ステップサイズが変化する理由変化タイミングの検出 ( ゼロクロッシング ) 積分演算の許容誤差収束のためステップサイズの回復が緩やかな場合固定ステップで演算する場合でも小さなステップサイズが必要となる可能性ありシミュレーション中ほとんどがステップサイズが 0.01s 素早いステップサイズの回復イベント緩やかなステップサイズの回復 >> semilogy(tout(1:end-1),diff(tout),'-x') 12

13 ステップサイズ等の指標はソルバープロファイラーでチェックソルバープロファイラー : シミュレーション指標確認用ユーティリティ (Simulink 標準機能 ) ステップサイズの可視化イベントの監視ゼロクロッシングソルバーリセット該当ブロックへのジャンプ 13

14 ソルバープロファイラーで Powertrain Blockset の演算の様子をチェック HILS への実装を意識した精度とスピードがバランスしたテンプレートモデルを提供ほとんどの実行時間 >100μsec に集中イベント発生時もステップサイズの回復が早く演算が復帰素早いステップサイズの回復 = 固定ステップ実行でも精度を保ちやすいマルチーモード HEV モデルでのステップサイズの変化の様子 ( 可変ステップ ode23tb ソルバー ) 14

15 シミュレーション設定変更時の結果レビュー比較を SDI で簡単に実施 Simulation Data Inspector (SDI): シミュレーション結果の可視化差分比較ツール Scope ブロック無しで信号をダイレクトにロギングシミュレーション結果を蓄積演算結果 / 信号ごとに結果を比較可能 15

16 Powertrain Blockset のリアルタイム実行時のベンチマーク Simulink ベースでモデリングされているため高速な演算が可能です Conventional Vehicle Engine type Average Turnaround (s) Maximum Turnaround (s) SI 15.3E E-6 SI Mapped 09.6E E-6 CI 14.9E E-6 CI Mapped 09.7E E-6 Electric Vehicle Engine type Average Turnaround (s) Maximum Turnaround (s) Dynamic 07.4E E-6 Mapped 07.7E E-6 テスト環境のスペック CL630 ATX mainboard Intel Core i7 3.5 GHz CPU 4GB DDR3 RAM (2x2GB) 60GB SSD Simulink ソルバー ode4 with FixedStep of sec. ( 本ベンチマークは R2016b リリースでの実施結果です ) 16

17 アジェンダ - HILS 実装のためのプラントモデリングツールの活用 - プラントモデルの HILS 運用への課題とアプローチ HILS 実装で使えるプラントモデリングツールと利用方法 Powertrain Blockset (Simulink) Simscape まとめ 17

18 物理モデリング支援ツール Simscape パワエレ/電力系統動力伝達 1D駆動系回路図ベースの複合物理モデリング Simscape Power Systems 電子回路アナログ/デジタル/センサ Simscape Electronics Simscape Driveline 熱流体油圧回路 Simscape Fluids 機構 3Dマルチボディ系 Simscape Multibody 18

19 Simscape なら技術領域を横断した物理システムのモデリングが可能ですハイブリッド自動車 Simscape Driveline 機械系モデル制御電気機械ギア差動ギアタイヤ車両ボディエンジン遊星ギア三相モータ三相発電機三相インバータ DC/DCコンバータバッテリー Simulink と Stateflow による制御ロジック Simscape PowerSystems 電気系モデル 19

(R2017a) HILS 実装に関するヘルプドキュメントもあります油圧システムのドライノード検出 (R2016b)

20 Simscape の HILS 実装に向けた関連する機能改善リリースを重ねるごとに様々な改善が行われています Simscape ハードストップ演算スムージングオプション追加 (R2017b) 摩擦演算スムージングオプション追加 (R2017a) HILS 実装に関するヘルプドキュメントもあります油圧システムのドライノード検出 (R2016b) ローカルソルバーの改良 (R2016a) Simscape Driveline ベルトプーリー : 遠心力を無視 (R2017b) 20

21 Simscape におけるプラントモデルの演算速度の向上のアプローチ精度と演算速度のバランスを踏まえて HILS 実装に向けてモデルを検討モデルの設計とブロックパラメータソルバーの設定プラントモデル & パラメータ Simulink ソルバー 3 コード生成 & 実装 4 HIL シミュレーション Simscape ローカルソルバー 2 高速化の検討 1 シミュレーション演算結果のチェックソルバープロファイラーリザルトエクスプローラー (Simscape) 変数ビューワー (Simscape) 21

HILS 実装に向けて Simscape で具体的に検討できること Simscape ローカルソルバーおよびグローバルソルバー構成の最適化物理ネットワークごとに異なるソルバー構成を指定できる機能を活用モデルをリアルタイム実行するために固定ステップのグローバルソルバーと各ローカルソルバーを個別に構成 Simulink ソルバー Simscape ローカルソルバー

22 HILS 実装に向けて Simscape で具体的に検討できること Simscape ローカルソルバーおよびグローバルソルバー構成の最適化物理ネットワークごとに異なるソルバー構成を指定できる機能を活用モデルをリアルタイム実行するために固定ステップのグローバルソルバーと各ローカルソルバーを個別に構成 Simulink ソルバー Simscape ローカルソルバーシミュレーション速度を低下させる影響の原因となる要素を除去 / 修正不連続点を発生させる要素時定数が小さく急激な変化を引き起こす要素ハードストップまたはバックラッシュ剛性が高いバネ + 減衰が最小限の小さな質量スティックスリップ摩擦静電容量インダクタンス抵抗の小さい電気回路スイッチまたはクラッチ圧縮可能な小さなボリュームがある油圧回路フィルターや遅延による不連続関数 ( ステップ変化 ) を平滑化複雑なコンポーネントを単純なモデルに置き換え複素方程式をその解を格納したルックアップテーブルで置き換え非線形コンポーネントを線形コンポーネントに置き換え 22

Simscape ローカルソルバーと物理モデルのパーティショニング Simscape ローカルソルバー : Simscape へ固定ステップでの演算方法を指定できます Simulink のグローバルソルバーとは別にソルバータイプ / ステップサイズ / 収束演算回数を設定後退オイラー (Backward Euler) ロバスト性を重視した設定 (

23 Simscape ローカルソルバーと物理モデルのパーティショニング Simscape ローカルソルバー : Simscape へ固定ステップでの演算方法を指定できます Simulink のグローバルソルバーとは別にソルバータイプ / ステップサイズ / 収束演算回数を設定後退オイラー (Backward Euler) ロバスト性を重視した設定 ( 振動が抑制 ) 台形積分 (Trapezoidal Rule) 精度を重視した設定 ( 振動を再現 ) Simscape ネットワークを切り分けて個別に設定も可能ですグローバルソルバー Simulink モデル Simscape ローカルソルバー #1 Simscape 物理ネットワーク Simscape 物理ネットワーク Simscape ローカルソルバー #2 23

24 Simscape ローカルソルバー使用時のシミュレーションスピード向上新しいリリースを利用することでシミュレーション速度が改善が望めますシミュレーションタイプ R2015b 所要時間 R2016a 所要時間速度向上デスクトップシミュレーション (Normal) 10.4 s 8.0 s 1.3 倍デスクトップシミュレーション (RSim) (Simulink Coder にてコード生成 ) Simscape ローカルソルバー有効 (Simulink Coder (GRT) にてコード生成 ) 12.2 s 6.1 s 2.0 倍 15.2 s 3.1 s 4.9 倍 ( 例 : 約 200 ノードの中型電気ネットワークモデルのベンチマーク結果 ) 計算速度が重視される HILS での適用可能範囲も広がりました 24

25 HILS 実装のための Simscape モデルのカスタマイズ例 : 空気圧モーター + 回転機構モデルの HILS 実行しやすいモデルとしてカスタマイズ 1 タイムステップの確認 2 パラメータの変更によるスムーズ化 3 結果の比較 25

26 個々の Simscape ブロックの演算結果やイベント発生状況を確認 Simscape Results Explorer Simscape ネットワーク内のシミュレーション結果の確認シミュレーションスピードのボトルネックとなっている箇所をチェックゼロクロッシングの発生状況のチェックゼロクロッシングが発生した箇所ソースへのリンク >> sscexplore(simlog) 26

27 Simscape モデルに対する設定項目のチェックパフォーマンスアドバイザー : 実行速度改善のためのチェックを支援リアルタイムシミュレーションに有利な Simscape に関する設定をサジェスチョンアクティビティ : リアルタイムアプリケーションを実行で Simscape の設定をチェック可能 27

28 アジェンダ - HILS 実装のためのプラントモデリングツールの活用 - プラントモデルの HILS 運用への課題とアプローチ HILS 実装で使えるプラントモデリングツールと利用方法 Powertrain Blockset (Simulink) Simscape まとめ 28

29 まとめ HILS 実装にも適用可能なプラントモデリングツールと活用方法を紹介 [ 本セッションでのキーポイント ] HILS 環境実装のためのプラントモデリングツールの機能向上や各種 Tipsを紹介 Powertrain Blockset Simulinkベースのパワートレイン用プラントモデリングツール HILS 実装も意識した精度とスピードがバランスしたテンプレートを提供 Simscape Simscape ローカルソルバーによる演算速度向上シミュレーション高速化安定化のための改善が続々追加実装 29

ご興味のあるお客様は是非 MathWorks にお問い合わせ下さい環境構築のご検討の際には

MATLAB&Simulink および各種プラントモデリングツール : トライアルライセンス (1 ヶ月

30 ご興味のあるお客様は是非 MathWorks にお問い合わせ下さい環境構築のご検討の際には MathWorks にご相談下さいシミュレーションだけでなく実機テストフェーズでも MATLAB&Simulink および各種プラントモデリングツール : トライアルライセンス (1 ヶ月 ) でご評価いただけます Simulink Real-Time: 評価用ハードウェアのお貸し出しが可能ですプラントモデリングツールの活用をご検討下さい! < お問い合わせ先 > 御社営業担当または MathWorks ウェブサイト 30

Accelerating the pace of engineering and science 2017 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See www.

31 Accelerating the pace of engineering and science 2017 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. 31

32 参考資料 32

/ 特徴用途 / 特徴用途 / 特徴ラボ向け据え置き型筐体 HIL/RCP 用途ハイスペックなプロセッサを活用して演算負荷の大きいプラントモデルを実行フィールド車載テスト向けハードウェア RCP 用途省スペース

33 Speedgoat のハードウェアバリエーション Performance Mobile Baseline プロセッサ Intel Core i7 3.5GHz (4 core) プロセッサ Intel Core i7 2.5GHz (2 core) プロセッサ Intel Quad Core 2GHz メモリ /HDD 4GB / 64GB-SSD メモリ /HDD 4GB / 64GB-SSD メモリ /HDD 4GB / 64GB-SSD 用途 / 特徴用途 / 特徴用途 / 特徴ラボ向け据え置き型筐体 HIL/RCP 用途ハイスペックなプロセッサを活用して演算負荷の大きいプラントモデルを実行フィールド車載テスト向けハードウェア RCP 用途省スペース /CPU パフォーマンスのバランス型ファンレス仕様小型のエントリーモデル RCP 用途 ( バイパス開発 ) コンパクトなハードウェア構成 19cm( 幅 ) 19cm( 奥行 ) 8cm( 高さ ) ( 拡張スロット無しの場合のサイズの目安 ) 33

34 リアルタイム OS/ シミュレータ HW の演算能力の向上シミュレータ HW の演算能力の向上 Simulink Real-Time/Speedgoat の場合 - 実行したいモデルの規模に応じたプロセッサの選択 or FPGA ボードでモデルを分割演算 FPGA プロセッサ Speedgoat Performance Dual Xeon CPUs (24core) Intel Core i7 4.2GHz (4 core) Intel Core i7 3.5GHz (4 core) Speedgoat Mobile Intel Core i7 2.5GHz (2 core) Speedgoat Baseline プロセッサと FPGA でモデルを分散処理 Speedgoat IO342 FPGA ボードプロセッサ Xilinx Kintex UltraScale FPGA (1450k) 5520 DSP slices 8 GB DDR4 RAM Two FMC slots Intel Quad Core 2GHz HDL Coder による FPGA 実装は固定小数点設計された Simulink の一部ライブラリのみをサポートします 34

35 リアルタイム OS/ シミュレータ HW の演算能力の向上リアルタイム OS の演算能力の向上 - Simulink Real-Time/Speedgoat の場合 - マルチコア同時実行モード同一ステップサイズのモデルを分割実行 Polling モードベースタスク ( 最も細かいサンプル時間のタスク ) を固定したコアで常に実行タスク実行時間のスパイクを最小化スケジューラのオーバヘッド削減 Base-rate Task をコア固定で実行 Core Task Core Task I/O Core Task Core Task Suspended Task Task Task 35

36 Simscape モデルのマルチコアでの分散処理 e.g. IEEE 123 ノードモデル個々のネットワークに対して ( マルチコアでの ) 同時実行タスクをアサインサブネットワーク間は Simulink 信号として電圧 - 電流をインターフェイスサブネットワークは異なるソルバー設定をもつことができます powergui solver settings: - Discrete (EMT) - Phasor 36

37 マルチコアでのタスク実行時間 (Task Execution Times: TET) ~25 µs ネットワークの演算周期 150μsec に対して 25μsec で演算を終了 ( ベンチマーク環境 ) Speedgoat with Intel quad-core i7 (4 GHz) 37

SimscapeプラントモデルのFPGAアクセラレーション

SimscapeプラントモデルのFPGAアクセラレーション Simscape TM プラントモデルの FPGA アクセラレーション MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部松本充史 2018 The MathWorks, Inc. 1 アジェンダユーザ事例 HILS とは? Simscape の電気系ライブラリ Simscape モデルを FPGA 実装する 2 つのアプローチ Simscape HDL Workflow Advisor