1© 2014 The MathWorks, Inc.

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

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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

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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

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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

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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Tata Motors

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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

Link to user story

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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

日産自動車・柿崎様： JMAAB Open Conference 2009

モデルベース開発の利点（お客様講演から）

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All Rights Reserved by JMAAB2007/11/1 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

ヤマハ発動機・迫田様： JMAAB Open Conference 2007

モデルベース開発の利点（お客様講演から）

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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？

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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実機モデル

要求仕様

制御モデル

実機

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

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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

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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

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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

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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

001

製品コードの自動生成と実装Product Code Generation⇒ PCG

自動コード生成

制御対象

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実環境

仮想環境

実制御器

制御モデル

C

001

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

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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

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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

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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

001

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

実機シミュレータ

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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

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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Hardware In the Loop Simulation⇒ HILS

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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

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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。

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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®

・Simulink PLC Coder™・HDL Coder™

・Simulink Verification and Validation™・Simulink Design Verifier™

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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

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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。

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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

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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

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ご清聴ありがとうございました

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引き続き他の講演もお楽しみください