導入
制御システムの開発は、従来、ドキュメントベースの要件定義、手作業によるコーディング、そして後期段階での物理プロトタイプを用いたテストなど、複雑で時間のかかるプロセスでした。こうした従来の手法では、統合段階で設計上の欠陥が発見され、大規模な再設計と再コーディングが必要となる場合、コストのかかる遅延につながることがよくあります。
モデルベースエンジニアリング（MBE）は、モデル中心のアプローチを採用することでこのプロセスを変革し、エンジニアが設計プロセスの初期段階から制御ソフトウェアやその他のサイバーフィジカルシステムをコンポーネントレベルとシステムレベルの両方でシミュレーション、テスト、検証できるようにします。このアプローチにより、初期段階での設計改善、継続的なテスト、ラピッドコントロールプロトタイピング（RCP）、そしてハードウェアとのシームレスな統合が可能になります。MBEを採用することで、エンジニアは開発を効率化し、エラーを削減し、製品品質を大幅に向上させることができます。さらに、MBEアプローチにハードウェアインザループ（HIL）テストを統合することで、エンジニアは制御されたシミュレーション環境内で実際のハードウェアコンポーネントを使用してモデルを検証できるようになり、シミュレーションと実際の物理実装の間のギャップを埋めることができます。
コントローラー開発におけるモデルベースエンジニアリングとはどのようなものですか?
モデルベースエンジニアリング（MBE）は、デジタルモデルを活用し、システム仕様策定から初期段階のコンポーネントレベル設計、開発・保守に至るまで、ライフサイクル全体を通して複雑なシステムを管理します。コントローラー開発において、MBEはウォーターフォール、V字モデル、アジャイルワークフローといった様々な開発手法をお客様のニーズに合わせて効率化し、適応させることを支援し、あらゆる段階でシミュレーション、テスト、自動化を統合します。
エンジニアはライフサイクルの早い段階で、制御システムと電力ステージの両方を表現する完全な仮想モデルを作成できます。これらのシミュレーションは通常、高い抽象度から開始されるため、チームはリアルタイムモデルや物理プロトタイプのコストとリスクを必要とせずに、設計上の選択肢を評価し、システムレベルのパフォーマンスを評価し、問題を早期に柔軟にトラブルシューティングできます。プロジェクトが設計から開発、検証へと進むにつれて、モデルはより詳細になり、忠実度が向上します。その後、完全な仮想オフラインシミュレーションは、実際のコントローラーとインターフェースする高忠実度のリアルタイムHILシミュレーションに移行できます。このステップにより、システムが実際の条件下で検証され、堅牢性と効率性が向上します。さらに、開発中のコントローラーは継続的にテストできるため、個々のパフォーマンスだけでなく、シームレスなシステムレベルの統合と相互運用性も確保されます。
MBEとアジャイルアプローチを組み合わせることで、統合リスクが軽減され、実際のハードウェア実装前に複雑なシステムのデバッグと最適化が容易になります。さらに、最終製品の仮想レプリカであるデジタルツインは、継続的なメンテナンス、アップグレード、リアルタイムのパフォーマンス監視に活用できます。
完全に統合されたツールチェーンで設計の可能性を拡大
従来のワークフローでは、エンジニアが各設計イテレーションを物理ハードウェア上で手作業でコーディングし、テストする必要があり、これは時間とリソースを大量に消費するプロセスです。MBEはシミュレーションを活用することでこうした制約を取り除き、チームは追加コストをかけずに無数の設計バリエーションを検討できるようになります。
コントローラ開発において、MBEは通常、様々なシミュレーション手法を伴います。初期設計段階ではオフラインのモデルインザループ（MIL）から始まり、ソフトウェアインザループ（SIL）へと進み、最終的には高忠実度のコントローラハードウェアインザループ（C-HIL）へと進みます。しかし、複数のソフトウェアツールが必要な場合、これらの手法を異なる開発段階で統合することは困難です。個別のモデルとプラットフォームを維持すると、ワークフローの継続性が損なわれ、コストが増加し、モデリングエラーが発生し、バージョン管理が複雑になるためです。
これらの課題に対処するため、Typhoon HILの完全統合ツールチェーンはシームレスなソリューションを提供します。これにより、開発全体を通してモデルの一貫性を維持しながら、アジャイルなアプローチを維持しながら、シミュレーション手法間のスムーズな移行が可能になります。これは、図1に示すように、 Typhoon HILコントロールセンター（THCC）ソフトウェアツールチェーン内のTyphoonSimと自動コード生成機能、そして主力リアルタイムシミュレータを組み合わせることで実現されます。
TyphoonSim | 1 つのモデル。1 つのシミュレーション環境。
TyphoonSimは、可変ステップ機能を備えた高速オフラインシミュレータであり、電力段および制御設計に比類のない柔軟性を提供します。最先端のソルバーにより、ハイブリッド微分方程式の高速シミュレーションが可能になり、連続および離散ダイナミクスの両方を正確に捉えることができます。TyphoonSimを使用すると、エンジニアはコントローラを実機に展開する前に、完全な仮想環境で開発およびテストできるため、設計の反復作業が大幅に加速され、開発コストが削減されます。さらに、TyphoonSimはリアルタイムHILシミュレータと同じコンポーネントライブラリを共有しているため、オフラインシミュレーションからHILテストへの移行がシームレスで、開発プロセス全体を通して一貫性と信頼性を確保します。
TyphoonSim を開発ワークフローに統合することで、エンジニアは次のことが可能になります。
- ハードウェアを展開する前に、制御戦略とパワーステージの設計をテストして改良します。
- 幅広い動作条件下でパフォーマンスを最適化します。
- オフライン シミュレーションからリアルタイム HIL テストに簡単に移行できます。
- テスト範囲を拡大しながら全体的な開発時間とコストを削減します。
TyphoonSimのような高度なシミュレーション ツールをモデルベースの設計に組み込むことで、エンジニアは実装前に設計が厳密にテストされていることを認識しながら、自信を持って革新を進めることができます。
TI C2000 ツールボックス| 最適化されたコードを自動的に生成します。
さらに、オフラインから HIL テストへのシームレスな移行をさらにサポートするために、THCC のコード生成機能はTI C2000 ツールボックスによって強化され、回路図エディターのグラフィカル ユーザー インターフェイスからさまざまな TI ターゲット プラットフォームの自動コード生成、コンパイル、フラッシュが可能になります。
TI C2000 ツールボックスの主な機能は次のとおりです。
- さまざまな C2000 マイクロコントローラ デバイスとのシームレスな互換性。
- 周辺機器の構成: 回路図エディター コンポーネント ライブラリを使用して、アプリケーションのニーズに合わせて周辺機器を簡単に構成できます。
- 自動コード生成: デバイスの仕様に合わせて最適化されたコードを生成します。
- 統合ワークフロー: 1 つの合理化されたプロセスでコードをコンパイルし、DSP に直接フラッシュします。
- サンプル モデル: プロジェクトをすぐに開始できる、すぐに使用できるモデルが含まれています。
- 自動テスト: サンプル モデルの組み込みテストを使用して機能を検証します。
- ウィジェット ライブラリ: 専用のウィジェットを使用して、HIL SCADA と DSP 間の通信を確立します。
最後に、Typhoon HIL は、 TI インターフェース カードなどのすぐに使用できるインターフェースを提供し、C-HIL セットアップの展開を効率化します。
コントローラ HIL (C-HIL) とラピッド コントロール プロトタイピングによるシミュレーションからハードウェアまで
モデルベースエンジニアリングでは、エンジニアはMILおよびSILアプローチを用いて仮想環境で制御アルゴリズムを開発・テストできますが、シミュレーションからハードウェア実装への移行は、実世界のシステム開発において非常に重要な段階です。RCPとC-HIL（図2参照）はどちらも、この開発プロセスにおいて、量産対応ハードウェアへの移行前の中間検証ステップとして機能します。
RCPを使用すると、エンジニアはコントローラをリアルタイムシミュレーション環境内に維持しながら、実際のパワーステージハードウェアを検証できます。一方、C-HILを使用すると、パワーステージをリアルタイムで高精度にシミュレーションしながら、最終ターゲットプラットフォーム（ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェアを含む）上でコントローラの検証とテストを実行できます。どちらの手法も、エンジニアは完全な導入に伴う多くのリスクを負うことなく、現実的なハードウェア環境でアルゴリズムをテストできます。
C-HILは、再生可能エネルギーシステム、パワーエレクトロニクス、マイクログリッド、eモビリティ、配電制御・保護システムなど、制御精度と安全性が極めて重要な産業において特に有用です。フルパワー試験を行う前に実機コントローラで試験を行うことで、フルパワーでは危険な状況を含む幅広い条件下でコントローラの安全性を検証できます。
C-HIL や RCP を開発ワークフローに統合することで、エンジニアは次のことが可能になります。
- カスタム ハードウェア開発を行うことなく、ハードウェア環境で制御戦略を検証します。
- 最終的な展開前にエラーを特定して修正することで、開発時間を短縮します。
- リスクを最小限に抑えながら、パフォーマンスを最適化し、パラメータをリアルタイムで微調整します。
- 完全な HIL テストにシームレスに移行し、最終的な組み込みシステムでコントローラーが確実に機能することを保証します。
テスト自動化によるモデルベースエンジニアリングの強化
テスト自動化を導入することで、検証プロセスを合理化し、全体的な効率性を高めることで、コントローラの開発を大幅に強化できます。時間がかかり、人的ミスが発生しやすい手動テストとは異なり、自動テストでは、エンジニアが複雑なテスト手順を迅速かつ一貫して実行できます。このアプローチは、開発サイクルを加速させるだけでなく、制御アルゴリズムが幅広いシナリオにわたって徹底的に検証されることを保証します。さらに、テスト自動化フレームワークには自動レポート生成機能も含まれており、複雑なシステムの管理を簡素化するとともに、エンジニアやチーム間のコミュニケーションを改善します。
自動テストの最も大きなメリットの一つは、テストカバレッジの拡大です。エンジニアは、手作業では非現実的または不可能な広範なテストケースを実行できるため、開発のあらゆる段階で包括的な検証が可能になります。また、自動化によってテスト実行のばらつきが排除され、再現性と信頼性の高い結果が得られるため、一貫性も向上します。これは、特に安全性が重視されるアプリケーションにおいて、システムの整合性を維持するために不可欠です。
さらに、テスト自動化は開発期間の短縮にも役立ちます。MBEを適用し、迅速かつ継続的にテストを実行することで、チームは設計変更をより迅速に反復し、問題を早期に特定し、自信を持ってアップデートをプッシュできるようになります。このアプローチによりデバッグ時間が短縮され、エンジニアは反復的なテスト手順に煩わされることなく、制御戦略の最適化やシステムアーキテクチャの改良といったより高度なタスクに集中できるようになります。
このプロセスをサポートするため、Typhoon HILの完全統合ツールチェーンは、MBEワークフローにシームレスに統合できる専用ツールを提供します。TyphoonTestフレームワークとTyphoonTest IDEは、オフラインシミュレーションとリアルタイムHIL（Hardware-in-the-Loop）テストを自動化するための強力な環境を提供し、エンジニアがテストシナリオを容易に作成、実行、分析できるようにします。さらに高度な自動化機能を求めるチーム向けに、 Typhoon Test Hubは継続的インテグレーションおよびデプロイメント（CI/CD）プラクティスを促進することでこれらの機能を拡張し、開発全体を通してコントローラーが厳密にテストされることを保証します。
Typhoon HILのテスト自動化ソリューションを活用することで、エンジニアは堅牢で信頼性の高い制御システムをより効率的に構築できます。MBEと自動化を組み合わせることで、市場投入までの時間を短縮するだけでなく、組み込みコントローラの品質と性能を強化し、チームが自信を持ってイノベーションを推進できるようになります。
結論
モデルベースエンジニアリング（MBE）は、シミュレーションとテスト自動化を統合し、プロセスのあらゆる段階で継続的な検証を可能にすることで、コントローラ開発に変革をもたらします。従来の手法とは異なり、MBEは早期のテストと検証を可能にし、エンジニアがハードウェアの導入よりずっと前に問題を特定し解決するのに役立ちます。このアプローチは、設計リスクの低減、反復開発の加速、テストカバレッジの向上を実現し、最終的には高性能システムの開発を促進します。
Typhoon HILソリューション（図3参照）を活用することで、エンジニアはワークフローを合理化し、システム統合に集中し、制御戦略をより確実に最適化することができます。オフラインシミュレーションとハードウェア実装のギャップを埋めるために、自動コード生成機能とTI C2000ツールボックスは、実世界のコントローラを迅速に展開するための強力な手段を提供します。最後に、Typhoon HILテスト自動化ソリューションは、エンジニアが複雑なテスト手順を迅速かつ確実に、そして揺るぎない一貫性をもって実行できるようにする、柔軟で強力なテストフレームワークを提供します。
これらのツールを習得したい方には、 HILアカデミーのコースとアプリケーションブートキャンププログラムがハンズオントレーニングを提供し、エンジニアがイノベーションを起こし競争力を維持するために必要な実践的なスキルを習得できるよう支援します。Typhoon HILフォーラムは、コミュニティベースのプラットフォームとして機能し、課題のトラブルシューティングや他のHILエンジニアの経験から学ぶためのリソースです。産業界がデジタルトランスフォーメーションを推進する中で、MBEの導入は、よりスマートで、より迅速で、より信頼性の高い組み込みシステム開発を推進するために不可欠となります。
