FMIインポート

FMI規格について

機能モックアップインターフェース（FMI）は、XMLファイル、バイナリ、Cコードを圧縮した単一のファイル（FMU：Functional Mock-up Unit）を用いて動的モデルを交換するためのコンテナとインターフェースを定義するフリースタンダードです。言い換えれば、FMIは、あるシミュレーションツールからモデルをエクスポートし、別のツールにインポートする方法、そしてそのモデルをインターフェースする方法に関するルールを提供します。

2 種類の違いは、インポート ツールが FMU を時間的に前進させる方法にあります。

温度や速度といった物理量を表すモデルは、一般的に微分方程式で記述されます。物理量が時間とともにどのように変化するかは、その量自体の値（状態）と、どのような外部からの影響（入力）を受けるかによって決まります。

次の例を見てみましょう。家の温度がどのように変化するかを示す非常に単純な数学モデルは次のように表すことができます。

dThouse/dt = k1*(Tout-Thouse) k2*ボイラー電力 k3

ここで、量の変化率（ dThouse/dt ）は、状態（ Thouse ）と入力（ ToutとBoilerPower ）に依存します。k1 、 k2 、 k3は時間とともに変化しないパラメータです。家屋内の温度が時間とともにどのように変化するかを計算するには、この微分方程式を数値ソルバーに接続する必要があります。

Co-simulation FMU をシミュレーションする場合、数値ソルバーはエクスポートツールに組み込まれ、提供されます。インポートツールは入力を設定し、FMU に指定された時間だけステップを進めるよう指示し、出力を読み取ります。

Model Exchange FMU をシミュレーションする場合、数値ソルバーはインポートツールによって提供されます。FMU は、状態と入力を設定し、状態微分（つまり方程式の左辺）を計算する関数を提供します。インポートツールのソルバーは、使用する時間ステップと、次の時間ステップにおける状態計算方法を決定します。[ modelon.com ]

協調シミュレーションのためのFMI

Typhoon HIL ツールチェーンでは、Co-simulation 用の FMI のみがサポートされており、ここで説明します。

FMI for Co-Simulation は、シミュレータによってソルバーとともに実行可能なコードとしてエクスポートされたサブシステム モデルとの結合 (図 1 ) と、シミュレーション ツールの結合 (シミュレータ結合、ツール結合(図 2 )) の両方を目的として設計されています。

エクスポートされたFMUはスレーブとして動作し、インポートしたツールはマスターとして動作します。マスターはすべてのデータ交換と時刻同期を担当します。また、スレーブ間のデータ交換はマスターのみを介して行われ、スレーブ間で直接通信が行われることはありません。

マスターとスレーブ間のデータ交換は、個別の通信ポイントに限定されます。これは、最も一般的なマスターアルゴリズムで説明できます。このアルゴリズムは、各通信ポイントでシミュレーションを停止し、すべてのスレーブからの出力を収集し、スレーブの入力を計算し、それらの入力をスレーブに分配し、固定された通信ステップサイズで次の通信ステップで（協調）シミュレーションを継続します。

各通信ポイントにおけるデータフローは、図 3のブロック図で表すことができます。

Typhoon HILツールチェーンにおけるFMIサポート

既に述べたように、Typhoon HILツールチェーンは協調シミュレーション用のFMIのみをサポートしています。また、FMIバージョン2のみがサポートされており、FMUファイルのインポートのみがサポートされています。これは、ライブラリのFMUインポートコンポーネント（Signal Processing -> Extras -> FMU Import）を使用して有効化できます。

HILデバイスとVirtual HILデバイスはどちらもFMUインポート機能をサポートしています。HILデバイスを使用する場合は、ソースコードファイルをFMUファイルに含める必要があります。Virtual HILデバイスを使用する場合は、ソースコードとwin64ライブラリの両方を使用できます。両方を指定した場合、win64ライブラリが使用されます。したがって、ソースコードを使用する場合は、FMUファイルからwin64ライブラリを削除する必要があります。

また、HILデバイスを使用する場合、Co-simulationはスタンドアロンで実行する必要があります。つまり、ツールの連携は不可能であり、モデルソルバーはFMUに組み込む必要があります。これはVirtual HILの制限ではありませんが、非同期実行は正しく動作しません。言い換えれば、Do Step関数は「Pending」ステータスを返してはなりません。これは、マスターアルゴリズムがこれをサポートするように設計されていないためです。

マスター アルゴリズムは、図 4のブロック図に示されています。

どの関数呼び出しでも戻り値はチェックされず、マスターは戻り値として OK ステータスを期待していることに注意することが重要です。

FMUインポート

FMI スレーブ機能は、回路図エディター ライブラリの FMU インポート コンポーネントを使用して定義されます。

コンポーネント イメージ、ダイアログ ウィンドウ、およびプロパティを表 1に示します。

表1 FMUインポートコンポーネント

コンポーネントアイコン	コンポーネントダイアログ	プロパティ
FMUインポート		FMUファイルのインポート パスタイプ 実行率 追加の定義

コンポーネント ダイアログ ウィンドウの [ファイルの選択] ボタンを使用すると、目的の FMU ファイルを参照できます。

FMUファイルが正しく解析されれば、ファイルから抽出された変数に基づいてテーブルが更新されます。一般情報フィールドもFMUファイルの情報で埋められます。FMUファイルをインポートした後のダイアログウィンドウの例を以下に示します。

パスの種類プロパティでは、FMUファイルパスの保存形式を選択できます。絶対パスはFMUファイルへの完全なシステムパスを保存し、相対パスはモデルディレクトリからの相対パスを保存します。相対パスは、モデルが先に保存されている場合にのみ選択できます。

FMI標準についてセクションで述べたように、FMUは基本的に、単一のアーカイブに圧縮されたバイナリファイルとCコードのコレクションです。つまり、コードをHILデバイスで実行される実行ファイルにコンパイルするために、Cコンパイラが呼び出されます。ほとんどの場合、FMUはコンパイラに追加の定義を渡す必要はありませんが、必要な場合は、 「追加定義」プロパティがその役割を果たします。たとえば、コードには、マルチスレッドをサポートするプラットフォームのコード実行を処理するNO_MULTITHREADED_SUPPORT定義が含まれている場合があります。HILデバイスはマルチスレッドをサポートしていないため、図6に示すように、この定義を追加定義に含める必要があります。

定義が複数ある場合は、1 つのスペースを使用して区切られます。

デフォルトで含まれる定義の1つにFMI2_FUNCTION_PREFIXがあります。この定義により、すべてのFMU関数に適切なプレフィックスが付与され、手動で宣言する必要がなくなります。

追加リソース

FMU標準では、FMUアーカイブ内にリソースフォルダが存在することが定義されています。シミュレーションを正しく動作させるために追加のリソースが必要な場合は、このフォルダに保存されます。通常、これらのリソースには、経験的データ、パラメータ、テーブル、さらには追加のDLLなどが含まれます。

HILデバイス上で実行される信号処理コードはベアメタルアプリケーションとして実行されるため、HILデバイスではファイルシステムコールがサポートされません。また、HILデバイスはファイルを開いてデータを抽出できないため、リソースフォルダは使用できず、無視されます。HILデバイスにFMUを実装する際には、シミュレーション結果に大きな変化が生じる可能性があるため、この点にご注意ください。

VHIL を使用してシミュレーションを実行する場合、リソースフォルダーが使用され、シミュレーションは通常どおり実行されます。

使用例

FMU インポート コンポーネントの使用方法は、誘導機オープン ループ制御のサンプル モデル (examples\models\power electronics\indm_open_loop_control\ indm_open_loop_control.tse) で説明されています。

サンプルモデルを図 7に示します。

オープンループ制御は信号処理コンポーネントを使用して設計されており、回路図の下部に配置されています。この制御には2つの入力と1つの出力があります。入力は周波数と変調度で、出力は3相整流器の基準信号です。同じ制御をMATLAB/Simulinkで作成しました（下記）。

SimulinkモデルはFMUファイルとしてエクスポートされ、Typhoon HILツールチェーンにインポートされます。MATLAB SimulinkからFMUファイルをエクスポートする方法については、以下を参照してください。 MATLAB SimulinkからFMUファイルをエクスポートする.

MATLAB SimulinkからFMUファイルをエクスポートする

MATLAB 2021a バージョンから、ユーザーは Simulink モデルを FMU アーカイブにエクスポートできるようになりました。