はじめに
制御システムの開発は、従来、文書ベースの要件、手作業によるコーディング、物理的なプロトタイプを使用した後期段階のテストに依存する、複雑で時間のかかるプロセスでした。このような従来の方法では、統合段階で設計の欠陥が発見された場合、大規模な再設計や再コーディングが必要となり、コストのかかる遅延につながることがよくありました。
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開始直後から、コンポーネントレベルとシステムレベルの両方で、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、早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）、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合理化し、エラーを削減し、製品品質を大幅に短時間で向上させることができます。さらに、MBEアプローチにHIL（Hardware-in-the-Loop）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することができ、シミュレーションと実際の物理的実装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？
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て、システム仕様、初期段階のコンポーネントレベルの設計から開発、保守まで、ライフサイクル全体を通じて複雑なシステムを管理します。コントローラ開発では、MBEは、ウォーターフォール、Vモデル、アジャイルワークフローなど、さまざまな開発メソドロジを合理化し、ニーズに適応させ、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，ライフサイクルの初期段階で，制御シ ステムとパワーステージの両方を表現する完全な仮想モ デルを作成することができます．このようなシミュレーションは通常，より抽象度の高いものから開始されるため，リアルタイムモデルや物理的なプロトタイプのコストやリスクを必要とすることなく，設計上の選択肢の評価，システムレベルの性能評価，問題のトラブルシューティングを早期に柔軟に行うことができます．プロジェクトが設計から開発、検証に進むにつれて、モデルはより詳細になり、その忠実度は向上します。完全仮想のオフライン・シミュレーションは、実際のコントローラ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することができます。このステップにより、システムが実環境下で検証され、ロバスト性と効率性が向上します。さらに、開発中のコントローラを継続的にテストすることで、個々の性能だけでなく、シームレスなシステムレベルの統合と相互運用性を確保することができます。
MBEをアジャイル・アプローチと組み合わせることで、統合リスクを低減し、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や最適化を容易に行うことができる。さらに、デジタル・ツイン（最終製品の仮想レプリカ）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使用できます。
完全に統合されたツールチェーンでデザインの可能性を広げる
従来のワークフローでは、エンジニアが手作業でコーディングし、物理的なハードウェア上で各設計の繰り返しをテストする必要があります。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、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します。
コントローラ開発では、一般的にMBEにさまざまなシミュレーションアプローチが含まれます。初期の設計フェーズではオフラインのMIL（Model-in-the-Loop）から始まり、SIL（Software-in-the-Loop）へと進み、最終的には高忠実度のC-HIL（Controller Hardware-in-the-Loop）に到達します。しかし、複数のソフトウェアツールが必要な場合、異なる開発段階でこれらのアプローチを統合することは困難です。別々のモデルやプラットフォームを維持することは、ワークフローの継続性を妨げ、コストを増加させ、モデリングエラーを誘発し、バージョン管理を複雑にします。
このような課題に対処するため、Typhoon HILの完全に統合された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、シミュレーションアプローチ間のスムーズな移行を可能にすると同時に、開発全体を通じてモデルの真の連続性を維持するアジャイルアプローチを実現します。これは、図1に示すように、Typhoon HIL Control Center（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、および主要なリアルタイムシミュレータの組み合わせによって実現される。
TyphoonSim｜一つのモデル。一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、パワーステージや制御設計に比類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となり、連続および離散の両方のダイナミクスを正確に捉えることができます。TyphoonSimを使用することで、エンジニアは実際のハードウェアに導入する前に、完全な仮想環境でコントローラを開発・テストすることができ、設計の繰り返しを大幅に短縮し、開発コストを削減することができます。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に行え、開発プロセス全体の一貫性と信頼性を確保できます。
TyphoonSimを開発ワークフローに組み込むことで、エンジニアは以下のことができるようになります：
- ハードウェア展開の前に、制御ストラテジーとパワーステージ設計をテストし、改良する。
- 幅広い運転条件下で性能を最適化。
- オフラインシミュレーションからリアルタイムのHILテストへ簡単に移行できます。
- テストカバレッジを高めながら、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知り、自信を持って技術革新を行うことができます。
TI C2000 Toolbox｜最適化されたコードを自動的に生成します。
さらに、オフラインテストから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、THCCのコード生成機能は、TI C2000 Toolboxによって強化されています。このツールボックスは、スケマティック・エディタのグラフィカル・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・プラットフォーム用のコードの自動生成、コンパイル、フラッシュを可能にします。
TI C2000 Toolboxの主な機能は次のとおりです：
- 各種C2000マイコンデバイスとのシームレスな互換性。
- ペリフェラル設定：Schematic Editorの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ペリフェラルを簡単に設定できます。
- 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。
- モデル例：すぐに使えるモデルを収録しています。
- 自動テスト：モデルの例に対する組み込みテストで機能を検証します。
- 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、C-HILセットアップの展開を合理化するために、TIインターフェースカードなどのすぐに使えるインターフェースを提供する。
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でシミュレーションからハードウェアへ
モデルベースエンジニアリングにより、エンジニアは MIL および SIL アプローチを使用して仮想環境で制御アルゴリズムを開発し、テストすることができますが、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、生産可能なハードウェアに移行する前の、この開発プロセスにおける中間検証ステップとしての役割を果たします。
RCPでは、コントローラをリアルタイムのシミュレーション環境に保ちながら、実際のパワーステージのハードウェアを検証することができます。逆に、C-HILでは、パワーステージをリアルタイムで忠実にシミュレーションしながら、最終的な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行うことができます。どちらの方法でも、エンジニアは、完全な配備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することができます。
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、配電制御および保護システムなど、制御の精度と安全性が重要な産業において特に価値があります。フルパワーテストを実施する前に実コントローラでテストすることで、フルパワーでは危険な条件を含む幅広い条件に対して、コントローラを安全に検証することができます。
C-HILやRCPを開発ワークフローに組み込むことで、エンジニアは以下のことが可能になる：
- カスタム・ハードウェアの開発にコミットすることなく、ハードウェア環境で制御ストラテジーを検証。
- 最終デプロイ前にエラーを特定し修正することで、開発時間を短縮します。
- 最小限のリスクでリアルタイムにパフォーマンスを最適化し、パラメーターを微調整します。
- 完全なHILテストにシームレスに移行し、最終的な組込みシステムでコントローラ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
テスト自動化の統合は、検証プロセスを合理化し、全体的な効率を高めることで、コントローラの開発を大幅に強化します。時間がかかり、ヒューマンエラー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することができます。このアプローチは、開発サイクルを加速するだけでなく、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レポートの自動生成機能があり、エンジニアやチーム間のコミュニケーションを改善しながら、複雑なシステムの管理を簡素化します。
自動テストの最もインパクトのあるメリットの1つは、テストカバレッジの拡大である。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することができ、開発のあらゆる段階で包括的な検証を行うことができます。自動化はまた、テスト実行におけるばらつきを排除し、再現可能で信頼性の高い結果を提供することによって一貫性を高めます。これは、特にセーフティ・クリティカルなアプリケーションにおいて、システムの完全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、テストを迅速かつ継続的に実行することで、チームは設計変更を迅速に反復し、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することができます。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など、より高度なタスクに集中することができます。
このプロセスをサポートするために、Typhoon HILの完全に統合されたツールチェーンは、MBEのワークフローにシームレスに統合す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の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簡単に作成、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には、Typhoon Test Hubがこれらの機能を拡張し、継続的インテグレーションとデプロイメント（CI/CD）の実践を促進します。
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することができます。このMBEと自動化の組み合わせは、市場投入までの時間を短縮するだけでなく、組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起こせるようにします。
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の自動化を統合し、プロセスの各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配備のはるか前に問題を特定して解決できるよう支援します。このアプローチにより、設計リスクを低減し、イテレーションを加速し、テスト範囲を拡大することで、最終的に高性能システムの構築を促進します。
Typhoon HILソリューション（図3を参照）-オフラインシミュレーションのためのTyphoonSimとリアルタイム検証のためのHILテスト-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、より信頼性の高い制御戦略を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 Toolboxは、実世界のコントローラを迅速に導入するための強力な方法を提供します。最後に、Typhoon HILテスト自動化ソリューションは、柔軟で強力なテストフレームワークを提供し、エンジニアが複雑なテスト手順を迅速かつ確実に、揺るぎない一貫性を持って実行できるようにします。
これらのツールの習得を目指す方には、HIL Academy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、技術革新と競争力維持に必要な実践的スキルをエンジニアに提供します。Typhoon HILフォーラムも、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コミュニティベースのプラットフォームとして機能するリソースです。産業界がデジタルトランスフォーメーションを受け入れる中、MBEの採用は、よりスマートで、より速く、より信頼性の高い組込みシステム開発を推進するために不可欠です。
