はじめに
制御システムの開発は従来、文書ベースの要求仕様、手作業によるコーディング、物理プロトタイプを用い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あった。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た場合、大規模な再設計と再コーディングが必要となり、多大なコストを伴う遅延を招くことが多かった。
モデルベースドエンジニアリング（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、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およびシステムレベルの両方でシミュレーション、テスト、検証することを可能にします。 このアプローチにより、設計段階での早期改善、継続的テスト、迅速な制御プロトタイピング（RCP）、ハードウェアとのシームレスな統合が可能となります。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、大幅に短縮された時間で製品品質を向上させられます。さらに、MBEアプローチ内にハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）テストを統合することで、制御されたシミュレーション環境内で実ハードウェアコンポーネントを用いたモデルの検証が可能となり、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。
モデルベースエンジニアリングは制御器開発においてどのような形をとるのか？
モデルベースドエンジニアリング（MBE）は、デジタルモデルを活用して、システム仕様や初期段階のコンポーネントレベル設計から開発、保守に至るまでの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。コントローラ開発において、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といった様々な開発手法をニーズに合わせて効率化し適応させ、各段階でシミュレーション、テスト、自動化を統合します。
ライフサイクルの初期段階で、エンジニアは制御システムとパワーステージの両方を表現する完全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、より高い抽象度から開始されるため、チームは設計選択肢の評価、システムレベルの性能評価、問題の早期トラブルシューティングを柔軟に行え、リアルタイムモデルや物理プロトタイプのコスト・リスクを必要としません。プロジェクトが設計から開発・検証へと進むにつれ、モデルはより詳細になり、忠実度が向上します。 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連動する高精度リアルタイムHILシミュレーションへ移行可能である。このステップにより実環境下でのシステム検証が保証され、堅牢性と効率性が促進される。さらに開発中のコントローラを継続的にテストできるため、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性と相互運用性も確保される。
MBEとアジャイル手法を組み合わせることで統合リスクが低減され、実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る。さらに、最終製品の仮想複製であるデジタルツインを活用することで、継続的な保守・アップグレードおよびリアルタイム性能監視が可能となる。
完全に統合されたツールチェーンによるデザインの可能性の拡大
従来のワークフローでは、エンジニアが物理ハードウェア上で各設計反復を手動でコーディングおよびテストする必要があり、これは時間がかかり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れらの制約を取り除き、追加コストを発生させることなく無数の設計バリエーションをチームが探索できるようにします。
コントローラ開発において、MBE（モデルベース開発）は通常、様々なシミュレーション手法を包含する。初期設計段階ではオフラインのModel-in-the-Loop（MIL）から始まり、Software-in-the-Loop（SIL）へと進展し、最終的には高忠実度のController Hardware-in-the-Loop（C-HIL）に到達する。 しかし、複数のソフトウェアツールが必要となる場合、これらの手法を開発段階ごとに統合することは困難を伴う。別々のモデルやプラットフォームを維持することは、ワークフローの連続性を阻害し、コストを増加させ、モデリングエラーを招き、バージョン管理を複雑化させるためである。
これらの課題に対処するため、Typhoon 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、シミュレーション手法間の円滑な移行を可能にすると同時に、開発全体を通じて真のモデル継続性を維持したアジャイルなアプローチを実現します。これは以下の組み合わせによって達成されます TyphoonSim と自動コード生成機能を、 Control Center実現されます（図1参照）。
TyphoonSim | 1つのモデル。1つのシミュレーション環境。
TyphoonSim 可変ステップ機能を備えた高速オフラインTyphoonSim 、パワーステージおよび制御設計において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、連続的・離散的ダイナミクスを正確に捕捉するハイブリッド微分方程式の高速シミュレーションを実現します。TyphoonSimを用いることで、エンジニアは実ハードウェアへの展開前に完全仮想環境でコントローラの開発・テストが可能となり、設計反復を大幅に加速し開発コストを削減します。 さらに、TyphoonSim リアルタイムHILシミュレータと同一のコンポーネントライブラリをTyphoonSim 、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、開発プロセス全体を通じて一貫性と信頼性を確保します。
TyphoonSim 統合することで、エンジニアは以下のことが可能になります：
- ハードウェア展開前に制御戦略とパワーステージ設計をテストし、改良する。
- 幅広い動作条件下で性能を最適化する。
- オフラインシミュレーションからリアルタイムHILテストへシームレスに移行します。
- 開発全体の時間とコストを削減しながら、テストカバレッジを向上させる。
高度なシミュレーションツール（例： TyphoonSim 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確信し、自信を持って革新を実現できます。
TI C2000 Toolbox| 最適化されたコードを自動生成
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支援するため、THCCのコード生成機能がTI C2000 Toolboxによって強化されました。これにより、Schematic Editor 、様々なTIターゲットプラットフォーム向けのコードの自動生成、コンパイル、およびフラッシュが可能となります。
TI C2000 Toolboxの主な機能は以下の通りです：
- 様々な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。
- 周辺機器の設定：Schematic Editor ライブラリを使用して、アプリケーションの要件に合わせて周辺機器を簡単に設定できます。
- 自動コード生成：お使いの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：コードをコンパイルし、DSPに直接書き込む一連の作業を1つの合理化されたプロセスで実行します。
- サンプルモデル：プロジェクトをすぐに始められる、すぐに使えるモデルが含まれています。
- 自動テスト：例示モデルに対する組み込みテストによる機能検証。
- ウィジェットライブラリ：専用ウィジェットを用いてHIL SCADAとDSP間の通信を確立する。
最後に、Typhoon TIインターフェースカードなどの即利用可能なインターフェースを提供し、C-HILセットアップの導入を効率化します。
シミュレーションからハードウェアへ：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
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手法を用いて仮想環境で制御アルゴリズムを開発・テストできるが、シミュレーションからハードウェア実装への移行は実システム開発における重要な段階である。RCPとC-HIL（図2参照）は、量産対応ハードウェアへの移行前に、この開発プロセスにおける中間検証ステップとして機能する。
RCP（リアルタイム・コントローラ・イン・ザ・ループ）は、エンジニアが実際のパワーステージハードウェアを検証しつつ、コントローラをリアルタイムシミュレーション環境で動作させ続けることを可能にします。一方、C-HIL（コントローラ・イン・ザ・ループ）は、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可能にしつつ、パワーステージをリアルタイムで高精度にシミュレートします。いずれの方法も、エンジニアがアルゴリズムを現実的なハードウェア環境でテストすることを可能にし、フルデプロイメントに伴う多くのリスクを回避できます。
C-HILは、制御精度と安全性が極めて重要な産業分野において特に価値を発揮します。具体的には、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・保護システムなどが挙げられます。実機でのフルパワー試験に先立ち、実際の制御装置上で試験を行うことで、フルパワー時には危険となる条件を含む幅広い条件下において、制御装置を安全に検証することが可能です。
C-HILおよび/またはRCPを開発ワークフローに統合することで、エンジニアは以下のことが可能になります：
- カスタムハードウェア開発に踏み切ることなく、ハードウェア環境で制御戦略を検証する。
- 最終デプロイ前にエラーを特定・修正することで開発時間を短縮する。
- 最小限のリスクで、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する。
- シームレスにフルHILテストへ移行し、最終組み込みシステムにおいてコントローラが確実に機能することを保証します。
モデルベースエンジニアリングのテスト自動化による強化
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性を向上させることで、コントローラの開発を大幅に強化します。時間のかかる上に人的ミスが発生しやすい手動テストとは異なり、自動テストによりエンジニアは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多様な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が組み込まれており、複雑なシステムの管理を簡素化すると同時に、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利点の一つは、テストカバレッジの向上である。エンジニアは手動では非現実的あるいは不可能な広範なテストケースを実行でき、開発のあらゆる段階で包括的な検証を可能にする。自動化はまた、テスト実行における変動性を排除し、再現性のある信頼性の高い結果を提供することで一貫性を高める。これは、特に安全性が極めて重要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ある。
さらに、テスト自動化は開発期間の短縮に寄与します。MBEを適用しテストを迅速かつ継続的に実行することで、チームは設計変更の反復を加速し、問題を早期に特定し、自信を持って更新をリリースできます。このアプローチによりデバッグ時間が削減され、エンジニアは反復的なテスト手順に時間を取られることなく、制御戦略の最適化やシステムアーキテクチャの精緻化といった高次タスクに集中できるようになります。
このプロセスを支援するため、Typhoon 、MBEワークフローにシームレスに統合される専用ツールを提供します。 TyphoonTest フレームワークとTyphoonTest 、オフラインシミュレーションとリアルタイムのハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）テストを自動化する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必要とするチーム向けに、Typhoon Hubは継続的インテグレーションとデプロイメント（CI/CD）の実践を促進することでこれらの機能を拡張し、開発プロセス全体を通じ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 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と自動化のこの組み合わせは、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革新を推進することを可能にします。
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自動化を統合することで制御器開発を変革し、プロセスの全段階における継続的な検証を可能にします。従来の手法とは異なり、MBEは早期のテストと検証を実現し、ハードウェア展開のずっと前に問題を特定・解決する支援を提供します。このアプローチは設計リスクを低減し、反復を加速し、テストカバレッジを向上させ、最終的に高性能システムの創出を推進します。
Typhoon ソリューションを活用することで（図3参照）—TyphoonSim によるオフラインシミュレーションとHILテストによるリアルタイム検証を活用することで、エンジニアはワークフローを効率化し、システム統合に集中し、より高い確信を持って制御戦略を最適化できます。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、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強力な手段を提供します。 最後に、Typhoon 自動化ソリューションは柔軟かつ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もって実行することを可能にします。
これらのツールを習得したい方に向けて、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では実践的なトレーニングを提供し、エンジニアが革新を起こし競争力を維持するために必要な実践的スキルを身につけられます。Typhoon 、課題の解決や他の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もう一つのリソースです。産業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るでしょう。
