モデルベース設計

モデルベース設計( MBD ) は、複雑な制御^{[ 1 ]} 、信号処理^{[ 2 ]}、および通信システムの設計に関連する問題に対処するための数学的かつ視覚的な手法です。多くのモーション制御、産業機器、航空宇宙、および自動車アプリケーションで使用されています。^{[ 3 ] [ 4 ]}モデルベース設計は、組み込みソフトウェアの設計に適用される方法論です。^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

モデルベース設計は、設計プロセス全体を通してコミュニケーションのための共通フレームワークを確立する効率的なアプローチを提供すると同時に、開発サイクル（Vモデル）をサポートします。制御システムのモデルベース設計では、開発は次の4つのステップで表されます。

1. 植物のモデリング、
2. プラントの制御器を分析および合成する、
3. プラントとコントローラのシミュレーション、
4. コントローラーを導入することで、これらのすべての段階を統合する。

モデルベース設計は、従来の設計手法とは大きく異なります。複雑な構造や膨大なソフトウェアコードを用いる代わりに、設計者はモデルベース設計を用いて、連続時間および離散時間の構成要素から高度な機能特性を持つプラントモデルを定義できます。これらの構築されたモデルをシミュレーションツールと組み合わせることで、迅速なプロトタイピング、ソフトウェアテスト、および検証が可能になります。テストと検証プロセスが強化されるだけでなく、場合によっては、ハードウェア・イン・ザ・ループ・シミュレーションを新しい設計パラダイムと組み合わせることで、従来の設計手法よりも迅速かつ効率的に、システムへの動的影響のテストを実行できます。

1920年代という早い時期に、工学の2つの分野、制御理論と制御システムが融合し、大規模な統合システムが可能になった。当時、制御システムは産業環境で広く利用されていた。大規模なプロセス設備では、温度、圧力、流量などの連続変数を制御するためにプロセスコントローラが使用され始めた。はしご状のネットワークに組み込まれた電気リレーは、製造プロセス全体を自動化する最初の離散制御装置の1つであった。

制御システムは、主に自動車および航空宇宙分野で勢いを増した。1950年代から1960年代にかけて、宇宙開発への取り組みが組み込み制御システムへの関心を高めた。エンジニアたちは、最終製品の一部となり得るエンジン制御ユニットやフライトシミュレーターなどの制御システムを構築した。20世紀末までには、組み込み制御システムは至るところに普及し、洗濯機やエアコンといった主要な家庭用電化製品にも複雑で高度な制御アルゴリズムが搭載され、それらはより「インテリジェント」になった。

1969年、最初のコンピュータベースのコントローラが導入されました。これらの初期のプログラマブルロジックコントローラ（PLC）は、旧式のリレーラダーを使用する既存の離散制御技術の動作を模倣していました。PC技術の登場は、プロセス制御および離散制御市場に劇的な変化をもたらしました。適切なハードウェアとソフトウェアを搭載した市販のデスクトップPCで、プロセスユニット全体を制御したり、複雑で確立されたPIDアルゴリズムを実行したり、分散制御システム（DCS）として機能させたりすることが可能になりました。

モデルベース設計アプローチの主な手順は以下のとおりです。

1. プラントモデリング。プラントモデリングは、データ駆動型または第一原理に基づくものに分類できます。データ駆動型プラントモデリングでは、システム同定などの手法を用います。システム同定では、実世界のシステムから生データを取得して処理し、数学モデルを同定するための数学的アルゴリズムを選択することで、プラントモデルを同定します。同定されたモデルは、モデルベースのコントローラの設計に使用される前に、さまざまな種類の解析やシミュレーションに使用できます。第一原理に基づくモデリングは、プラントの動特性を支配する既知の微分代数方程式を実装するブロック図モデルを作成することに基づいています。第一原理に基づくモデリングの一種に物理モデリングがあり、これは実際のプラントの物理的要素を表す接続されたブロックで構成されるモデルです。
2. コントローラの解析と合成。ステップ1で考案された数理モデルを用いて、プラントモデルの動的特性を特定します。そして、これらの特性に基づいてコントローラを合成します。
3. オフラインシミュレーションとリアルタイムシミュレーション。複雑で時間変動する入力に対する動的システムの時間応答を調査します。これは、単純なLTI（線形時不変）モデルをシミュレートするか、コントローラを備えたプラントの非線形モデルをシミュレートすることによって行われます。シミュレーションにより、仕様、要件、およびモデリングエラーを設計作業の後半ではなく、すぐに発見できます。リアルタイムシミュレーションは、ステップ2で開発されたコントローラのコードを自動的に生成することによって実行できます。このコードは、コードを実行してプラントの動作を制御できる特別なリアルタイムプロトタイピングコンピュータに展開できます。プラントプロトタイプが利用できない場合、またはプロトタイプでのテストが危険または高価である場合は、プラントモデルからコードを自動的に生成できます。このコードは、実行中のコントローラコードを備えたターゲットプロセッサに接続できる特別なリアルタイムコンピュータに展開できます。したがって、コントローラをリアルタイムプラントモデルに対してリアルタイムでテストできます。
4. 展開。理想的には、ステップ2で開発したコントローラからコードを生成することで展開します。コントローラがシミュレーション時と同じように実際のシステムで動作するとは限らないため、実際のターゲットでの結果を分析し、コントローラモデルを更新することで、反復的なデバッグプロセスを実行します。モデルベース設計ツールを使用すると、これらの反復的なステップすべてを統一されたビジュアル環境で実行できます。

製品開発ライフサイクルのこの段階になると、モデルベース設計の欠点は十分に理解されている。

• 大きな欠点の1つは、このアプローチが標準的な組み込みシステム開発に対して包括的、あるいは網羅的なアプローチであることです。プロセッサやエコシステム間での移植にかかる時間は、よりシンプルなラボベースの実装で得られる時間的メリットを上回ってしまうことがよくあります。

• コンパイルツールチェーンの大部分はクローズドソースであり、フェンスポストエラーなどの一般的なコンパイルエラーが発生しやすいが、これらは従来のシステムエンジニアリングでは容易に修正できる。

• 設計パターンや再利用パターンによっては、そのタスクに適さないモデルの実装につながる可能性があります。例えば、温度センサー、速度センサー、電流センサーを使用するコンベアベルト製造設備のコントローラーを実装する場合などが挙げられます。このようなモデルは、一般的にモーターコントローラーなどに再実装するには適していません。しかし、このようなモデルを移植するのは非常に簡単で、その過程でソフトウェアの不具合もすべて引き起こしてしまう可能性があります。
• バージョン管理の問題：モデルベース設計では、バージョン管理、特に差分操作やマージ操作を処理するための高品質なツールが不足しているため、大きな課題に直面する可能性があります。これにより、同時変更の管理や堅牢なリビジョン管理の実践が困難になる場合があります。3方向マージなどの新しいツールがこれらの問題に対処するために導入されていますが、これらのソリューションを既存のワークフローに効果的に統合することは依然として複雑な作業です。^{[ 8 ]}

モデルベース設計は、テストシナリオのシミュレーションやシミュレーション結果の解釈において優れた能力を発揮しますが、実際の生産環境では必ずしも適しているとは限りません。特定のツールチェーンに過度に依存すると、大幅な手戻りが発生し、場合によってはエンジニアリング全体のアプローチが損なわれる可能性があります。ベンチテストには適していますが、生産システムへの適用は非常に慎重に検討する必要があります。

モデルベース設計が従来のアプローチと比較して提供する利点のいくつかは次のとおりです。^{[ 9 ]}

• モデルベース設計は共通の設計環境を提供し、様々な（開発）グループ間の一般的なコミュニケーション、データ分析、およびシステム検証を容易にする。
• エンジニアは、システム設計の初期段階でエラーを発見して修正することで、システム変更にかかる時間と費用を最小限に抑えることができる。
• アップグレードや機能拡張された派生システムのための設計再利用が容易になります。

グラフィカルツールの限界から、設計エンジニアは従来、テキストベースのプログラミングと数理モデルに大きく依存していました。しかし、これらのモデルの開発は時間がかかり、エラーが発生しやすいという問題がありました。さらに、テキストベースのプログラムのデバッグは面倒な作業であり、最終的に欠陥のないモデルを作成するまでには多くの試行錯誤が必要でした。特に、数理モデルはさまざまな設計段階を経ていく過程で、目に見えない変化が生じるため、この問題は深刻でした。

グラフィカル モデリング ツールは、設計のこれらの側面を改善することを目的としています。これらのツールは、非常に汎用的で統一されたグラフィカル モデリング環境を提供し、モデルを個々の設計ブロックの階層に分割することで、モデル設計の複雑さを軽減します。そのため、設計者は、1 つのブロック要素を別のブロック要素に置き換えるだけで、モデルの忠実度を複数のレベルで実現できます。グラフィカル モデルは、エンジニアがシステム全体を概念化し、設計プロセスのある段階から別の段階へモデルを移すプロセスを簡素化するのにも役立ちます。ボーイングのシミュレータ EASY5 は、ボンド グラフ理論に基づくマルチ ドメイン、マルチ レベルのプラットフォームであるAMESimとともに、グラフィカル ユーザー インターフェイスが提供される最初のモデリング ツールの 1 つです。これに続いて、質量、バネ、抵抗器などの物理コンポーネントでモデルを構成できる20-simやDymolaなどのツールが登場しました。その後、SimulinkやLabVIEWなどの他の多くの最新ツールが登場しました。

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