実習で学ぶ モデルベース開発 『モデル』を共通言語とするV字開発プロセス

実習で学ぶ モデルベース開発 『モデル』を共通言語とするV字開発プロセス

製品設計にシミュレーションモデルを積極的に用いるモデルベース開発(MBD)を初学者でも独習できるようわかりやすく解説。

ジャンル
発行年月日
2018/06/08
判型
B5
ページ数
174ページ
ISBN
978-4-339-04654-0
  • 内容紹介
  • まえがき
  • 目次
  • レビュー
  • 著者紹介
  • 書籍紹介・書評掲載情報

近年,自動車業界を中心として製品設計にシミュレーションモデルを積極的に用いるモデルベース開発(MBD)が盛んに行われている。本書は,HILシミュレータなどもWebで提供し初めての人でもMBDを独習できるようにした。

発刊によせて
世間一般にモデルベース開発というと,制御開発のために使う「制御対象モデル」と「制御モデル」を使った設計検証手法を指すことになっている。しかし筆者らは,3D形状データを用いたCAEモデルを含め,0次元や1次元の制御対象モデルも,制御モデルも…これらシミュレーションを用いた机上開発全般をモデルベース開発と呼びたいと,新しいモデルベースの定義を提唱してきた。究極の開発の姿から思い描くと,逆にこれらを区別して話すことは意味がなくなり,連続してつながる一つの技術やプロセスになるはずと考えるからである。本書では,この新しい定義でモデルベース開発という言葉を使っている。すなわち,開発対象のカラクリを数式としてモデル化できるレベルまで解明し,そのモデルを使って最適開発する技術の全般を,「モデルベース開発」と定義している。

モデルベース開発というと,開発の効率化をイメージされる方々が多い。あるいは,開発の補助的な解析のようなものとイメージされる方々も多い。しかし,本書で伝えたいのは,その意味をはるかに超えて,これなしには開発が成立しない,使いこなせないと産業が衰退する,というくらいに切迫した産業革命の荒波が押し寄せているということである。本書はモデルベースに関わる方々への入門書ではあるが,その目的にとどまらず,ものづくりに携わっている多くの方々にぜひ一読いただき,これからの激動の時代の波を予知し,それに備える一助としていただきたい。

ここで,本書の1章において述べているが,開発エピソードの一部から,その予告編としてエッセンスだけを以下に紹介する。
【事例1:世界一の燃焼は,モデルベースを駆使したからこそ実現できた】
当時,燃焼モデルは使い物にならず,どの企業も参考程度にしか利用していなかったのが実態であるが,資源が少ない会社であるからこそ,ここに真っ向勝負してモデル精度を上げてきた。ついには,モデルによる転写設計までが可能なレベルにまで精度が高まった。このモデルなしには世界一の燃焼は実現できなかった,といわれるほどの成果となった。このエピソードから,世界一の最適設計を世界で最初に成し遂げる価値こそが,モデルベース開発のやるべき役割の究極の姿であると,筆者らは伝えたい。
【事例2:自動車の制御系開発は,すでにモデルベース開発なしに成立しない】
自動車の制御システムの規模は10年で10倍ずつの指数的スピードで増大しており,すでに実機ベース開発で可能な臨界点を超えている。本書の中で取り上げているが,モデルベースなしには3か月かかる技術開発が1日で可能な事例などは,その好例であろう。また,図面を出す前の仕様検証は,もはや人間では不可能なレベルの仕様書のページ数(きっと印刷すれば数万ページ)であり,モデルを使っていくらでも机上検証できる環境を備えなければ不可能な時代に突入している。そうやって仕様書の品質を高めたあとも,最終品質を高めるためのさらに膨大なキャリブレーション業務や総合車両評価業務が待ち構えており,まさに想像を超えたレベルでの激しい業務があたりまえとなっている。
【事例3:孤立孤高のロータリーエンジンの開発からモデルベース開発は始まった】
1987年,もう30年も前,資源面で余力がなかったロータリーエンジン開発の中でモデルベース開発は始まった。筆者らが知る限り,自動車業界としては世界でも最も早い時期であったと思う。当時,ロータリーの制御は他のエンジンの3倍のプログラムサイズであり,アルゴリズムは破格の複雑さをもつ規模であった。当時は,言語もツールもプラントモデルもすべて自前開発であった。50種ほどの関数の組合せだけで,自由にエンジン制御を設計検証開発できる環境を構築した。当時としては高度なアクティブ制御を,開発着手からキャリブレーションの終了まで,半年かかるのがあたりまえのところを,1週間でやりきったことで関係者を驚かせた。

以上述べたいずれの事例にも共通点がある。世界中でだれも助けてくれない,普通のやり方では生き残れない,自分たちで革新しなければ滅亡する,という危機感の中からモデルベース開発による革新は生まれてきた。世界中の他の成功事例をひもといても,複雑で高度な開発であればあるほど,モデルベース開発はその威力を発揮してきたといえるであろう。例えば,月面着陸したアポロプロジェクトが有名であるが,文字どおり彼らは,一度も月での実機検証をすることなく,その偉業を達成させたのである。モデルベース開発の発展の歴史は,宇宙航空分野から始まり,自動車分野に広がってきた。そして現在では,さらに多くの工業分野に展開されつつある。いずれも,複雑な開発の解決策として広がってきた。本書は,広島大学の山本透教授に編集者となっていただき,新しい定義でのモデルベース開発の入門書としてまとめたものである。本書が,将来のさらに高度で複雑な開発に挑戦されるであろう方々の一助となればありがたい。

2018年3月 マツダ株式会社統合制御システム開発本部長 原田靖裕


まえがき
製品に対する顧客のニーズは,年々,多様化・複雑化しており,企業はこれらの要求に迅速に応えなければならない現状にある。しかしながら,自動車などの複雑なシステムでは,最適なコンポーネントの組合せや,その調整パラメータが無数に存在し,実物を用いた設計や調整を行うには膨大な時間と費用が必要となっている。その一方で,国際的な開発競争の激化から,製造にかかるコストや時間をできる限り抑制しなければならない制約が課せられている。ところで,コンピュータ技術の急速な発展により,最近では複雑なシステムをコンピュータ上で実現し,机上でシステムの設計・検証を行うモデルベース開発(Model Based Development:MBD),の重要性が唱えられ,産業界では急速にその適用が進められようとしている。

このような背景において,国内ではJMAAB(Japan MBD Automotive Advisory Board)が創設され,MBDに関わる技術者のスキル基準の策定など,MBD の普及振興に精力的に取り組まれている。また,広島県においても,『ひろしま自動車産学官連携推進会議(「ひろ自連」と略称)』が2015年6月11日に創設され,「2030年産学官連携ビジョン」を掲げて活動を行っている。上記目標の達成にあたり,ひろ自連では,三つの委員会と四つの専門部会を設置し,相互連携を進めながら活動を行っている。専門部会の一つであるモデルベース開発専門部会では,先に述べたモデルベース開発力の基盤強化を目的として,マツダ株式会社と広島大学が中心となり,2016年に「MBD(モデルベース開発)基礎講座」が広島大学に設置された。この「MBD基礎講座」は,自動車産業を中心とした地域企業に対して,実践的な教育とエンジニアの育成の役割を担っている。また,2017年に「ひろしまディジタルイノベーションセンター(HDIC)」が創設され,自動車産業以外も含めた県内企業技術者に対するMBD研修などのサービスを通して,MBD の県内浸透に努められている。

本書は,この「MBD基礎講座」が中心として進めるMBD基礎研修における入門書としてまとめ上げたものであり,実習を中心とすることで,MBDを体験的に学習可能なものとなっている。本書は6章構成となっており,以下のように分担して執筆していただいた。
1章 原田靖裕,足立智彦,香川直己 2章 脇谷伸,沖俊任
3章 脇谷伸,山本透 4章 脇谷伸
5章 脇谷伸 6章 原田真悟,足立智彦
本書は,1章~3章の準備にあたる部分と,MBDの醍醐味となる4章~6章の二つの部分に分けられる。
1章では,「MBDとは何か?」について,MBDによる開発エピソードを交えながら,わかりやすくまとめている。
2章では,モデリング,シミュレーション,検証などモデルベース開発に必要不可欠となる開発ツールの操作方法を中心に解説している。
3章では,「モデルとは何か?」に始まり,微分方程式による物理モデリングについて,上述の開発ツールを用いた実習を通して詳述している。
4章では,「DCモータの制御システム」を題材として,MILS(Model–In–the–Loop Simulation)
の手順をわかりやすくまとめている。
これに連続する形で,5章において,HILS(Hardware–In–the–Loop Simulation)について解説している。HILSの学習にはHILシミュレータが必要とされているが,高価な機器であるため,なかなかそろえられない。このことがMBDの教育・研修が広く普及しにくい一因となっている。この問題に鑑み,筆者らは「学習用簡易HILシミュレータ」を開発し,これを用いた実習に基づいてHILSを説明している。なお,HILSで利用する「学習用簡易HILシミュレータ」と「DCモータの制御システム」については,下記サイトを参照されたい。また,同サイトでは各章で作成したプログラムの解答例も掲載しているので併せて参照されたい。
6章では,モデルと実システムとをつなぐキャリブレーションとしてMBC(Model–Based Calibration)の概略を紹介している。

最後に,文章校正等には広島大学助教の木下拓矢氏にご協力いただいた。さらに,マツダ株式会社の森重智年氏,村岡正氏,ならびに広島大学MBD基礎講座の前垣直美氏,小林精機製作所の小林隆氏には,本書の基盤となっているMBD基礎研修の円滑な実施・運営にご助力いただいた。また,出版に際してコロナ社の関係各位にはご尽力賜った。ここに記して謝意を表するとともに,本書発刊が,MBDの普及・振興の契機となることを切に願っている。

2018年3月 山本透

1. モデルベース開発(MBD)
1.1 自動車業界におけるMBD
 1.1.1 高度な開発を支えるMBD
 1.1.2 過去のMBDの総括
 1.1.3 MBDによるあらゆる産業の開発変革への取組み
 1.1.4 将来のMBD
1.2 大学におけるMBDの教育
 1.2.1 モデルを使ったものづくり
 1.2.2 これからの工学教育

2. MATLAB/Simulinkによるモデル構築
2.1 MATLAB/Simulinkの準備
2.2 まずは動かしてみよう
 2.2.1 フォルダの作成
 2.2.2 Simulinkの起動
 2.2.3 ブロックの配置・結合とシミュレーション
 2.2.4 Scopeブロックの入力数を増やそう
 2.2.5 mファイルと連携しよう
 2.2.6 MATLAB/Simulinkの実行の流れ
2.3 こんなときは?--MATLAB/Simulinkの機能を理解しよう--
 2.3.1 予約語(MATLAB)
 2.3.2 Scope画面のスタイル設定の変更(Simulink)
 2.3.3 Scope画面のコンフィギュレーションプロパティの変更(Simulink)
 2.3.4 可変・固定ステップサイズの選択(Simulink)
2.4 Stateflowの基礎
 2.4.1 Stateflow
 2.4.2 チャートの読み方
 2.4.3 チャートの動作実験
章末問題

3. 物理モデリングと解析の基礎
3.1 モデリングの基礎
 3.1.1 モデルとモデル化誤差
 3.1.2 ホワイトボックスモデリングとブラックボックスモデリング
 3.1.3 動的モデルと静的モデル
3.2 微分方程式と数値積分
 3.2.1 微分と積分
 3.2.2 微分・積分操作の物理的意味
 3.2.3 数値積分と微分方程式
3.3 物理モデリングに挑戦
 3.3.1 液位プロセスモデル(タンクシステム)
 3.3.2 RLC回路モデル(電気システム)
3.4 システムの平衡状態を考慮したモデリング
 3.4.1 マス・バネ・ダンパモデル
 3.4.2 熱収支モデル
3.5 ラプラス変換と伝達関数
 3.5.1 ラプラス変換の定義
 3.5.2 一次遅れ系
 3.5.3 伝達関数とステップ応答の関係
 3.5.4 二次遅れ系
 3.5.5 n次遅れ+微分系
3.6 より高度なモデリングのために
 3.6.1 アナロジーによるシステムの理解
 3.6.2 非線形モデリングと線形化
章末問題

4. MILS
4.1 V字開発プロセス
4.2 DCモータ制御システムを用いたMILSの実習
 4.2.1 DCモータ制御システム
 4.2.2 要件定義
 4.2.3 DCモータ制御システムの機能とブロック線図
 4.2.4 設計の手順
4.3 DCモータ・ディスクモデルの要素設計(プラントモデル)
 4.3.1 DCモータ・ディスクモデル
 4.3.2 センサモデル(タコジェネレータ)
 4.3.3 モータドライバモデルと電流センサ
 4.3.4 プラントモデル結合テスト
4.4 DCモータ・ディスクモデルの要素設計(コントローラモデル)
 4.4.1 A-D変換器
 4.4.2 パルス発生器
 4.4.3 アルゴリズムの設計1
 4.4.4 コントローラモデル結合テスト
 4.4.5 プラントモデルとコントローラモデルの結合テスト
 4.4.6 アルゴリズムの設計2(PID制御)
章末問題

5. HILS
5.1 HILSとHILシミュレータ
 5.1.1 HILSの目的
 5.1.2 HILシミュレータの要件
5.2 簡易HILシミュレータの構築
5.3 コントローラモデルの実装
5.4 HILSによる動作テストと制御実験
 5.4.1 HILSによるECUの動作テスト
 5.4.2 制御システムの製作と実験結果
章末問題

6. MBC
6.1 MBCのプロセス
 6.1.1 領域探索
 6.1.2 実験計画法(DOE)
 6.1.3 データ採取
 6.1.4 モデル化
 6.1.5 最適化
6.2 今後の課題

付録
A.1 RoTHのためのSimulink環境構築
A.2 RoTH機能を用いた動作テスト
A.3 Arduinoを用いたHILS環境構築
 A.3.1 Arduino
 A.3.2 簡易HILシミュレータ用シールド
 A.3.3 インタフェースの仕様決定

引用・参考文献
章末問題解答
索引

amazonレビュー

原田 靖裕(ハラダ ヤスヒロ)

足立 智彦(アダチ トモヒコ)

原田 真悟(ハラダ シンゴ)

「自動車技術」2018年6月号

☆「発刊によせて」より☆
 世間一般にモデルベース開発というと,制御開発のために使う「制御対象モデル」と「制御モデル」を使った設計検証手法を指すことになっている。しかし筆者らは,3D 形状データを用いたCAE モデルを含め,0 次元や1 次元の制御対象モデルも,制御モデルも· · · これらシミュレーションを用いた机上開発全般をモデルベース開発と呼びたいと,新しいモデルベースの定義を提唱してきた。究極の開発の姿から思い描くと,逆にこれらを区別して話すことは意味がなくなり,連続してつながる一つの技術やプロセスになるはずと考えるからである。本書では,この新しい定義でモデルベース開発という言葉を使っている。すなわち,開発対象のカラクリを数式としてモデル化できるレベルまで解明し,そのモデルを使って最適開発する技術の全般を,「モデルベース開発」と定義している。
 モデルベース開発というと,開発の効率化をイメージされる方々が多い。あるいは,開発の補助的な解析のようなものとイメージされる方々も多い。しかし,本書で伝えたいのは,その意味をはるかに超えて,これなしには開発が成立しない,使いこなせないと産業が衰退する,というくらいに切迫した産業革命の荒波が押し寄せているということである。本書はモデルベースに関わる方々への入門書ではあるが,その目的にとどまらず,ものづくりに携わっている多くの方々にぜひ一読いただき,これからの激動の時代の波を予知し,それに備える一助としていただきたい。
 ここで,本書の1 章において述べているが,開発エピソードの一部から,その予告編としてエッセンスだけを以下に紹介する。
【事例1:世界一の燃焼は,モデルベースを駆使したからこそ実現できた】
 当時,燃焼モデルは使い物にならず,どの企業も参考程度にしか利用していなかったのが実態であるが,資源が少ない会社であるからこそ,ここに真っ向勝負してモデル精度を上げてきた。ついには,モデルによる転写設計までが可能なレベルにまで精度が高まった。このモデルなしには世界一の燃焼は実現できなかった,といわれるほどの成果となった。このエピソードから,世界一の最適設計を世界で最初に成し遂げる価値こそが,モデルベース開発のやるべき役割の究極の姿であると,筆者らは伝えたい。
【事例2:自動車の制御系開発は,すでにモデルベース開発なしに成立しない】
 自動車の制御システムの規模は10 年で10 倍ずつの指数的スピードで増大しており,すでに実機ベース開発で可能な臨界点を超えている。本書の中で取り上げているが,モデルベースなしには3 か月かかる技術開発が1 日で可能な事例などは,その好例であろう。また,図面を出す前の仕様検証は,もはや人間では不可能なレベルの仕様書のページ数(きっと印刷すれば数万ページ)であり,モデルを使っていくらでも机上検証できる環境を備えなければ不可能な時代に突入している。そうやって仕様書の品質を高めたあとも,最終品質を高めるためのさらに膨大なキャリブレ―ション業務や総合車両評価業務が待ち構えており,まさに想像を超えたレベルでの激しい業務があたりまえとなっている。
【事例3:孤立孤高のロータリーエンジンの開発からモデルベース開発は始まった】
 1987 年,もう30 年も前,資源面で余力がなかったロータリーエンジン開発の中でモデルベース開発は始まった。筆者らが知る限り,自動車業界としては世界でも最も早い時期であったと思う。当時,ロータリーの制御は他のエンジンの3 倍のプログラムサイズであり,アルゴリズムは破格の複雑さをもつ規模であった。当時は,言語もツールもプラントモデルもすべて自前開発であった。50 種ほどの関数の組合せだけで,自由にエンジン制御を設計検証開発できる環境を構築した。当時としては高度なアクティブ制御を,開発着手からキャリブレーションの終了まで,半年かかるのがあたりまえのところを,1 週間でやりきったことで関係者を驚かせた。
 以上述べたいずれの事例にも共通点がある。世界中でだれも助けてくれない,普通のやり方では生き残れない,自分たちで革新しなければ滅亡する,という危機感の中からモデルベース開発による革新は生まれてきた。世界中の他の成功事例をひもといても,複雑で高度な開発であればあるほど,モデルベース開発はその威力を発揮してきたといえるであろう。例えば,月面着陸したアポロプロジェクトが有名であるが,文字どおり彼らは,一度も月での実機検証をすることなく,その偉業を達成させたのである。モデルベース開発の発展の歴史は,宇宙航空分野から始まり,自動車分野に広がってきた。そして現在では,さらに多くの工業分野に展開されつつある。いずれも,複雑な開発の解決策として広がってきた。本書は,広島大学の山本透教授に編集者となっていただき,新しい定義でのモデルベース開発の入門書としてまとめたものである。本書が,将来のさらに高度で複雑な開発に挑戦されるであろう方々の一助となればありがたい。

2018年3月
マツダ株式会社
統合制御システム開発本部長
原田靖裕