技術紹介

モデルベースデザインによる制御設計
石田修一 *1

Ishida Shuuichi

近年、制御システムは高機能化や大規模化が急速に進み、従来の開発手法では開発費用の増加、開発期間の拡大、および品質の確保が困難となった。対して顧客からは、開発期間の短縮やコストダウンへの強い要求がある。この現状を改善する方法として、モデルベースデザイン（MBD：Model-Based Design）が自動車分野、航空防衛分野など広い範囲の分野で製品開発に生かされてきている。本稿においてモデルベー
スデザインによる開発プロセスを紹介する。
キーワード：制御設計ツール、MATLAB/Simulink、LabVIEW

野を中心に製品開発プロセスにモデルベースデザ

1. はじめにインを適用する企業が増えている。

近年、制御装置開発は高機能化、大規模化に加本稿ではモデルベースデザインを紹介するが、え、顧客からは開発期間の短縮、コストの削減へまず従来の開発プロセスについて説明する。図 1の対応が求められている。これらの要求に対応すに制御システムにおける一般的な V 字開発プロる開発手法として近年、自動車分野、航空防衛分セスを示す。

図1*1：制御システム事業部

V 字プロセス

技師長—67—

IIC REVIEW/2015/10. No.54

従来の開発プロセスは、規定した要件定義を基基本設計、機能設計、詳細設計、各作業においてに設計プロセスで制御システムを機能単位に設計モデルシミュレーションを行い、設計結果の検証し制御装置を製作する。

を行うことにある。

次に検証プロセスで制御装置を用いて機能単位

よって、モデルベースデザインでは制御設計の検証作業を行い、設計した機能が要件定義に合ツールを用い、設計プロセスで制御対象となるプ致していることを確認する。この検証作業においラントと開発対象である制御装置をモデル化し、て確認された要件定義と機能の不整合は、図 1 にプラントモデルと制御装置モデルを接続して制御示す通り検証した機能の設計プロセスまで遡り検システムとしてのモデルを構築する。この制御シ討・修正を行う。以上のように従来の開発プロセ

ステムモデルで運用状態を想定した閉ループシスは、検証作業と検討・修正作業を繰り返し制御ミュレーションを繰り返し行うことで、検証プロシステムの品質を作り込む作業となる。この開発

セスの検証作業を設計プロセスの各作業と並行しプロセスを近年の高機能化、大規模化した制御シて行う。この結果、開発プロセスを通して適正なステムの開発に適用すると検証、検討・修正作業検証時間を確保できるようになり、「品質の向上」、の繰り返しが肥大し、開発期間と開発コストの増「後戻り作業の削減」により開発期間とコストの大や検証不足による品質低下が生じる結果とな削減を実現できる。

る。

モデルベースデザインを支援する制御設計ツー

この問題を解決する手法として、モデルベース

ルと主な提供メーカ 2 社を次に示す。

デザインによる製品開発プロセスが進んでいる。

・ Math Works 社の MATLAB/Simulink

図 2 にモデルベースデザイン（MBD：Model-・ National Instruments 社の LabVIEW

Based Design）による V 字プロセスを示す。

制御設計ツールは、機械、電力、電気、ロジッ

MBD ベース V 字プロセスと従来の V 字プロセクが混在したマルチドメインモデルの作成とシスで大きく異なる点は、設計プロセスを構成するミュレーションを支援するブロック線図作成環境

図2

MBD ベース V 字プロセス—68—とからなる。このツールには制御設計／解析機能

この要件定義から制御する信号は、プロペラ回とともに、自動コード生成機能（ANSI/ISO 準拠転数とプロペラ角度となる。
図 3 の推進システムモデルは、①入力トルクの C および C++ コードに対応）やデバッグ機能が提供されている。と負荷トルクからプロペラ回転数を演算する軸回転数演算ブロック、②プロペラ回転数とプロペラ2. マルチドメインモデルの作成

角度から推力と負荷トルクを求め、推力から空気我々の制御システム開発における制御対象は、抗力を差し引いて速力を演算する推力および速度モータやエンジンなどを動力源とした機械的な要演算ブロック、③入力トルクを発生させるガス素を制御する装置が多い。よって、モデルベース

タービンエンジンブロック、以上の 3 ブロックがデザインで作成するモデルは、制御対象の機械的制御対象モデルとなる。この 3 ブロックに開発対要素と、開発対象である制御装置の電気的要素が象となる制御装置のモデルを接続して、推進シス混在するマルチドメインモデルとなる。

テムモデルとなる。
図 4 に推進システムモデルを示す。

次に制御設計ツールに Math Works 社の MATLAB/

図 4 を構成する各ブロックを 2.1 項以降に示す。

Simulink を使用したプロペラ機の推進システムモ
デル（図 3 参照）を例にとり、モデルベースデザインの進め方を説明する。
この推進システムではガスタービンの出力トルクを、減速装置を介してプロペラ軸に入力しプロペラ回転数を得る。また、プロペラ回転数とプロペラ角度により推力を発生させ、速力を得るプラントである。このプラントを制御する制御装置の要件定義を次のように設定する。
・ スロットルの操作量に比例した速力を得る。
・ プロペラ回転速度の応答時間を短縮する。

図3

図4

推進システムモデル図

推進システム—69—

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2.1 軸回転数演算ブロック

すると式（4）となる。

エンジンからの入力トルクを減速機により増幅

プロペラ前進係数 J は、プロペラ回転数 Ns、プし、負荷トルクを差し引いてプロペラ回転数を演

ロペラ直径 Dp、大気速度 V により式（5）となる。

算する。
（1）

この運動方程式を式（1）に示す 。

(hn I1 +I 2 ) ddtw 2 = hnM d −M r
2h（4）V = VE - U

J=（1）

V
Ns D p（5）推力 T とトルク Q は、それぞれ空気密度 r、プ
ロペラ回転数 Ns、プロペラ直径 Dp とプロペラ性：減速機動力伝達効率能から求まるスラスト特性 KT、トルク特性 KQ に

1:n ：変速比
I1：減速装置入力端慣性モーメントより式（6）、式（7）となる。なお、スラスト特性

I2：減速装置出力端慣性モーメント

KT、トルク特性 KQ は、プロペラ前進係数 J とプw 2 ：出力軸角速度

ロペラ角度 b による非線形のプロペラ特性である。

Md ：入力トルク

T = KT  (J, b )rNs2Dp4（6）

Mr ：負荷トルク

Q = KQ (J, b )rNs2Dp5（7）

運動方程式をモデル化する場合、運動方程式を上記の式（3）～式（7）から推力および速度演高次の微分係数について整理して行う。上記運動算ブロックモデルを作成する。本項モデル図を図 6

方程式を整理した式を式（2）に、本項モデル図に示す。

を図 5 に示す。
dw 2 hnM d − Mr=dt
hn 2 I 1 + I 2

（2）

図6

速度演算ブロック図2.3 エンジンブロック
図5

回転数演算ブロック図

エンジンブロックは、ガスタービン本体と燃料流量を制御する燃料計量弁からなる。燃料計量弁

2.2 推力および速度演算ブロック

は、制御装置から入力された出力指令に比例する

空気抗力 D は、空気抗力係数 Cd、空気密度 r、ガスゼネレータ回転数に合わせて燃料流量をガス

主翼の面積を S とすると式（3）となる。
D = 1/2Cd rV 2Sタービンに出力する。ガスタービンは、入力され（3）た燃料流量からトルクとエンジン諸元を演算し出力する。図 7 に本項モデル図を示す。

大気速度 V は、対地速度 VE、追い風速度 U と—70—

図7

図8

エンジンブロック

2.4 制御装置ブロック

制御装置ブロック

機種ごとに異なるアプリケーション部として可変制御装置ブロックは、ハードウェアである入出性を高め設計する。

力信号変換器とソフトウェアである制御ロジック

3. シミュレーション作業で構成される。ハードウェアである入出力信号変換器は、既存基板を使用することが多く、一度モ次に、開発プロセスにおいて実施する主なシデル化すると、同様の制御装置を開発する場合にミュレーション作業を示す。

プラットフォームモデルとして流用できる。
3.1 ソフトウェア・イン・ザ・ループ

制御ロジックのモデル設計においても流用を考慮した機能分析により共通部を抽出し、モデルの（SILS：Software In the Loop Simulation）プラットフォーム化を図ることが重要である。

この作業は、設計プロセスで行うシミュレー

この推進システムの制御ロジックを構成するションで、作成した推進システムモデル（図 4 参

ブ ロ ッ ク は、 プ ロ ペ ラ 回 転 数 を 制 御 す る PID照）を使用してコンピュータ上で実運用を想定し（Proportional-Integral-Derivative）制御ブロック、プた閉ループシミュレーションを繰り返すことになロペラ角度と角速度を制御するプロペラ角度制御る。この作業は、コンピュータの仮想空間を使っブロック、操縦モードを選択するシーケンス制御て実施することから、ソフトウェア・イン・ザ・ブロックの 3 つに機能分解すると良い。

ループシミュレーション、 通称シルズ（SILS：

なお、プロペラ回転数を制御する PID 制御部は、Software In the Loop Simulation）と呼ばれる。

回転数のオーバーシュートを防止するアンチワイ

シミュレーションでは、主要な制御機能を設計ンドアップ制御を適用する必要がある。

するたびに行い、機能が要件定義に合致している

図 8 に本項ブロック図を示す。

ことを確認し、不適合点を修正しロジックに反映

ここでモデルのプラットフォーム化を考えるしてゆく。と、プロペラ回転数のアンチワインドアップ PID

図 9 に SILS によりアンチワインドアップ PID制御部、およびプロペラ制御部をプラットフォー制御部の構造を調整し、プロペラ回転数の応答性ムとして、流用性を上げた汎用モデルとして設計を改善させた結果をグラフで示す。

する。エンジン馬力／回転速度、プロペラ角度／

上記のとおり、設計プロセスにおいて SILS を

速 力 指 令 ス ケ ジ ュ ー ル と PID 制 御 定 数 な ど は、繰り返すことにより設計と平行して検証が行える

—

71

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図9

SILS による調整データため、検証プロセスの期間短縮と検証時間の最適深く関与していた。

化が可能となり品質の向上が図れる。

当時、SILS 環境はなく、設計した制御ロジッ
クとプラントモデルは HILS の作業に入って初め

3.2 ハードウェア・イン・ザ・ループて組み合わせるために、プログラムチェック、お（HILS：Hardware In the Loop Simulation）

よび制御ロジックの検証作業に膨大な時間を必要

この作業は、検証プロセスで行うシミュレーとしたことを覚えている。

ションで実機の制御装置を使用して行う。実際の当事業部では平成 11 年頃からモデルベースデ制御装置とシミュレータを組み合わせてシミュザインに取り組み、制御アルゴリズムの設計に加レーションすることから、ハードウェア・イン・え、主制御装置や HILS シミュレータなどを自社ザ・ループシミュレーション、通称ヒルズ（HILS：開発し IHI の製品開発に供している。
図 10 に HILS シミュレータ用の基板を示す。

Hardware In the Loop Simulation）と呼ぶ。
SILS で使用したプラントモデルをシミュレータに搭載し、制御ロジックを搭載した実際の制御装置と組み合わせて実際の運用に即した操作を行うことにより、開発対象である制御装置が要件定義を満たしていることを確認する作業である。モ
デルベースデザインにおいて、HILS の段階で設計プロセスまで遡って修正される機能は最小に管理される。
従来の開発においても、HILS は検証プロセスにおいて実施されていた。IHI は 1990 年頃の舶
用ガスタービンの操縦装置開発において HILS を図 10利用した検証作業を行い、当事業部もこの作業に—

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シミュレータ用基板

ハードウェア仕様モデルのみを作成し開発の経緯を残していない。”

・ CPU

SH4

“設計プロセスの機能分析が不十分なままプラッ・ ネットワーク

100BASE-TX × 2 ポート

トフォーム化が行えない複雑なモデルを構築する。
”

・ シリアルポート RS422 × 1CH

その結果、保守性が悪く機能追加、変更およびRS485 × 2CH他機種への機能流用などが困難となる問題が発生している。

4. まとめ

これを解決するには、要件定義の“目的”“要求”

以上のようにモデルベースデザインでは、プラン“手段”に分けた文書化と制御装置の十分な機能

トモデルと制御装置モデルを設計プロセスで作成分析によるプラットフォーム化が重要であるが、し、SILS を通じて制御システムとしての検証を十未だ十分とは言えない。今後、要件定義のフォー分に行うことによって検証プロセスの繰り返し作業マット化を含め取り組む課題は多い。

を削減できる。また、制御設計ツールのオートコー

また、最近、制御設計ツールは、FPGA（Field

ド機能を活用することによってヒューマンエラーのProgrammable Gate Array）やSoC（System-on- a-chip）排除、プログラミング工数の削減も合わせて行える。

といった新たなロジックデバイスの開発環境、画設計プロセスの SILS から検証プロセスの HILS

像処理アルゴリズム開発環境などを提供してきてまでの開発プロセス全体を通して開発チームが同いる。

じモデルを使用することで、開発チームのコミュ今後は新たな事業分野を考えるためにも、新たニケーションが向上し、作業の効率化が図れるこな開発環境の情報収集や分析にも取り組んで行くとから製品品質の向上も図れる。

必要がある。

ただし、モデルベースデザインにおいても次の参考文献

問題点がある。

（1） 日本機械学会編 機械工学便覧“モデルシミュレーションを重視するあまり、制御システム事業部技師長

石田 修一
TEL. 042-523-8313
FAX. 042-523-8320—73—

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