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DS

_Doc

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t_20

12

複合領域物理モデリングMODELICAと関連技術動向

ISIT 第13回カーエレクトロニクス研究会

ダッソーシステムズ株式会社

CATIA事業部

岡部 英幸

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2012

１ 物理モデリング言語MODELICAの紹介

２ 1D シミュレーションツール DYMOLA

３ 欧州におけるMODELICAの動向

４ モデル流通に向けて：FMI

５ MODELICAのさらなる展開

アジェンダ

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2012

モデルベース開発のシナリオ

Plant Model Plant

Controller Model Controller

HILS MILS

E/E Chassis PT PT Chassis E/E

Plant test

Statistic model 1D model 3D model

Model tuning

Validation

Virtual World Real World

SILS

Calibration

①

② ③ ④

Embedded Software Embedded Software

⑥

Calibration

Packaging ⑤

Planning Concept Detail

Rapid Prototype

MILS

SILS HILS

Packaging

Plant test ①

② ③ ④

⑥

⑤

MILS : Model In the Loop Simulation

SILS : Software In the Loop Simulation

HILS : Hardware In the Loop Simulation

Testing for Validation

Combination matrix = [Virtual or Real] x [Controller + plant]

Chassis PT E/E PT Chassis E/E

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2012

Modelicaの目標

技術システムの複雑度の増大

機械、電気、熱、油圧、空気圧、流体、制御、など多岐分野に渡る技術システムの動的挙動(Dynamic behavior)をモデル化

微分、代数、離散方程式で表現できる現象

直感的・効率的な手法でモデル構築

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2012

Modelica言語の特徴

オープンなモデリング言語

微分、代数、離散方程式

宣言的数式

非因果律モデル作成が可能

オブジェクト指向（クラス、インスタンス、継承…）

部品モデル

;3)(4)der(;)3)(der(4

1 22 axxaxx

pre(u);1u ; ; baxxex x

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2012

非因果律＆ブロック線図

n*km

emf2

n*km

emf1e

1/(Jl+Jm*n^2)

T2wdotSum

Step

Ra

Resistor

PID

PI

s

1

Inertia

1/La

Inductor

s

1

I

1/(Jl + Jm*n^2)

phi = flange_b.phi; w = der(phi); a = der(w); flange_a.phi = flange_b.phi; J*a = flange_a.tau + flange_b.tau;

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2012

Modelica Model定義 model ModelName

<Type> <variable>;

parameter <Type> variable[=value];

equation

// equations involving variables

end ModelName;

model SimplePendulum

Real theta;

Real omega(start=1);

parameter Real g = 9.81;

parameter Real L = 1;

equation

der(omega) = -(g/L)*sin(theta);

der(theta) = omega;

end SimplePendulum;

sinL

g

大文字の頭文字 時変数 シミュレーション中固定

キーワード

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2012

結線図Schematics

Electrical connector

(電圧、電流)

Rotational connector

(角度、トルク)

電-機変換

component

Connection set

インターアクション

Interactions

コネクタ

Connectors

コンポーネント

Components

接続

Connections

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2012

コネクタ Connectors

Electrical connector

(電圧、電流) インターアクション

Interactions

コネクタ

Connectors

コンポーネント

Components

接続

Connections

Through (通過)変数 接頭辞flow

符号

Across (横断)変数

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コンポーネント Components

インターアクション

Interactions

コネクタ

Connectors

コンポーネント

Components

接続

Connections

電-機変換

component

左辺と右辺は両方が式です

保存物理量

経験式、構成関係式

数式の数

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2012

接続 Connections

Connection set

インターアクション

Interactions

コネクタ

Connectors

コンポーネント

Components

接続

Connections

電流値の総和をゼロに設定

等しい電圧値に設定

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方程式Equations

0..

)]..()..([*...

0....

.....*)..(

0....

.....*..

0....

)(..

0....

vnground

vncapacitordervpcapacitorderCcapacitoripcapacitor

incapacitoripcapacitor

vnindustorvpinductorLinductoripinductorder

ininductoripinductor

vnresistorvpresistorRresistoripresistor

inresistoripresistor

tfipstep

instepipstep

0........

....

....

....

0..........

....

....

....

....

ipcapacitoripinductoripresistoripstep

vpcapacitorvpinductor

vpinductorvpresistor

vpresistorvpstep

ingroundincapacitorininductorinresistorinstep

vngroundvncapacitor

vncapacitorvninductor

vninductorvnresistor

vnresistorvnstep

Through 変数 (足算する)

Across 変数 (等しくする)

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2012

継承Inheritance

model Resistor

ElectricalPin p, n;

parameter Modelica.SIunits.Resistance R;

equation

p.i + n.i = 0 “電荷保存則”;

p.i*R = (p.v-n.v) “オームの法則”;

end Resistor;

model Inductor

ElectricalPin p, n;

parameter Modelica.SIunits.Inductance L;

equation

p.i + n.i = 0 “電荷保存則”;

der(p.i)*L = (p.v-n.v) “ファラデーの電磁誘導法則”;

end Resistor;

Resistor

v=i*R

TwoPin

(p,n,v,i)

p.i+n.i=0

Inductor

der(i)*L=v

TwoPin

(p,n,v,i)

p.i+n.i=0

TwoPin

(p,n,v,i)

p.i+n.i=0

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model C

replaceable GreenModel comp1(p1=5);

replaceable YellowModel comp2;

replaceable GreenModel comp3;

connect(…);

end C;

Modelica: replacable置換可能要素 model C

GreenModel comp1(p1=5);

YellowModel comp2;

GreenModel comp3;

connect(…);

end C;

model C2

RedModel comp1(p1=5);

GreenModel comp2;

GreenModel comp3;

connect(…);

end C2;

model C2 =

C(redeclare RedModel comp1,

redeclare GreenModel comp2);

model C3 =

C(redeclare RedModel comp1,

redeclare RedModel comp2);

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１ 物理モデリング言語MODELICAの紹介

２ 1D シミュレーションツール DYMOLA

３ 欧州におけるMODELICAの動向

４ モデル流通に向けて：FMI

５ MODELICAのさらなる展開

アジェンダ

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Dymola でのModelicaモデルの扱い方 グラフィカル・エディタ テキスト・エディタ

数式処理

数値処理

Flat Modelica

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１ 物理モデリング言語MODELICAの紹介

２ 1D シミュレーションツール DYMOLA

３ 欧州におけるMODELICAの動向

４ モデル流通に向けて：FMI

５ MODELICAのさらなる展開

アジェンダ

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Modelica協会(2000年設立)は欧州を拠点とし、物理(挙動)モデリング言語(Modelica)

開発と無償ライブラリーの提供を通じて、複数の分野が混在する(機械･電気･熱･流

体･制御など)の物理シミュレーションの普及を目的にする非営利団体です。

Modelica(モデリカ)協会について

Modelica

https://modelica.org/

特徴 ドメインフリー : 特定の業種や業界に依存せず、シ

ミュレーションを必要とするあらゆる分野に適応する

ことを目的に掲げています。

ベンダーフリー : 特定ソフトウェアベンダーの製品や

技術に依存しません。

コードオープン : 協会の成果物は、ソースコード

(Modelica)を含め公開されています。

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2012

現在３つのプロジェクトが進んでいます。

Modelica協会のプロジェクトについて

Modelica

Modelica言語開発

プロジェクト

ライブラリー開発

プロジェクト

ＦＭＩ開発

プロジェクト

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１ 物理モデリング言語MODELICAの紹介

２ 1D シミュレーションツール DYMOLA

３ 欧州におけるMODELICAの動向

４ モデル流通に向けて：FMI

５ MODELICAのさらなる展開

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FMI とは モデル交換

連成シミュレーション

FMIを実装したコンポーネントをFMU（Functional Mockup Unit）と呼びます

FMUに含まれるもの

インタフェースの記述 (XML ファイル)

処理に関する部分 (C ソース／バイナリ)

FMU はXMLやCコードを含むZIP圧縮形式 (*.fmu) で配布されます。

その他のデータや機能を追加することもできます。

Tool

Solver

FMU

Model

Tool

FMU

Model

Solver

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ユースケース

FMI モデル交換

Step 1 – 吐き出し：サブシステムのモデル（FMU)をSimulation tool2 から生成

Step 2 – 取り込み：サブシステムのモデルをSimulation Tool 1に読み込みシミュレーションを実施

概要：

User Interface

Sub-system 1

Simulation Tool 1

Solver Tool 1

Sub-system 2

.fmu

Sub-system 2

User Interface

Simulation Tool 2

Solver Tool 2

Sub-system 2

.fmu

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ユースケース

FMI 連成シミュレーション

Step 1 – 吐き出し：サブシステムのモデル（FMU)をSimulation tool2 から生成

ソルバーを含む

連成シミュレーションに必要な関数を追加

Step 2 –取り込み：サブシステムのモデルをSimulation Tool 1に読み込みシミュレーションを実施

概要：

Sub-system 2

User Interface

Simulation Tool 2

Solver Tool 2

Solver Tool 2

Sub-system 2

.fmu

User Interface

Sub-system 1

Simulation Tool 1

Solver Tool 1

Solver Tool 2

Sub-system 2

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2012

https://www.fmi-standard.org/tools 42 tools as of 2013.02.28

産業界（とくに自動車業界）でも積極的な採用・取り組みの動き

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１ 物理モデリング言語MODELICAの紹介

２ 1D シミュレーションツール DYMOLA

３ 欧州におけるMODELICAの動向

４ モデル流通に向けて：FMI

５ MODELICAのさらなる展開

アジェンダ

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システム・エンジニアリングと開発のV字

実験・確認

論理展開(L)

要求(R)

機能(F)

論理展開(L)

評価

統合

テスト

機能(F)

要求(R)

評価

統合

開発タスクの展開

物理設計(P)

デジタル 実機

RFLP モデルベース開発 •要求の実現を保証する •機能によるモジュール化

システムの展開

エレキ ソフト メカ

全体検討

領域検討

機能モックアップ •実機検証を減らす （デジタル検証を増やす） •領域（メカ・エレ・ソフト）の統合を事前に検証

システム

サブ・ システム

コンポーネント

車両

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Logical

論理（構想）

システム構成

どういう手段を使うか

RFLPによるタスクのモデル化 Physical

物理（詳細）

実装

どうやって実現するか

Function

機能

定量化した働き

何をするのか

記述

何を満たすべきか

Requirements

要求

実装（詳細設計）の構造

シリンダブロック

ウォータージャケット [1,10]

[11,[

要求の構造

NVH yy

燃費 xx 以上

機能の構造

出力・トルクを生成する

冷却する

論理（技術手段）の構造

シリンダ・ヘッド

ブロック

ウォータージャケット

開発の流れ

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機能（ファンクショナル）・モックアップ

MiLs (Model-in-the-Loop Simulation): メカ・エレ・ソフト連携

FMIを通じて，他社製品とも連成シミュレーションが可能に

ダッソーシステムズ製品 他社製品

弾性体空調

車両運動油圧 空気圧

パワートレイン

Dymola

※2011.02現在

...etc.

FMI (Functional Mockup Interface) : オープン・シミュレーション・プラットフォーム

制御モデル コントローラH/W

1D モデル （MODELICA:システムの挙動） ３D モデル

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事例１：ハイブリッド車開発への適用

要求・機能モデル

車両アーキテクチャのレビュー

挙動モデルの変更と検証

挙動モデルのパラメータを変更し、システムが正しく動作することを検証

形状を更新

挙動モデルの変更に応じて、詳細形状を変更

解析モデルを更新

3Dモデルと連携したシミュレーションモデル(FEM)の更新 4

1

2

3

シナリオ：ある走行モードでのSOC(State of Charge) に対するモータのサイズの影響を見る

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事例２：フルビークル シミュレーション

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まとめ MODELICA言語は、非因果的モデリング・物理複合領域のサポート・再利用性などにより、広く使われつつある

Dymolaは、MODELICAモデリングおよびシミュレーション環境として多くの実績を重ねてきた

特に欧州ではMODELICAを広める動きが盛んで、ライブラリ開発やモデル交換・連成シミュレーションのためのインタフェース定義（FMI）という形で結実しつつある

開発のV字（システム・エンジニアリング）における位置づけ

RFLP モデルベース開発

機能モックアップ

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