MATLAB/SimulinkやOpenModelicaなどを用いた1Dシステムモデル構築（その2）

皆さま、こんにちは。

IDAJの小川です。

モデルベース開発において、制御モデルはMATLAB/Simulinkモデルを作成し、プラントモデルは別のツールで作成したモデルを使用するというように、異なる1Dツールを用いてシステムモデルを構築するケースが少なくありません。IDAJは、マルチフィジックス・システムシミュレーションツール「GT-SUITE」を用いた1Dシステムモデル作成だけでなく、膨大なGT-SUITEモデル作成で培ったノウハウを応用し、MATLAB/SimulinkやAnsys Twin Builder、OpenModelicaなどを使用した1Dシステムモデルの作成を承ります。1Dシステムモデルの構築やツール連携でお困りのことがございましたら、是非、本サービスのご利用をご検討いただければと思います。

今回は以下の[サンプル]の3つ目をご紹介します。（[サンプル]の1と2はこちらをご覧ください。）

[適用状況]

• 制御システムモデルの構築にMATLAB/Simulinkを使用する
• 制御モデルの他、プラントモデルにもMATLAB/Simulinkを使用する
• 制御システムモデルの構築には、Modelica （物理モデリング言語）を使用する
• 所有しているツールが異なるため各ツールを連携する必要がある

 

[サンプル]

1. OpenModelicaによるDCモータ制御システムモデルの構築
2. PMSM（註1）制御システムモデルの構築（MATLAB/Simulink＋Modelica）
3. PMSMモデルのFMU（註2）連携（GT-SUITE・Ansys Twin Builder）
   （註1）PMSM：Permanent Magnet Synchronous Motor：永久磁石型同期モータ
   （註2）FMU：Functional Mockup Unitの略、FMI（Functional Mockup Interfaceの略でファイル交換の規格）に対応したファイルユニット

PMSMモデルのFMU連携（GT-SUITE・Ansys Twin Builder）

ツール連携の例として図15の構成を想定し、GT-SUITEとAnsys Twin BuilderのPMSMモデルをFMUに置き換えて比較しました。FMUはツールの仕様上、CSで行いました。

• GT-SUITEソルバー：Implicit-HHT（デフォルト設定）、最大ステップサイズ：Ts/2
• Ansys Twin Builderソルバー：SML→Adaptive Trapezoid-Euler（デフォルト設定）
• SML：Ansys Twin Builder標準のSimplorerモデル（以下 TWB-SML）

GT-SUITE（以下 GT）とAnsys Twin Builder（以下 TWB）には、PMSMモデルが用意されていますのでそれらを使用します。

 

以下の3つのモデルを作成して、開ループテストを実行しました。

(1)Simulink（PMSMモデル）＋TWB-Modelica（メカモデル）（図16）

(2)Simulink＋GT（PMSMモデル）＋TWB-Modelica（メカモデル）（図17）

(3)Simulink＋TWB-SML（PMSMモデル）＋TWB-Modelica（メカモデル）（図18）

 

[電源入力]

• 電圧（3相交流：振幅50V・10Hz）を、Simulink/GT/TWBの各PMSMモデルに入力

[クラッチ入力]

• メカモデルのクラッチで4[s]から0.1[s]でランプ状に最大値まで押付力を立ち上げる。押付力は、正規化された信号f_normalized[0-1]を与える。
• 各メカモデルのクラッチ前後の角速度W_L1、W_L2をプロットし、W_L1についての誤差を確認する。ここで、誤差の定義は、Simulinkをベースとして各モデル間の誤差（註4）とした。

[Simulinkソルバー]

• 固定ステップのode4(Runge-Kutta)
• サンプル時間は、1ms
• 各FMUのCSステップサイズ：サンプル時間に合わせる
• シミュレーション時間：1[s]

（註4）誤差[%]＝(Simulink–[GT or TWB])*100/Simulink（(最大値-最小値)の絶対値）

 

下図は、開ループテストのプロット結果です。Simulink-GT間、Simulink-TWB-SML間のいずれも±0.3%程度の誤差はありますが、プロットの結果はほぼ重なっており、PMSMモデルは置き換えが可能なモデルになっていると考えられます。

 

3つのツールを連携した制御システムモデルを使用した、Simulink Dashboardでのシミュレーション結果を示します。Dashboardでは、画面上で入力条件を変更しながらシミュレーションし、プロットを確認することができます。

• Simulink（制御モデル）＋GT（PMSMモデル）＋TWB-Modelica（メカモデル）
• 入力条件(1)：目標回転数（角速度）1,000～2,000[rpm]
• 入力条件(2)：正規化された信号f_normalized[0-1]のクラッチ押付力の最大値
• その他のシミュレーション条件：PMSMモデルのSimulinkと同じ

 

①目標回転数：1,200[rpm]、クラッチ押付力：0.4（クラッチ締結）

②目標回転数：1,200→2,000[rpm]、クラッチ押付力：0.4（クラッチ締結後に目標回転数変更ですべり発生）

③目標回転数：2,000[rpm]、クラッチ押付力：0.4→1（クラッチ動作後にクラッチ押付力変更でクラッチ締結）

④目標回転数：2,000[rpm]、クラッチ押付力：1（クラッチ締結）

 

2回にわたって、OpenModelicaによるDCモータ制御システムモデル構築例と、MATLAB/SimulinkベースのPMSM制御システムモデル構築例、加えてFMUによるMATLAB/Simulink・GT-SUITE・Ansys Twin Builderのツール連携例についてご紹介しました。これら以外にも、MATLAB/Simulinkベースのモデル構築やツール連携、Modelica・VHDL-AMSを用いた制御システムモデル構築、JAMBE(註5)ガイドラインモデルのアプリケーションモデルの開発、Modelica・VHDL-AMSのGT-SUITEモデルへの置き換え（双方向）なども承ります。

本稿の詳細のご説明をご希望される方、少しでも本サービスにご興味がおありの方がいらっしゃいましたら、どうぞお気軽に弊社までご相談ください。

(註5)JAMBE：MBD推進センター。IDAJは、JAMBEのパートナー会員です。

 

 

 

 

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