JP6225542B2 - 連携シミュレーション装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数のシミュレーション対象のソフトウエアモデルを連携動作させてシミュレーションを行う連携シミュレーション装置に関する。

従来、マイコンにより力学系や電気系を制御するマイコンシステムの開発では、マイコンを搭載する制御基板や制御対象の力学系や電気系（たとえば、汎用インバータ、モータや、これで駆動されるクレーンなど、場合によってはそのミニチュアモデルなど）のハードウエアモデルを製作するとともに、マイコン上で動作する制御ソフトウエアを製作し、制御ソフトウエアを単体で試験した後、制御基板に搭載されたマイコンにこの制御ソフトウエアを実行させることにより、マイコンと制御対象の力学系や電気系のハードウエアモデルと組み合わせて試験を実施していた。

しかし、このような方法においては、ハードウエアモデルの製作工程が、制御ソフトウエアの試験工程に影響を与えるという問題点があった。また、実際の制御対象の力学系や電気系では再現が難しいような異常条件などでハードウエアモデルの試験をすることが困難であるという問題点もあった。さらに、ソフトウエアの軽微な変更に対応するためにも、試験用の設備として制御対象の力学系や電気系のハードウエアモデルを保持しておく必要があり、維持にかかるコストが増大するという問題点もあった。

そこで、これらのソフトウエアの試験に関わる問題点を解決する方法として、マイコンシステムのソフトウエアモデルと制御対象の力学系や電気系のソフトウエアモデルを製作し、両ソフトウエアモデルをコンピュータ上で連携動作させる連携シミュレーション装置が各種提案されている。

この種の連携シミュレーション装置では、マイコンシステムを模擬するソフトウエアモデルと、制御対象の力学系や電気系を模擬するソフトウエアモデルを連携動作させ、ソフトウエアモデル間でデータや時刻を同期させながら動作させる技術が用いられている。このような場合には、現実的な時間でシミュレーションを実行するためには、各ソフトウエアモデルを動作させるシミュレータの実行効率を良くする必要がある。

そこで、特許文献１では、組込みソフトウエアを含む製品の設計および開発を支援するための連携統括シミュレーションシステムにおいて、シミュレータからの要求に応じてシミュレータ間の時刻の管理を行うことにより、各シミュレータの実行効率および機能を確保して各シミュレータを同期させる技術が開示されている。

また、特許文献２では、シミュレータ間の不要な同期処理を削減することにより、シミュレーション速度の向上を図り、効率よく実行できるハードウエア／ソフトウエア協調シミュレータの技術が開示されている。

特開２００６−３５０５４９号公報 特開２００１−２９０８６０号公報

ところで、制御対象の力学系や電気系を制御するマイコンシステムの機能の中には、マイコンシステムの設定変更など、制御対象の力学系や電気系とは関係なく、マイコンシステム単独で動作すれば十分な機能が含まれる。しかし、従来技術においては、これらの機能についても同様にマイコンシステムのソフトウエアモデルと制御対象の力学系や電気系のソフトウエアモデルを連携動作させてシミュレーションを実行しており、必ずしも必要でない制御対象のソフトウエアモデルのシミュレーション処理を実行することとなって、シミュレータとしての実行効率が低下するという問題を生じていた。

この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、不要なシミュレーション処理を省略し、シミュレータ全体としてのシミュレーション効率の向上を図ることのできる連携シミュレーション装置を提供することを目的とする。

この発明は、複数のソフトウエアモデルを相互に連携させて各々動作させる複数のシミュレーション実行部と、前記複数のシミュレーション実行部による前記複数のソフトウエアモデルのシミュレーション実行／実行停止を個々に制御する時間管理手段とを具備することを特徴とする連携シミュレーション装置を提供する。

この発明によれば、複数のシミュレーション実行部を個々に起動または停止することができるので、不要なシミュレーション実行部の動作を避け、シミュレータ全体としてのシミュレーション効率の向上を図ることができる。

この発明の一実施形態である連携シミュレーション装置の構成を示すブロック図である。 同連携シミュレーション装置の機能構成を示すブロック図である。 同連携シミュレーション装置の操作入力部により提供するユーザインタフェースの例を示す図である。 同操作入力部により提供するユーザインタフェースの他の例を示す図である。 同連携シミュレーション装置の動作例を示すフローチャートである。 同連携シミュレーション装置の動作環境の一例であるパーソナルコンピュータの構成例を示すブロック図である。

以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態である連携シミュレーション装置１００の構成を示すブロック図である。図１において、連携シミュレーション装置１００は、力学系／電気系シミュレータ２００およびマイコンシステムシミュレータ３００によって構成されている。

マイコンシステムシミュレータ３００は、プログラム３１２を実行するＣＰＵコアモデル３１１のほか、マイコンシステムの一部を構成する通信デバイスモデル３１３や、Ａ／Ｄ変換器モデル３１４、タイマモデル３１５などの周辺（ペリフェラル）デバイスのソフトウエアモデルを有している。マイコンシステムシミュレータ３００は、時間管理部３２０によるシミュレーション時刻の管理の下、これらのソフトウエアモデルを動作させる。

力学系／電気系シミュレータ２００は、デバイス模擬部分２１１と回路模擬部分２１０とを有する。この例では、デバイス模擬部分２１１は、マイコンシステムの周辺デバイスに対応する通信デバイスモデル２１２、センサモデル２１３、駆動信号出力モデル２１４、ユーザインタフェースモデル２１５の各ソフトウエアモデルにより構成されている。また、回路模擬部分２１０は、モータモデル２１７およびインバータモデル２１８の各ソフトウエアモデルにより構成されている。力学系／電気系シミュレータ２００は、時間管理部２２０により、デバイス模擬部分２１１と回路模擬部分２１０の各々のシミュレーション時刻の進行を分割して管理し、各ソフトウエアモデルを動作させる。

操作入力部４００からは、ユーザが模擬対象の装置の起動・停止などの指示を入力することができる。ここで、模擬対象の装置とは、例えば回路模擬部分２１０が模擬しているモータやインバータのことである。

図１に示す例では、制御対象のインバータとモータをマイコンシステムが制御するシステムを模擬している。ここで、回路模擬部分２１０に含まれるインバータモデル２１８やモータモデル２１７のシミュレーションを行うには、微分方程式を用いた回路方程式を解くことになる。この回路模擬部分２１０は高い演算精度が求められるため、シミュレーションに要する時間の支配的要素になることが多い。

一方、デバイス模擬部分２１１に含まれる通信デバイスモデル２１２、センサモデル２１３、駆動信号出力モデル２１４は、シミュレータ間の通信を利用して、マイコンシステムシミュレータ３００の通信デバイスモデル３１３、Ａ／Ｄ変換器モデル３１４、タイマモデル３１５と情報のやり取りを行う。この部分は論理演算が中心となるため、比較的シミュレーションに要する時間は少なくて済むことが多い。

マイコンシステムシミュレータ３００側では、ＣＰＵコアモデル３１１がプログラム３１２を実行することにより、通信デバイスモデル３１３、Ａ／Ｄ変換器モデル３１４、タイマモデル３１５の各モデルとやり取りする情報を受信・生成して所定の制御動作を実行する。

そして、本実施形態では、このマイコンシステムシミュレータ３００をバックグラウンドで動作させ、その上で、力学系／電気系シミュレータ２００を起動して、シミュレータ間での通信を確立させる。そして、ユーザインタフェースモデル２１５を介して操作入力部４００から装置の起動指令などを受け取り、ＣＰＵコアモデル３１１に伝達する。ＣＰＵコアモデル３１１は、このようにして与えられる指令に従って、模擬対象である装置の制御を行う。

図２は本実施形態による連携シミュレーション装置の機能構成を示すブロック図である。シミュレーション実行部３１０Ｍは、時間管理部３２０による時間管理の下、図１におけるＣＰＵコア３１１、プログラム３１２、通信部３１３、Ａ／Ｄ変換器３１４、タイマ３１５を動作させる演算処理を実行する手段である。シミュレーション実行部２１１Ｍは、時間管理部２２０による時間管理の下、図１におけるデバイス模擬部分２１１を動作させる手段である。シミュレーション実行部２１０Ｍは、時間管理部２２０による時間管理の下、図１における回路模擬部分２１０を動作させる手段である。

シミュレーション実行部３１０Ｍは、模擬対象であるマイコンシステムの状態を示す情報を格納する状態テーブル３１０Ｔと、その状態テーブル３１０Ｔに基づき、マイコンシステムが遷移すべき状態を演算し、演算結果に基づき状態テーブル３１０Ｔを更新する状態更新演算部３１０Ｕとにより構成されている。同様に、シミュレーション実行部２１１Ｍは、状態テーブル２１１Ｔおよび状態更新演算部２１１Ｕにより構成されており、シミュレーション実行部２１０Ｍは、状態テーブル２１０Ｔおよび状態更新演算部２１０Ｕにより構成されている。

時間管理部３２０は、例えばＣＰＵコアモデル３１１のクロック周期に相当する時間単位でマイコンシステムのモデルのシミュレーション時刻を進めつつ、１時間単位毎にシミュレーション実行部３１０Ｍの状態更新演算部３１０Ｕに状態更新のための演算処理を指示する。

時間管理部２２０は、所定の時間単位でシミュレーション時刻を進めつつ、１時間単位毎にシミュレーション実行部２１１Ｍの状態更新演算部２１１Ｕに状態更新のための演算処理を指示する。

この例では、操作入力部４００の出力信号がデバイス模擬部分２１１に与えられる。従って、シミュレーション実行部２１１Ｍの状態更新演算部２１１Ｕは、同シミュレーション実行部２１１Ｍの状態テーブルの内容に加えて、操作入力部４００の出力信号を参照し、デバイス模擬部分２１１の模擬対象の遷移先の状態を演算する。

時間管理部２２０は、シミュレーション実行部２１１Ｍに加えて、シミュレーション実行部２１０Ｍの時間管理を行う。ここで、シミュレーション実行部２１０Ｍの処理対象である回路模擬部分２１０は、上述したように、シミュレーションにおいて微分方程式の演算を行うため、高い時間精度でシミュレーション演算を実行する必要がある。そこで、時間管理部２２０は、シミュレーション実行部２１１Ｍよりも短い時間単位をシミュレーション実行部２１０Ｍの時間単位とし、１時間単位毎にシミュレーション実行部２１０Ｍの状態更新演算部２１０Ｕに状態更新のための演算処理を指示する。

以上のように、シミュレーション実行部３１０Ｍ、２１１Ｍ、２１０Ｍは、一般的に互いに異なる時間単位で、ソフトウエアモデルの模擬対象の状態更新のための演算を繰り返す。ここで、シミュレーション実行部３１０Ｍ、２１１Ｍ、２１０Ｍの処理対象である各ソフトウエアモデルは、相互に情報の授受を行う。従って、各シミュレーション実行部３１０Ｍ、２１１Ｍ、２１０Ｍの状態テーブルの一部の内容を他のシミュレーション実行部の状態テーブルに反映させることが必要になる場合がある。例えばシミュレーション実行部３１０Ｍの状態テーブル３１０Ｔが示す特定のノードＮａの状態がある特定の時刻ｔａにおいて変化したとする。また、このノードＮａが例えばシミュレーション実行部２１１Ｍのソフトウエアモデルの模擬対象のノードＮｂに接続されていたとする。この場合、時刻ｔａにおいて、ノードＮａの状態の変化に合わせて、状態テーブル２１１Ｔが示すノードＮｂの状態を更新する処理をシミュレーション実行部２１１Ｍの状態更新演算部２１１Ｕに実行させる必要がある。そのため、本実施形態では、情報引き渡し部５１０が設けられている。

情報引き渡し部５１０は、シミュレーション実行部３１０Ｍの状態テーブル３１０Ｔが示す状態の一部をシミュレーション実行部２１１Ｍの状態テーブル２１１Ｔに反映させる必要がある場合に、その状態をその発生時刻とともに取り込んで保持する。そして、時間管理部２２０の管理するシミュレーション実行部２１１Ｍの時刻がその発生時刻になったとき、情報引き渡し部５１０は、当該状態をシミュレーション実行部２１１Ｍの状態更新演算部２１１Ｕに引き渡し、状態テーブル２１１Ｔに反映させる。

情報引き渡し部５１０は、シミュレーション実行部２１１Ｍの状態テーブル２１１Ｔが示す状態の一部をシミュレーション実行部３１０Ｍの状態テーブル３１０Ｔに反映させる必要がある場合に、その状態をその発生時刻とともに取り込んで保持する。そして、時間管理部３２０の管理するシミュレーション実行部３１０Ｍの時刻がその発生時刻になったとき、情報引き渡し部５１０は、当該状態をシミュレーション実行部３１０Ｍの状態更新演算部３１０Ｕに引き渡し、状態テーブル３１０Ｔに反映させる。

また、シミュレーション実行部２１１Ｍおよび２１０Ｍ間でも同様な情報引き渡しが必要である。情報引き渡し部５２０は、情報引き渡し部５１０と同様の動作により、シミュレーション実行部２１１Ｍの状態テーブルが示す一部の状態をシミュレーション実行部２１０Ｍの状態テーブルに反映させ、シミュレーション実行部２１０Ｍの状態テーブルが示す一部の状態をシミュレーション実行部２１１Ｍの状態テーブルに反映させる。

本実施形態の特徴は、シミュレーション実行部３１０Ｍ、２１１Ｍ、２１０Ｍのシミュレーション実行／実行停止を個別的に制御する手段を設けた点にある。図示の例では、時間管理部２２０は、操作入力部４００の出力信号に基づき、シミュレーション実行部２１０Ｍの時間管理をＯＮ／ＯＦＦ制御する機能を有している。

時間管理部２２０がシミュレーション実行部２１０Ｍの時間管理を行っている状態では、上述したように、１時間単位毎に回路模擬部分２１０の遷移すべき状態の演算と演算結果に基づく状態テーブル２１０Ｔの更新が繰り返される。

これに対し、時間管理部２２０がシミュレーション実行部２１０Ｍの時間管理を行っていない状態では、回路模擬部分２１０の遷移すべき状態の演算と状態テーブル２１０Ｔの更新は一切行われない。また、情報引き渡し部５２０は、時間管理部２２０がシミュレーション実行部２１０Ｍの時間管理を停止する直前にシミュレーション実行部２１０Ｍの状態テーブル２１０Ｔから取り込んだ状態を保持し、以後、シミュレーション実行部２１１Ｍの状態更新演算部２１１Ｕに供給し続ける。これによりシミュレーション実行部２１１Ｍ、３１０Ｍのシミュレーション実行を妨げることなく、シミュレーション実行部２１０Ｍを停止させ、不要なシミュレーション演算を回避することができる。

図３は、操作入力部４００により提供されるユーザインタフェースの例を示す図である。このユーザインタフェースが操作入力部４００に表示され、操作を受け付ける。図３の最上行には回転数などの表示ができるディスプレイがある。その下には、加速ボタン、減速ボタン、前進ボタン、停止ボタン、後退ボタン、機能選択ボタン、設定ボタン、解除ボタンがある。たとえば、ここで前進ボタンを押すと、この前進ボタンのＯＮイベントはユーザインタフェースモデル２１５によって通信電文に変換され、これが通信デバイスモデル２１２に伝達されて、マイコンシステムシミュレータ３００側に送信され、ＣＰＵコア３１１に伝達される。ＣＰＵコア３１１は、プログラム３１２に従って、前進ボタンのＯＮイベントを処理し、モータモデル２１７の模擬対象を前進駆動するための制御情報を発生する。

ところで、前述のとおり、このようなシミュレーションの内容の場合、制御対象の力学系や電気系とは関係なく、マイコンシステム単独で動作すれば十分である場合が多い。

そこで、この例では、力学系／電気系シミュレータ２００を、回路模擬部分２１０と、デバイス模擬部分２１１に分割している。そして、操作入力部４００に対して所定の操作がなされると、ユーザインタフェースモデル２１５は図４に示すユーザインタフェースを操作入力部４００に表示し、回路模擬部分２１０の計算を実行するか否かの選択をユーザに促す。ここで、ユーザが最下段のインバータ／モータ部のＯＮ／ＯＦＦボタンをＯＮにすると、回路模擬部分２１０の計算はＯＮとなり、シミュレーションが実行されるが、ＯＦＦにすると、回路模擬部分２１０の計算はＯＦＦとなり、シミュレーションは実行されず、デバイス模擬部分２１１のシミュレーションのみ実行される。

図５は本実施形態における１ステップ分のシミュレーションの実行処理の動作を示すフローチャートである。図５に示すように、１ステップが開始されると、時間管理部２２０は、回路模擬部分２１０の計算がＯＮであるか否かを判断する（ステップＳ４０１）。そして、回路模擬部分２１０の計算がＯＮである場合、時間管理部２２０は、回路模擬部分２１０のシミュレーション時刻を１時間単位ずつ進める処理を実行し、１時間単位毎に状態更新演算部２１０Ｕに状態更新演算を行わせ（ステップＳ４０２）、演算結果を状態テーブル２１０Ｔに反映させる（ステップＳ４０３）。次にデバイス模擬部分２１１のシミュレーション時刻を１時間単位ずつ進める処理を実行し、１時間単位毎に状態更新演算部２１１Ｕに状態更新演算を行わせ（ステップＳ４０４）、演算結果を状態テーブル２１１Ｔに反映させる（ステップＳ４０５）。

一方、ステップＳ４０１において回路模擬部分２１０の計算がＯＦＦである場合、回路模擬部分２１０のシミュレーション（ステップＳ４０２およびＳ４０３）を実行させることなく、デバイス模擬部分２１１のシミュレーション（ステップＳ４０４およびＳ４０５）を実行させる。

このようなステップを繰り返すことにより、時間経過に応じたシミュレーション結果を得ることができる。

このような仕組みを利用し、例えば回転数の上限値を設定変更した後、連携シミュレーションを行う場合には、以下の操作をすれば良いことになる。

まず、ユーザは、図４に示すインバータ／モータ部のＯＮ／ＯＦＦボタンをＯＦＦとすることにより回路模擬部分２１０の計算をＯＦＦとする。その後、加速（＋）ボタンを押してディスプレイに回転数上限値が表示されるまで、機能選択ボタンを押し、設定ボタンを押す。すると、現在の回転数の上限値が表示されるので、これを加速（＋）ボタンと減速（−）ボタンで調整し、その後、設定ボタンを押す。すると、設定ボタンの押圧時の回転数上限値が、ユーザインタフェースモデル２１５によって電文に変換され、マイコンシステムシミュレータ３００側に伝達される。このとき、回路模擬部分２１０のシミュレーション計算は実行されていないため、効率的にマイコン側の処理を実行することができる。

この設定が完了し、ユーザが回路模擬部分２１０の計算をＯＮとし、前進ボタンを押すと、回路模擬部分２１０の計算がＯＮになった旨の情報と、前進ボタンがＯＮになった旨の情報が、ユーザインタフェースモデル２１５で電文に変換され、マイコンシステムシミュレータ３００側のＣＰＵコア３１１に伝達される。すると、ＣＰＵコア３１１は、プログラム３１２に従って、インバータの制御信号を生成し、力学／電気系シミュレータ２００に供給する。力学／電気系シミュレータ２００では、駆動信号出力モデル２１４がインバータの制御信号に基づいて駆動信号を発生し、インバータモデル２１８がこの駆動信号に基づきモータモデル２１７を駆動する。

このようにしてマイコンシステムシミュレータ３００と、回路模擬部分２１０、および、デバイス模擬部分２１１を含む力学系／電気系シミュレータ２００を連携動作させたシミュレーションを実行することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、シミュレーション実行部２１０Ｍにより回路模擬部分２１０のシミュレーション実行／実行停止を個別的に制御することができるので、回路模擬部分２１０についての不要なシミュレーションの実行を回避し、他の部分のシミュレーションを効率的に進めることができる。

以上説明した連携シミュレーション装置は、汎用的な計算機システムにより実現可能である。図６は、本実施形態による連携シミュレーション装置の実行環境の一例である汎用的な計算機システムの構成を示すブロック図である。この計算機システムは、演算装置５２１と、主記憶装置５２２と、ディスプレイ装置５２３と、補助記憶装置５２４と、入力装置５２５と、これらを相互に接続するバス５２６とを有する。入力装置５２５は、例えばキーボードとマウスである。図１における操作入力部４００は、この入力装置５２５とディスプレイ装置５２３により実現可能である。連携シミュレーション装置を実現するためのソフトウエアを補助記憶装置５２４に格納し、演算装置５２１がこれを主記憶装置５２２に読み出して実行すればよい。

また、マイコンシステムシミュレータ３００、力学系／電気系シミュレータ２００は、それぞれ１つずつの構成に限定されるものではなく、それぞれ複数あっても同様に構成可能である。また、回路模擬部分２１０、デバイス模擬部分２１１のような分割は、すべての力学系／電気系シミュレータ２００にある必要はなく、また、どちらか一方のみを含む力学系／電気系シミュレータ２００があっても良い。

また、上記実施形態では、回路模擬部分２１０についてシミュレーション実行／実行停止を個別的に制御するようにしたが、操作入力部４００の操作に応じて、回路模擬部分２１０のみシミュレーション実行停止、回路模擬部分２１０およびデバイス模擬部分２１１のシミュレーション実行停止を行うようにしてもよい。

１００……連携シミュレーション装置、２００……力学系／電気系シミュレータ、２１０……回路模擬部分、２１１……デバイス模擬部分、２１２……通信デバイスモデル、２１３……センサモデル、２１４……駆動信号出力モデル、２１５……ユーザインタフェースモデル、２１７……モータモデル、２１８……インバータモデル、２２０……力学系／電気系シミュレータ時間管理部、３００……マイコンシステムシミュレータ、３１１……ＣＰＵコアモデル、３１２……プログラム、３１３……通信デバイスモデル、３１４……Ａ／Ｄ変換器モデル、３１５……タイマモデル、３２０……マイコンシミュレータ時間管理部、４００……操作入力部、５２１……演算装置、５２２……主記憶装置、５２３……ディスプレイ装置、５２４……補助記憶装置、５２５……入力装置、５２６……バス、３１０Ｍ，２１１Ｍ，２１０Ｍ……シミュレーション実行部、３１０Ｔ，２１１Ｔ，２１０Ｔ……状態テーブル、３１０Ｕ，２１１Ｕ，２１０Ｕ……状態更新演算部。

Claims (3)

1. 複数のソフトウエアモデルを相互に連携させて各々動作させる複数のシミュレーション実行部と、
   前記複数のシミュレーション実行部により前記複数のソフトウエアモデルのシミュレーションが１ステップ実行される毎に、操作入力手段に対する操作に応じて設定される前記複数のソフトウエアモデルのシミュレーションの実行／実行停止を判断し、前記複数のソフトウエアモデルのシミュレーションの実行／実行停止を個々に制御する時間管理手段と
   を具備することを特徴とする連携シミュレーション装置。
2. 前記複数のシミュレーション実行部間でソフトウエアモデルの模擬対象の状態を示す情報の引き渡しを行う手段であって、１のシミュレーション実行部がシミョレーションを行うソフトウエアモデルの模擬対象の状態を他の１のシミュレーション実行部がシミュレーションを行うソフトウェアモデルの模擬対象の状態に反映させる必要がある場合に、当該状態をその発生時刻とともに取り込んで保持し、前記時間管理手段の管理する当該他の１のシミュレーション実行部の時刻がその発生時刻になったとき、当該状態を当該他の１のシミュレーション実行部に引き渡す情報引き渡し手段を具備し、
   前記情報引き渡し手段は、情報の引き渡し元であるシミュレーション実行部がシミュレーションの実行を停止する場合に、当該シミュレーション実行部が実行停止前に最後に引き渡した情報を保持し、以後、当該情報をその引き渡し先であるシミュレーション実行部に供給することを特徴とする請求項１に記載の連携シミュレーション装置。
3. 前記複数のシミュレーション実行部は、前記操作入力手段に対する操作に基づいて制御信号を発生するソフトウエアモデルのシミュレーションを実行する第１のシミュレーション実行部と、前記制御信号を利用するソフトウエアモデルのシミュレーションを実行する第２のシミュレーション実行部とを含み、
   前記時間管理手段は、前記操作入力手段の操作に従って前記第２のシミュレーション実行部によるシミュレーションの実行を停止させ、この実行停止の間、前記操作入力手段の操作に基づいて前記制御信号を発生するソフトウエアモデルのシミュレーションを前記第１のシミュレーション実行部に実行させ、その後、前記操作入力手段の操作に従って前記第２のシミュレーション実行部によるシミュレーションを実行させることを特徴とする請求項１または２に記載の連携シミュレーション装置。

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