高速シミュレーションのための Simscape Electrical モデリング手法

Simscape 物理ネットワーク (可変ステップソルバー プラント) のソルバーに関する考慮事項

制御アルゴリズムを設計し、Simscape の電気系ネットワークに対してテストを行う場合は、可変ステップソルバーで実行される物理モデルから始めることを推奨します。そうすることで、ソルバーはモデルの動作に応じてタイムステップを小さくしたり、可能な場合は大きくすることができます。このように、事前定義された固定タイムステップに縛られないことで、全体的なパフォーマンスの向上が期待できます。

Simscape ネットワークで可変ステップソルバーを使用するには、Solver Configuration ブロックの [ローカル ソルバーを使用] オプションを無効にします。これによって、[モデル設定] で選択したグローバルソルバーが利用できるようになります。通常、Simscape ネットワークには daessc、odes23t、ode15s などの陰的ソルバーが推奨されます。

固定ステップ サンプル時間でのアルゴリズム構成

サンプル時間の色分けは、特定のブロックがどのソルバーのタイムステップで実行されているかを示します。アルゴリズムを設計する際には、通常、制御ループに対して特定のサンプル時間の要件があります。可変ステップソルバーの利点を活かすため、プラントモデルは可変ステップで、アルゴリズムは固定ステップで実行することができます。そのためには、[モデル設定] でグローバルソルバーを可変ステップに設定し、モデル内のブロックを特定 (固定ステップ) のサンプルレートでのみ実行されるように構成します。

ブロックでサンプル時間が明示的に定義されていないと、上位や入力元のサンプル時間が継承されてしまうことが多く、意図しない動作につながる可能性があります。これを未然に防ぐには、該当するブロックに固定ステップのサンプルレートを指定しておきます。適用できる場合は、サンプル時間の設定を利用して正しい実行タイミングを確保してください。サンプル時間の指定を参照してください。

適切なモデル忠実度の選択

適切なモデル忠実度の選択は、最適なシミュレーション性能を実現する上で重要なステップになります。Simscape Electrical のテクノロジーと各種コンポーネントを活用することで、実際のタスクに応じて、さまざまなモデリングやパラメーター設定のオプションを選択することができます。

たとえば、電力損失の解析には詳細なスイッチングモデルが必要になる場合があり、一方で高調波解析には理想スイッチングが用いられることがあります。制御設計では、平均化モデルで十分な場合が多くあります。

PWM のモデリング手法

パワー エレクトロニクス モデルには、一般的に PWM 信号が含まれています。この信号は最適化でき、インバーターモデルの忠実度と組み合わせて検討されることもあります。

モデルに PWM 信号が含まれている場合、こうした観点からパフォーマンスの向上が期待できます。

ソルバー プロファイラーを活用した診断

可変ステップソルバーでモデルをシミュレーションする際に、ソルバー プロファイラーを使用すると、短いタイムステップや、ソルバー例外、ゼロクロッシングといったシミュレーション イベントによってシミュレーション性能が低下するタイミングを特定できます。モデル内に Simscape ネットワークがある場合、ソルバー プロファイラーを用いて、さまざまな物理量がシミュレーション性能の低下にどのように影響しているかを調査することができます。

その他の診断ツール

変数ビューアーによるモデル初期化の検証

Simscape 物理ネットワークのシミュレーションを実行する際、ソルバーはシミュレーション開始時 \(t=0\) に初期条件を計算します。Simscape ネットワークの初期条件は通常、ブロックレベルで設定されますが、以前に記録したデータから取得することも可能です。詳細については変数の初期化を参照してください。

ソルバーはこれらの設定を用いて適切な初期条件を決定しますが、このプロセスには時間がかかり、警告やエラーが発生することもあります。変数ビューアーは、Simscape ネットワークの初期条件の計算結果を確認して検証する際に利用することができます。これにより、初期化に時間がかかったり、収束しない場合でも、潜在的な根本原因を判断する際に役立つ情報が得られます。

Simscape 変数の規模解析によるスケーリング値の定義

Simscape 変数のノミナル値を定義することで、変数の想定値を指定できます。詳細については、ノミナル値によるシステムのスケーリングを参照してください。シミュレーションの実行中、ソルバーはこれらのスケーリングされた単位なしの値を用いて計算を行います。すべての変数に対して適切なスケーリング値を設定することで、シミュレーションのロバスト性とパフォーマンスの両方が向上します。より良いパフォーマンスのために、変数の大きさは同程度のスケール内に収まるようにしてください。

最適なモデル設定のための自動チェックの活用

以下のツールは、主に Simulink ブロックで構成されたモデル向けに設計されており、限定的に Simscape ネットワークを含むモデルに特化した診断も提供しています。

モデルアドバイザーは、モデルやサブシステムの構成またはモデリング特性に対して、特定のモデリング標準を満たしているか、不正確または非効率なシミュレーションを回避できるかをチェックすることができます。モデルアドバイザーには、特定のタスク (パフォーマンスや精度など) に対応する組み込みチェック機能が備わっています。

モデルアドバイザーはチェックを実行し、実行可能な推奨事項を含む詳細なレポートを提供します。さらに、その修正を自動的に適用することもできます。

パフォーマンス アドバイザーは、モデルアドバイザーのフレームワーク内に組み込まれており、シミュレーションの遅延を引き起こす可能性のある設定を特定するために用いる一連のチェック項目があらかじめ定義されています。

変数統計ビューアーによるモデルの複雑性評価

統計ビューアーは、指定したモデルとソルバー設定に対する Simscape モデルの統計結果を集約できます。統計結果を詳しく調べることで、シミュレーションを実行する前でも、Simscape ブロックを含むモデルの複雑性を評価することができます。

モデル最適化後の追加提案

シミュレーション モードと高速リスタート

シミュレーション モードは、特に高速リスタートと組み合わせた場合に、シミュレーション速度に影響する可能性があります。既定ではモデルはノーマルモードで動作しますが、アクセラレータモードやラピッド アクセラレータ モードも利用できます。

これらのモードではパフォーマンスが向上するものの、モデルの柔軟性や双方向性、診断の粒度といった面でトレードオフが生じることがあります。シミュレーション モードの選択を参照してください。Simscape モデルを使用する場合、アクセラレータモードやラピッド アクセラレータ モードによるパフォーマンスの向上率は、純粋な Simulink モデルに比べてそれほど大きくありません。

モデルの構造を変更せずに繰り返し実行する場合 (例：パラメータースイープ中など) は、高速リスタート機能でコンパイル工程をスキップすることで時間を節約できます。詳細については、MATLAB ヘルプセンターの高速リスタートのご利用の前にを参照してください。シミュレーションの実行間に Simscape のパラメーターを変更できるようにするには、Simscape 実行時パラメーターとして設定してください。

並列計算

複数の独立したシミュレーションを実行する際、これらのシミュレーションを複数のコアやクラスターに分散させることで時間を節約できます。ユースケースには、パラメータースイープ、モンテカルロ解析、最適化問題の並列計算、Simulink Test™ を使用したモデルのテストなどがあります。

Simscape ネットワークのシミュレーションを固定ステップのハードウェアインザループで実行する場合でも、可変ステップソルバーを用いてモデルのデバッグ、検証、改善を行うことをお勧めします。その場合は、デスクトップ シミュレーションの考慮事項から手順を進めることもできます。固定ステップソルバーによるシミュレーションでは、可変ステップのシミュレーションでしか明らかにできない潜在的な問題が見逃されてしまうこともあります。

固定ステップソルバーに切り替える際は、Simscape ローカルソルバーまたは Simulink グローバル固定ステップソルバーのいずれかを使用できます。パフォーマンスを向上させるためには、一般的に Simscape ローカルソルバーを選択することが推奨されています。ローカルソルバーとその設定の詳細については、ドキュメンテーションの固定タイムステップによるシミュレーション — ローカルおよびグローバル固定ステップソルバーを参照してください。

ハードウェア展開用に固定ステップソルバーで Simscape モデルを構成する際には重要なステップがあります。タイムステップ設定で適切なソルバーを繰り返し検討し、許容可能な精度を維持しながらリアルタイムで実行できるシミュレーションを実現することです。このワークフローの概要と説明については、リアルタイム シミュレーションをご覧ください。

Simscape から HDL へ

リアルタイム シミュレーションで利用できるよう、Simscape モデルは C コードに変換されます。より高速なサンプルレートを実現するために、FPGA 技術と HDL コードを活用することができます。このワークフローの利点を Simscape の電気系ネットワークモデルに活かすには、物理モデルを Simulink の状態空間表現に変換する必要があります。こうした主要な目標を達成するために、Simscape HDL ワークフロー アドバイザーが用意されています。