リアルタイムプラットフォームQUARC -クアーク-
Windows対応リアルタイムシステム

RCPシステムQUARC

システムを構成する為になくてはならないリアルタイムを保証

Quanserが提供するQUARCはHILS(Hardware-in-the-Loop)やRCP(rapid control prototyping) システムを構成する為に、なくてはならないリアルタイムを保証するためのリアルタイムプラットフォームです。
QUARCは汎用のインテルPC上を使い、OSはWindows、もしくはQNX上で動作します。

従来、HILSやRCPはホスト・ターゲットという構成が一般的でしたが、QUARCはPC一台でシステムを構成することが可能です。
PC一台でシステムが構成できる為、設置スペースとコストが大幅に削減できます。

使い慣れたWindows環境でリアルタイムシステムを構築できる、革新的なプラットフォームです。



QUARCは図のような構成です。

PCは汎用のマルチコアベースで、Windows(汎用OS)とQNX(リアルタイムOS)上でリアルタイムスケジューラとしてのQUARCが、リアルタイムの全ての仕組みをコントロールします。

QUARCプラットフォーム上にはSimulinkが置かれます。
Simulinkで作成されたプリケーションモデルは先ず、オフライン動作確認後、RTW(Real Time Workshop)でコンパイルされ、QUARCでスケジュール管理をされながら、WindowsもしくはQNX上でCソースとして運用され、必要に応じてIOアクセスを行います。


2種類のIO制御方式 Immediate I/OとTimeBaseI/O

QUARCはIOを制御する場合、Immediate I/OとTimeBase I/Oという2種類のIO制御方式を選択できます。

両者を比較しますとImmediate I/Oの方がIOボードとしての選択幅(種類)ははるかに多いですが、リアルタイム性が 問題になる場合はTimeBase I/Oを使用するのが一般的です。
Immediate I/OとTimeBas eI/Oにつきましてはこちらをご参照ください。

全体のリアルタイムとして保証できる制御周期はTimeBaseI/Oを使用した場合、大体0.1msecから1msec程度です。

通常HILSやRCPの90%程度は1msecの制御周期と言われています。
一部の電気関係(モータ・インバータ等)を除くメカニカルな機器のリアルタイムシステム構築には最適なプラットフォームです。


QUARCシステムはWindowsPC1台で全てのシステムが構築できます

HILSやRCPシステムで問題になるのは制御周期と同時にIOの種類と数になります。

QUARCはPCI もしくはPCIExpressを系由して様々なIOボードを接続することが可能です。

  1. Quanserオリジナルボード QPID/QPIDe
    特にTimeBaseで使用することを前提に考えられたFPGA制御のリアルタイム専用ボードです。
    アナログ・デジタル・カウンター・PWM等制御に必要な、全ての機能が全て装備されています。
    QPID/QPIDe はPCIもしくはPCIExpressのスロットが許す限り何枚でも並列に使用でき、パフォーマンスは落ちることがありません。
  2. ナショナルインスツルメンツ社PCI/PCIExpressボード
    計測制御関連では信頼性で定評がある、ナショナルインスツルメンツ社の多くのボードが使用できます。
    アナログ以外は基本的にはImmediate I/Oとしての使用になりますが、数十のボードから用途に合った最適なものを選択していただくことが可能です。
  3. Peak社CANボード
    自動車関連などCANを制御システムと一緒にお使いになる場合はPeak社のCANボードをお使いいただけます。
    CAN-PCI CAN Interface for PCI :
    > http://www.peak-system.com/PCAN-PCI.207.0.html?&L=1
現在LINはサポートしておりませんのでLINをお使いの場合はCAN/LIN変換ボードをお使いください。

Windowsシステムは32ビット版と64ビット版 Windows7に対応しています

MATLAB/Simulinkは32ビット版・64ビット版ともに2011a /2011b に対応しております。

Windowsシステムとしてどちらを選択するかは全体のシステム構成(特にIOの種類とパフォーマンス)を明確にした上での判断が必要です。

Quanser社のQPID/QPIDe だけをお使い頂く場合にはどちらをお使いいただきましても問題はありませんが、 例えばCANをお使いになるお客様の場合、現在Peak社のCANボードが64ビットには対応しておりませんので、 32ビット版しかお使いになれない事になります。

全体のシステムを明確にされた上で当社にご相談ください。


QUARCをHILSやRCPでお使いいただく場合の大事な問題・・・オーバーラン

HILS(Hardware-in-the-Loop)やRCP(rapid control prototyping)でQUARCのリアルタイムシステムを構築する際に避けて通れない問題としてオーバーランの問題があります。

オーバーランとは決められた制御周期時間内にモデルの演算を終了させることが出来ず、次の制御周期に割り込んでしまうことです。
オーバーランが起きると制御を正確に行うことが出来ないばかりか、制御が発散したりして事故の原因にもなります。
実機を使わずPCなどを用いてシミュレーションを行う場合には、オーバーランに最大限の注意が必要です。

QUARCはオーバーランが起きたことを確認することが出来ます。
その場合次のサンプリング開始をどのタイミングで行うかを予め決めておくことが出来ます(もちろん その段階でシミュレーションを止めることも可能です)。

上図で通常はTs5から次のサンプリングを開始しますが、オプションでTs6から開始させることも可能です。
ユーザーの制御アルゴリズムに沿った設定が可能です。

オーバーランと同時に考えておかなければならない問題が、異なった制御周期のモデルを同時に動作(マルチレート)させた場合にQUARCはどのような処理をするか、という問題です。

モデルの作り方や制御のアルゴリズムにより、優先させなければならないサブシステムは異なってきます。
QUARCはこのような場合、MultiTaskとSingleTaskを選択することができます。

MultiTaskを使った場合は速い制御周期の計算が優先される
MultiTaskを選択した場合は、速い制御周期の計算が優先されます。

 
SingleTaskを使った場合は遅い制御周期の計算が優先される

SingleTaskを使った場合は遅い制御周期の計算が優先されます。

システムの性格によってTaskを選択することで最適なHILSシステムの構築が可能です。



まとめ

QUARCの主な特徴を下記に記します
  1. Simulink(Scope,Floating Scopes, Displays, To Workspace, online parameter tuning)をフルサポート
    Simulinkを制御システムとしてお使いの皆様には、使い慣れた環境をそのまま リアルタイムシステムとして特に制御アルゴリズムの検討に最適です。
  2. Simulinkモデルの非同期スレッドモデルをサポートし、MAT-file とM-filesのログデータを取得出来ます。
    また、Simulink Coderコード最適化機能サポートしています。
  3. Microsoft Windows 7 64-bit 及び、32-bit プラットフォーム、シングル・マルチPCをサポート
    最先端のPCシステムの選択で 演算スピードを確保出来ます。
  4. Windows 7のマルチプロセッサーをサポート、サンプリングレートのパフォーマンスを最大限活用
    マルチスレッドやマルチレートモデルの場合、マルチスレッドでコアごとに演算周期を割り当て、 高速シミュレーションを実現させることが可能です。
  5. OSはWindows 7 (soft real-time) and QNX (hard real-time)が選択可能です。
    リアルタイムシミュレータとして1msecまでの制御周期であれば、どちらのOSも選択していただけます。
  6. データストリーミングブロックにより、実行中のコントローラの外部で動作しているプロセスから、 同期または非同期での通信、TCP/IP、シリアル通信、ARCNET、CAN等の通信プロトコルをサポートしています。
  7. リモートターゲットからもモデルを通してモニタ出来るコンソール機能や、Embeddedモードの自動ブート機能をサポート
  8. C/C++, MATLAB, LabVIEW, and .Dot.NET とAPIで連携させることが可能です。 ユーザー独自のGUIや自動テスト実行、テストベクタ発生などHILSやRCPの機能を最大限に生かすことが出来ます。
  9. 3Dやリアルタイムに対応したVisualization blocksetを使い、LabView、Altia、SimulationXn等とのGUIインターフェース構築が可能です。
  10. ロボットシステム(DENSO)やGPS、カメラなど様々なメカニカルシステムとのインターフェースを装備
  11. オブジェクト指向のモデル設計や大規模なモデルの開発を効率化するための モデル参照機能(インクリメンタルコンパイル・リンキング)をサポート. 複数のモデルの単体・複数の同時実行機能

QUARCは MATLAB/Simulinkの新しいバージョンにいち早く対応します。
最新の対応バージョンは、 メーカーの製品ページをご参照ください。



  
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愛知県名古屋市千種区池下1-11-21
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