VPD와 MBSE의 적용 Ⅱ

디지털 트랜스포메이션 기반 VPD 프로세스 구축 및 MBSE의 도전과 응용 (3)

다양한 산업 분야의 기술과 제품 개발에서 CAE(Computer Aided Engineering) 기술이 폭넓게 쓰이고 있다. 한편으로 각 기능 부품에 대해 개별적으로 CAE를 적용하는 것으로는 제품의 요구 성능을 충족하는 것이 어려우며, 전체 시스템의 성능 파악 및 품질 향상에 대한 해결책이 요구되고 있다.
캐드앤그래픽스 2021년 1월호의 특집기획에서 디지털 제품 개발 기술로서 VPD(가상 제품 개발)와 MBSE(모델 기반 시스템 엔지니어링)의 개념에 대해 소개했는데, 이번 호에서는 지난 2월호에 이어 VPD 및 MBSE를 어떻게 제품 개발에 적용할 수 있는지에 대해 살펴본다.

■ 오재응 | LG전자 기술고문이며, 한양대학교 명예교수이다.

1. MILS와 HILS 환경구축
HIL(Hardware-in-the-Loop) 시뮬레이션은 실시간 시뮬레이션의 한 유형이다. HIL 시뮬레이션을 사용하여 컨트롤러 설계를 테스트한다. HIL 시뮬레이션은 컨트롤러가 실제 가상 자극에 실시간으로 어떻게 반응하는지 알아보는 것이다. HIL을 사용하여 물리적 시스템(플랜트) 모델이 유효한지 확인할 수도 있으며, 플랜트 모델의 가상 표현과 컨트롤러의 실제 버전으로 실시간 컴퓨터를 사용한다.
<그림 1>은 일반적인 HIL 시뮬레이션 설정을 보여주고 있으며, 데스크톱 컴퓨터(개발 하드웨어)에는 컨트롤러 및 플랜트의 실시간 지원 모델이 포함되어 있다. 개발 하드웨어에는 플랜트에 대한 가상 입력을 제어하는 인터페이스도 포함되어 있다. 컨트롤러 하드웨어에는 컨트롤러 모델에서 생성된 컨트롤러 소프트웨어가 포함되어 있다. 실시간 프로세서(대상 하드웨어)에는 플랜트 모델에서 생성된 물리적 시스템에 대한 코드가 포함되어 있다.

그림 1. MBD 프로세스 진행에서의 HILS

MBD(Model-Based Design)를 수행할 때 HIL 시뮬레이션을 사용하여 컨트롤러의 설계를 테스트한다. <그림 2>는 HIL 시뮬레이션이 MBD 설계-실현 워크플로에 적합한 위치를 보여준다. 검증에는 실제 플랜트 하드웨어를 사용하여 실제 상황이나 환경 프록시(예 : 압력 챔버)에서 컨트롤러를 테스트하는 것이 포함되며, 물리적 시스템(플랜트)에 실제 하드웨어를 사용할 필요가 없다. 따라서 모델을 사용하여 플랜트를 표현할 수 있도록 함으로써 HIL 시뮬레이션은 비용과 실용성 측면에서 이점을 가지고 있다.
HIL 테스트를 사용하는 동기는 HIL 시뮬레이션이 검증 테스트에 비해 비용을 절감하는 몇 가지 영역이 있다. HIL 시뮬레이션은 설계 변경과 관련하여 비용이 적게 드는 경향이 있다. MBD 워크 흐름도에서 검증보다 일찍 HIL 시뮬레이션을 수행할 수 있으므로 프로젝트 초기에 문제를 식별하고 재 설계할 수 있다.
문제를 조기에 발견하면 다음과 같은 이점이 있다. 첫 번째로는 팀이 변경을 승인할 가능성이 더 높고, 두 번째로 설계 변경의 구현 비용이 적게 든다. 스케줄링 측면에서 HIL 시뮬레이션은 자체적으로 실행되도록 설정할 수 있으므로 검증보다 비용이 적게 들고 실용적이다. HIL 시뮬레이션은 비정상적인 이벤트에 대한 컨트롤러의 응답을 테스트하기 위한 검증보다 더 실용적이다.
HILS(Hardware-in-the-Loop System)는 다양한 과학 및 기술 분야에서 사용된다. 자동차 애플리케이션의 맥락에서 시스템 검증 및 검증을 위한 가상 차량을 제공한다. 엔진 관리 시스템의 성능 및 진단 기능을 평가하기 위한 차량 내 주행 테스트는 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들고 재현할 수 없는 경우가 많기 때문에, HIL 시뮬레이터를 사용하면 개발자가 품질 요구사항과 출시시간 제한을 준수하면서 새로운 하드웨어 및 소프트웨어 자동차 솔루션을 검증할 수 있다.
일반적인 HIL 시뮬레이터에서 전용 실시간 프로세서는 엔진 역학을 에뮬레이트하는 수학적 모델을 실행한다. 또한 I/O 장치를 사용하면 차량 센서와 액추에이터(일반적으로 높은 수준의 비선형성을 나타냄)를 연결할 수 있다. 테스트중인 ECU(Electronic Control Unit)는 시스템에 연결되고, 시뮬레이터에서 실행되는 일련의 차량 조작에 의해 자극된다. 이 시점에서 HIL 시뮬레이션은 테스트 단계에서 높은 수준의 반복성을 제공한다.
문헌에서 몇 가지 HIL 특정 애플리케이션이 보고되고 특정 목적에 따라 단순화된 HIL 시뮬레이터가 구축되었다. 예를 들어 새로운 ECU 소프트웨어 릴리스를 테스트할 때, 개방 루프에서 실험을 수행할 수 있으므로 여러 엔진 동적 모델이 더 이상 필요하지 않다. 이 전략은 제어된 입력에 의해 ECU 출력의 분석으로 제한된다. 이 경우 Micro HIL 시스템(MHIL)이 더 간단하고 경제적인 솔루션을 제공한다. 모델 처리의 복잡성이 감소하기 때문에 풀 사이즈 HIL 시스템은 신호 발생기, I/O 보드 및 ECU에 연결할 액추에이터(외부 부하)가 포함된 콘솔로 구성된다.
복잡한 프로세스 시스템 및 실시간 임베디드 시스템의 개발 및 테스트에 사용되는 기술은 ① 전기 인터페이스를 통해 루프에 실제 구성 요소를 시뮬레이터에 추가하여 순수 실시간 시뮬레이션과 다른 점은 실시간 환경의 동작을 재현, ② 이 구성 요소는 전자 제어 장치 또는 실제 엔진일 수 있음, ③ 다양한 종류의 HILS, 전자, 기계, 센서 및 액추에이터의 시뮬레이션을 실현할 수 있음, ④ MILS/HILS 환경 구축으로 제어 대상(플랜트) 모델 개발을 지원한다.
1D CAE의 제어 대상 모델의 개발도 필요하다. 1D CAE는 동적 수식 모델을 이용한 초기설계(개념 설계 등) 검토를 의미하며 보통의 CAE 해석은 다르다. MBD용 제어 대상 모델과 1D CAE용 제어 대상 모델은 동일한 모델이 되는 경우도 있지만, 목적의 차이에 따라 다른 모델이 되는 경우가 많다. MBD용 제어 대상 모델은 실제 기계와의 일치도(절대 값)가 우선되어 설계 파라미터가 모델에 남아있을 필요는 없지만, 1D CAE 용 제어 대상 모델은 설계 파라미터가 모델에 남아 있을 필요가 있고 실기에 대해 경향이 일치하도록 하는 절대 값으로서 일치도는 우선 되지 않았기 때문이다.
MBD 용으로 모터 모델에서 특징적인 기술로 자기장 분석의 결과를 포함시켜 빠르고 정확한 모터 모델을 제공할 수 있다. 제어 대상 모델의 개발에는 시뮬링크(Simulink)뿐만 아니라 매스웍스(MathWorks)의 심스케이프(Simscape)와 모델리카(Modelica)계 도구(Amesim, SimulationX, MapleSim 등), VHDL-AMS 지원 도구(Simplorer 등)에 의해 처리될 수 있다.

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