D e ontwikkeling van regelsystemen gaat stapsgewijs. De gebruikte methodes variëren van kortcyclische agile processen tot het complexere V-model. Dit laat-

ste model, met zijn onderscheid in systeem-, subsysteem- en componentniveau, past met name de auto-industrie veel toe. Vaak gaat het om ontwikkelingen waarbij een heleboel par-tijen en afdelingen betrokken zijn. Hierdoor is de doorloop-tijd van het V-model vrij lang, eerder maanden of jaren dan weken. De kwaliteits-, documentatie- en validatie-eisen ma-ken die periodes nog langer. Met als grote probleem dat later ontdekte wijzigingen niet meer zijn mee te nemen.

Binnen het V-model hanteert de auto-industrie al vele ja-ren een modelgebaseerde aanpak, met bijbehorende volwas-sen gereedschappen. Mede door deze tools biedt de aanpak een aantal voordelen boven conventionele ontwikkelmetho-des. Ook voor het mkb, hoewel de instap voor deze doel-groep nog redelijk hoog is.

Het door de Stichting Innovatie-alliantie (Sia) gesubsidieerde project Fast & Curious probeert modelgebaseerde ontwikkeling van regelsystemen laagdrempeliger te maken voor kleinere be-drijven. De focus ligt op de ontwikkeling van prototypes. Het project introduceert een vereenvoudigd V-model: het MBD V-model, waarbij ‘MBD’ staat voor ‘model-based development’. Het voorziet in een aantal ontwikkelstappen met bijbehorende MBD-tools, waarbij verschillende stappen uit het originele V-model zijn samengevoegd en er geen onderscheid is in integra-tieniveaus. Niets nieuws onder de zon overigens: dergelijke mo-dellen werden ook al gebruikt in de tijd dat modelgebaseerde ontwikkeling een vlucht nam in de auto-industrie.

Voor mkb’ers kunnen we veel stappen in het V-model samen-voegen, eenvoudigweg omdat zij kleiner zijn en een en dezelfde persoon meerdere stappen verzorgt. Door actief te werken met modellen en de beperkingen van de productiecontroller al vroeg

Jan Benders Steven Bouwmeister Marcel Romijn

Modelgebaseerd ontwerpen van regelsystemen voor het mkbHet Fast & Curious-project probeert modelgebaseerde ontwikkeling van regelsystemen laagdrempeliger te maken voor mkb’ers. Een vereenvoudigd V-model past goed bij hun ontwikkelpraktijk, zo blijkt uit de ervaringen van de projectpartners.

Software-engineeringThema

Dinner sponsor

Partners

Lunch sponsor

// 3 June 2015

// Entrance fee: € 350.00

This includes: drinks,

lunch, dinner and entrance

to the conference programme

// Conference Center The Strip

High Tech Campus 1

Eindhoven, The Netherlands

// For more information and

registration: www.runbysoftware.com

#BCSE15

Software Engineering

Sharing software engineering excellence

Bits&Chips

Gold sponsor

Bronze sponsors

4 | 35

Parallel kunnen de domeindeskundi-gen een fysisch model van het te regelen systeem definiëren. Door regeling en sys-teemmodel te koppelen, is het mogelijk om in een vroeg projectstadium te testen. Dit lukt vaak al met eenvoudige systeem-modellen. Hoe nauwkeuriger en gedetail-leerder het model, hoe beter de regeling via simulaties is te testen zonder dat er hardware aan te pas hoeft te komen. Pro-jectpartner Hyet werkt aan een waterstof-compressor zonder bewegende delen, op basis van elektrochemische membraan-technologie. ‘Wij hebben modelvorming nodig om procesonderdelen, bijvoorbeeld de vochthuishouding van de compressor, goed te begrijpen’, verklaart Wouter Dal-huijsen. ‘Met deze kennis kunnen we een betere regeling ontwikkelen.’

mee te nemen, kunnen we zelfs nog meer combineren en de doorlooptijd nog sterker verkorten. Indien gewenst, zijn de stappen van het MBD V-model ook op verschillende integratieniveaus in te zetten.

OntwerpDe eerste stap richting een werkende functie is vanzelfsprekend het ontwerp van die func-tie. Dit begint met een goede definitie van de requirements. In een regulier ontwerppro-ces maken domeindeskundigen vanuit be-staande kennis en ervaring een ontwerp, dat software-engineers vervolgens realiseren. Pas als de functie in softwarevorm beschikbaar komt, kunnen we gaan testen.

Deze methodiek heeft zo haar haken en ogen: hoe voorkomen we dat er ‘vertaalfou-ten’ ontstaan bij de overdracht van domein-

deskundige naar software-engineer? Hoe kunnen we zo vroeg mogelijk in het ont-werpproces zeker stellen dat er geen onver-wacht systeemgedrag of onvoorziene requi-rements meespelen? Ofwel: hoe kunnen we het functieontwerp in een zo vroeg mogelijk stadium al zo goed mogelijk valideren?

Bij modelgebaseerde ontwikkeling kun-nen de domeindeskundigen het ontwerp – in ons geval van een regeling – zelf defini-eren in een simulatieomgeving. ‘Het grote voordeel van modelgebaseerd werken is dat onze mechanici veel beter kunnen commu-niceren met onze softwaremensen’, aldus Rik de Zaaijer van projectpartner Vehicle Systems Engineering (VSE), dat intelligen-te stuur- en veersystemen voor voertuigen ontwikkelt. ‘Beide groepen begrijpen de ge-bruikte grafische taal.’

VSE gebruikt de MBD-tooling van de Han bij de ontwikkeling van intelligente stuur- en veersystemen, bijvoorbeeld voor vrachtauto’s.

Het MBD V-model (rechts) voorziet in een aantal ontwikkelstappen met bijbehorende MBD-tools, waarbij verschillende stappen uit het originele V-model (links) zijn samengevoegd en er geen onderscheid is in integratieniveaus.

36 | 4

confed_ad_190x55mm_emb software_v1.indd 1 17-04-15 15:35

Software-engineeringThema

Het inzicht dat simulaties geven, leidt ook tot verfijning van de requirements. Het goede nieuws is dat aanpassing van deze eisen in een vroeg stadium relatief weinig gevolgen heeft voor projectplanning en kos-ten. Een ander voordeel van simulaties is dat ze de mogelijkheid bieden om extreme – eventueel gevaarlijke – situaties reprodu-ceerbaar te testen en te analyseren. In de praktijk is dat soms financieel niet haalbaar of zelfs helemaal niet mogelijk.

Natuurlijk zijn er ook nadelen. Een be-drijf moet expertise in huis hebben of halen om systeemmodellen op te zetten. Dat is geen vanzelfsprekendheid in het mkb; het is toch een stevige investering in tijd en geld. Daarnaast kan de aanschaf van simulatie-software een flinke hobbel vormen.

PrototypingDe tweede stap in het MBD V-model is functieprototyping. Het is handig als de regeling – op simulatieniveau gedefinieerd en wellicht zelfs al deels geoptimaliseerd – snel in de praktijk inzetbaar is in een proto-type. Hiervoor bestaat de mogelijkheid om het ontwerp vanuit de simulatieomgeving automatisch te converteren naar een execu-teerbaar programma. Dit heet ook wel rapid control prototyping (RCP).

Het programma wordt dan geladen in een universele RCP-controller met een overvloed aan in- en uitgangen. Dergelijke controllers kennen weinig beperkingen in rekenkracht en geheugengebruik, waardoor ze processen nagenoeg continu en met floating point-pre-cisie kunnen uitvoeren. Dat geeft ruimte voor creativiteit in alle richtingen. Zo ontstaat een praktisch prototype van het regelsysteem.

Het voordeel is dat er in dit stadium nog geen applicatiespecifieke controller beschik-baar hoeft te zijn om praktisch te kunnen testen. Rik de Zaaijer van VSE: ‘Praktijk-tests blijven belangrijk. Je hebt ze nodig om de klant te overtuigen. De systeemmodellen in simulaties blijven tenslotte onze – soms beperkte – vertaling van de werkelijkheid.’

ImplementatieRCP-controllers zijn echter te duur voor se-rieproductie. In de uiteindelijke implementa-tie, het serieproduct, moet de regeling gaan draaien op een robuust en goedkoop platform. Gelukkig zijn moderne codegeneratoren ook geschikt voor low-cost microcontrollers met minder geheugen en rekenkracht. Dat maakt het mogelijk om via hetzelfde conversiepro-ces de regeling geautomatiseerd om te zetten naar een executeerbaar programma voor het uiteindelijke targetplatform. De RCP-tooling van Fast & Curious, Hancoder genaamd, is bewust gebaseerd op goedkope hardware die ook voor serieproductie inzetbaar is, om zo de stap van RCP-controller naar microcon-troller te elimineren. Met Hancoder is vanuit Matlab/Simulink automatisch code te gene-reren voor diverse platforms.

‘Wij hebben onze serieproducten hard-warematig vertaald naar universele GCU’s, generic control units’, zegt Michael van Rijen van projectpartner Prodrive Technologies, dat elektronica ontwikkelt en produceert – in dit kader electronic control units (ecu’s) voor automotive. ‘Samen met de Han kun-nen we die aanbieden met ondersteuning voor automatische codegeneratie zowel voor RCP-doeleinden als voor serieproduc-tie.’ Wouter Dalhuijsen van Hyet: ‘Het com-bineren van modelgebaseerd werken met goedkope hardware is voor ons een enabler voor de eerste kleinserieproductie.’

Het voordeel van modelgebaseerde ont-wikkeling is dat het ontwerp vanuit de si-mulatie herbruikbaar is in het eindproduct. ‘In de softwareontwikkeling concentreren we ons op de functionele applicatie met een modelgebaseerde aanpak’, vertelt Peter

Hyet werkt aan een nieuwe waterstofcompressor die is voorzien van een besturing gemodelleerd met de Han-tooling.

4 | 37

Wesseling van projectpartner Inalfa Roof Systems, dat wereldwijd daksystemen ont-wikkelt en produceert voor nagenoeg alle grote voertuigfabrikanten. ‘Hierdoor zal de inbreng van software-engineers deels ver-schuiven naar domeindeskundigen.’

De stap naar serieproductie vereist wel belangrijke toevoegingen aan de regeling. Het gaat niet meer alleen over functioneel gedrag. Voorzieningen voor robuustheid en diagnostiek vormen essentiële en vaak relatief grote delen van de uiteindelijke software. Bovendien moet het eindproduct worden gecertificeerd. Dat vereist een goed ontwikkelproces, zeker als functionele vei-ligheid meespeelt. Het vervolgproject op Fast & Curious, Smartcode, gaat hierop in, met opnieuw een focus op het mkb.

Hil-testing Aan de rechterkant van het V-model vin-den we testen, integreren en optimaliseren. Noodzakelijk bij de ontwikkeling van serie-producten, maar evengoed bij prototypes. Vandaar dat deze stappen ook relevant zijn voor Fast & Curious. Een interessante test-mogelijkheid bij modelgebaseerd werken is hardware-in-the-loop (Hil).

Bij Hil-testing rekent een simulator op een snelle computer, bijvoorbeeld een pc,

het reeds gemaakte systeemmodel realtime door. Deze simulator bevat ook de benodig-de elektrische interfaces om sensorsignalen en actuatoren elektrisch correct te kunnen simuleren. Zo ontstaat een opstelling die het te regelen systeem nabootst. Dat kan het hele systeem zijn, of een deel van het gedrag. De regeling kunnen we ook realtime testen op het targetplatform door dit aan te sluiten op de Hil-simulator.

Hil-testing biedt een aantal voordelen. De simulator kan standaard scenario’s ge-automatiseerd nalopen. Zo kunnen we elke release van de regeling op correct ge-drag controleren. Bovendien kunnen we de simulator opnemen in een regressie-testomgeving. Daarnaast wordt concurrent engineering mogelijk: we kunnen testen en optimaliseren zonder dat de systeemhard-ware er al hoeft te zijn. Peter Wesseling van Inalfa: ‘Wij zetten Hil-simulatoren in voor verschillende onderdelen. Dat kan een dak-systeem zijn maar ook de communicatiebus in een voertuig. Dit geeft ons de mogelijk-heid om te testen voordat dat voertuig beschikbaar is.’

OptimalisatieOf het nu gaat om een prototype of een se-rieproduct, in de praktijk is er vrijwel altijd

een optimalisatieslag nodig. Daarbij is er behoefte aan een goed realtime ‘dashboard’ op de regeling. Dit moet alle belangrijke ge-gevens kunnen visualiseren en loggen, maar ook de mogelijkheid bieden om de regelpa-rameters fijn af te stellen.

Voor dit doel hebben de projectpartners Hantune tot hun beschikking, een pc-pro-gramma dat communiceert met de control-ler. ‘De Hantune-software is veelzijdig en het loggen van meetdata is met een simpele muisklik onder handbereik’, vindt Rik de Zaaijer van VSE.

CommunityDe benodigde investeringen en het gebrek aan ervaring zijn redenen voor terughou-dendheid in het mkb bij de keuze voor mo-delgebaseerde ontwikkeling. Behalve op low-cost oplossingen richt het project zich daarom op een omgeving waarin alle part-ners kennis en ervaring kunnen uitwisse-len. Peter Wesseling van Inalfa ziet het be-lang van deze Fast & Curious-community: ‘In de gedeelde online omgeving kunnen we zelf meeontwikkelen aan de softwaretools. Als iedereen zijn steentje bijdraagt, creëert dat een groot hefboomeffect.’

De deelnemers komen ook regelmatig samen in de echte wereld. Dat doen ze op wisselende partnerlocaties. Bij deze commu-nitybijeenkomsten is er ruimte om te dis-cussiëren en zo volledig bij te blijven in de ontwikkelingen en de specifieke problemen waar met name mkb-bedrijven mee kampen.

Het leeuwendeel van de Fast & Cu rious-partners gaat door in het Smartcode-project. Daarnaast is er een aantal nieuwe deelnemers. De groeiende community moet dusdanig aantrekkelijk worden dat deze een duurzaam karakter krijgt.

Jan Benders is projectmanager model-based development bij Han Automotive Research aan de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen. Hij is er verantwoordelijk voor de ontwikkelde softwaretools en modelgebaseerde ontwikkelprocessen. Steven Bouwmeister geeft bij Brace Automotive leiding aan het cluster Model-Based Design & Autocoding, dat advies geeft aan klanten in de auto-industrie. Marcel Romijn is competentiecoördinator bij Brace en als zodanig verantwoordelijk voor alle expertiseclusters.

Redactie Nieke Roos

Bij zijn generic control units biedt Prodrive samen met de Han ondersteuning voor automatische codegeneratie.

Inalfa past de MBD-methode en –tooling van de Han toe bij de ontwikkeling van daksystemen voor nagenoeg alle grote voertuigfabrikanten.