モデル予測制御のソフトウェア設計と実装──Pythonによるモデル化・検証とC++ライブラリ開発 [単行本]

モデル予測制御のソフトウェア設計と実装──Pythonによるモデル化・検証とC++ライブラリ開発 の 商品概要

• 目次

  ■第1章：制御系設計の目的
  フィードバック制御
  物理を理解し、操る
  ラプラス変換によるダイナミクス表現
  制御工学最大の発明「PID制御」
  制御器の汎用化
  ハードウェア実装の限界
  z変換を使ったプログラム化
  ソフトウェア実装のメリット、デメリット
  アナログとデジタル、連続と離散
  メモリ、計算速度の制約
  リアルタイム実行の必要性
  実機デバッグの困難さ
  安全性の要求
  シミュレーションの活用
  設計フェーズをレイヤに分ける
  コード生成
  MBDの課題
  実現すること
  モデル予測制御を高い計算効率で実装する
  本書の内容
  生成AI時代にあるべきMBDの姿
  生成AIがあれば技術者は不要なのか
  
  ■第2章：制御系設計ワークフローを理解する
  1層：物理層
  2層：論理回路層
  3層：プロセッサ層
  4層：アセンブル層
  5層：コンパイル層
  6層：振る舞い層
  7層：アルゴリズム層
  物理量を表すデータ型
  固定小数点数
  浮動小数点数の数値計算不安定問題
  行列の条件数で不安定性を調べる
  浮動小数点数のゼロ除算回避
  浮動小数点数の論理演算
  メモリ範囲外アクセスの保護
  無限ループの回避
  制御実行時におけるメモリ動的割り当ての禁止
  可能ならRustを使いたい
  MPC実装の流れ
  C++による実装の流れ
  開発フェーズの違い
  開発環境を提案
  MPCの学問体系
  既存Pythonライブラリの現状
  Gitリポジトリ構造
  数学計算ライブラリ
  オブジェクト指向とクラス設計
  
  ■第3章：行列計算のライブラリ化とC++実装
  分かりやすい、かつ速い「ゼロコスト抽象」
  行列の定義
  行列同士の演算
  制御工学で扱う行列の特徴
  行列計算のライブラリ構造
  C++バージョンについて
  メモリのどこに格納するか
  行優先と列優先──データをどう並べるか
  テンプレートクラスによる汎化
  行列の演算を定義
  インライン展開と参照渡し
  for文の効率化
  テンプレートメタプログラミング
  範囲外アクセスの保護
  転置行列の定義
  対角行列の定義
  スパース行列の表現方法「CSR形式」
  スパース行列の加算
  スパース行列の行列積
  CSR形式のテンプレートメタプログラミング
  コンパイル時展開型CSR形式スパース行列の定義
  スパース行列のループアンローリング
  逆行列の定義
  効率的な逆行列計算「GMRES法」
  GMRES法の実装
  3種類の行列クラスを使い分ける
  機能の構造化
  「名前空間」による名前被り防止
  逆行列計算クラスの定義
  
  ■第4章：制御工学計算のライブラリ化とC++実装
  離散時間かつ線形の状態空間を実装
  テンプレート関数の型推論
  クラスに属する型エイリアスと定数
  型と実体の作り方を統一する
  状態空間クラスインスタンスを自動コード生成
  行列クラスインスタンスを自動コード生成
  空のスパース行列
  コード生成スクリプト
  カルマンフィルタの機能
  カルマンフィルタの計算の流れ
  カルマンフィルタクラスを定義（Python）
  カルマンゲインGの収束演算
  カルマンフィルタクラスを定義（C++）
  C++カルマンフィルタのクラスインスタンスコード生成
  むだ時間の実装
  
  ■第5章：モデル予測制御計算のライブラリ化とC++実装
  1. プラントモデリング
  2. MPCの定義とシミュレーション
  3. C++コード生成と動作確認
  4.実機実装
  メンバー変数を作る
  指令値軌道Rの作り方
  むだ時間を補償する機能
  最適化アルゴリズム「アクティブセット法」
  最適化計算を実現する「KKT連立方程式」
  可変サイズの行列計算
  制約を管理する「アクティブセット」クラス
  最適化の反復計算
  実現したいコード
  関数オブジェクト
  数式計算の実装
  数式計算から数値計算へ変換
  関数化とクラス化
  数式からC++までコード生成
  抽象構文木によるPythonコード解析
  C++の関数オブジェクト
  
  ■Appendix：開発環境の構築とNMPC実装
  コード実行環境
  1. WSLの有効化
  2. Ubuntu 24.04をインストール
  3. Visual Studio Code（VSCode）をインストール
  4. WSL Ubuntuの起動
  5. Dockerのインストール
  6. Dockerイメージを作成
  7. ライブラリのサンプルコードを実行
  C++デバッガのバグ
  環境の準備
  計測実行
  NMPCの設計内容

• 内容紹介

  本書は、制御対象のふるまいを予測しながら最適な操作量を計算する「モデル予測制御」を題材に、理論だけで終わらせず、実際に動く高速で読みやすいC++コードとして実装するための実践書です。スパース行列を活用した効率的な行列演算、制御アルゴリズムのライブラリ設計、Pythonによるモデル化・検証からC++コード生成、組込みシステムへの実装までを一気通貫で解説します。生成AIも設計・実装の補助として取り入れながら、現場で再利用できる開発ワークフローと高速化の考え方を身につけます。制御の知識をソフトウェアとして形にしたいエンジニア、研究者、大学院生に向けて、自ら実装し、検証し、改善できる力を育てる一冊です。

• 著者について

  新帯 俊信 (シンタイ トシノブ)
  電気電子工学系の大学院修士課程修了。メーカーに就職後、制御理論・制御工学、強化学習などを活用し、電力変換器や移動体などの制御設計と開発に従事。先行開発から量産開発まで、効率良く開発を進める「モデルベース開発」の基盤技術構築に貢献。数社転職の後、現在は自動車業界の大手メーカーにて自動運転制御機能の開発設計に従事。

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