CN102867081A - 多领域协同仿真计算的耦合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多领域协同仿真计算的耦合控制方法，在基于接口的多设备参数、多领域间的相互作用关系及控制参数的环境中实现协同仿真基于仿真步长级的多向耦合控制。本发明提出的多领域协同仿真耦合控制方法，实现了多领域间基于仿真步长级的多向耦合仿真，可以满足领域间相互作用强且领域间关系复杂的多领域协同仿真应用需求，方法考虑了耦合计算稳定性及精确性保障措施，避免因耦合边界突变导致相关联的子系统仿真计算的失稳，增强协同仿真系统耦合计算的鲁棒性，提高了耦合边界数据的精度，并最终提高整个协同仿真系统耦合计算的精度。

Description

多领域协同仿真计算的耦合控制方法

所属技术领域

本发明涉及仿真控制技术领域。

背景技术

目前协同仿真在考虑各领域间的相互影响时，一般以领域间的单向影响或离线影响仿真应用为主，在少数的考虑领域间双向在线影响的协同仿真应用中，主要考虑两个子领域间的相互作用，并未提出多领域间的基于仿真步长级的多向耦合控制方法。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是研究提供一种多领域协同仿真计算的耦合控制方法，使之克服现有技术的以上缺点。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

在基于接口的多设备参数、多领域间的相互作用关系及控制参数的环境中实现协同仿真基于仿真步长级的多向耦合控制，包括以下步骤：

(1)获取参与协同仿真的各领域系统设备的参数及协同仿真控制参数，作为协同仿真系统的输入，根据各领域间的耦合作用关系，建立多领域协同仿真模型；

(2)进行多领域协同仿真系统初始化，根据各领域的仿真步长对多领域协同仿真系统划分为多层结构：仿真步长相同的定义为一层，随着仿真步长的增长，层级增加；

(3)进行第i层(i为变量，代表从0到系统最高层，下同)领域的耦合仿真计算推进，协同仿真系统以各领域的最小仿真步长为推进单位，其耦合仿真推进过程为：

1)启动第i层领域的仿真计算；

2)采用虚拟时间轴同步方法进行第i层领域的仿真时长同步控制，保证该层各领域在协同仿真推进过程中的同步；

3)当判别第i层的各领域满足耦合条件时，求解第i层领域间的耦合计算模型，并更新第i层相关领域的耦合作用边界条件，否则返回1)，继续进行仿真推进；

4)判别仿真终止条件，满足条件则仿真停止退出，否则，返回1)，并采用不同领域间采用数据插值方法和耦合边界缓和过渡方法对第i层各领域的边界条件加载方法进行控制，以确保协同仿真耦合控制过程的平稳推进；

(4)各领域在耦合控制下更新边界条件，同时根据约定的时间步长输出该步的协同仿真计算结果；

(5)协同仿真结束，对输出的多领域协同仿真计算结果进行后处理。

采用本发明方法，实现了多领域间基于仿真步长级的多向耦合仿真，可以满足领域间相互作用强且领域间关系复杂的多领域协同仿真应用需求。同时，本发明方法考虑了耦合计算稳定性及精确性保障措施。通过对各子系统间的耦合边界采用缓和插值过渡的方法，如在该耦合步获得的耦合边界数据，通过分步插值的方式加载到本子系统随后连续的几次仿真计算中，由此避免因耦合边界突变导致相关联的子系统仿真计算的失稳，可以增强协同仿真系统耦合计算的鲁棒性。同时在系统插值计算时，针对不同的子系统采用各自适合的插值算法，提高了耦合边界数据的精度，并最终提高整个协同仿真系统耦合计算的精度。

附图说明

图1一种多领域协同仿真计算的耦合控制方法流程图

图2多层次的耦合仿真步长控制系统描述图

图3多层次耦合仿真步长协调算法流程图

图4耦合模型数数据处理算法示意图。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明的内容作进一步的详述。

在进行多领域协同仿真推进时，由于各领域的仿真步长、仿真时长不一致，导致协同仿真推进过程中各领域间存在时空不同步现象，为实现多领域协同仿真基于仿真步的耦合控制，提出一种多层次的多领域协同仿真耦合控制方法，如图1所示，其流程描述如下：

(1)获取参与协同仿真的各领域系统设备的参数及协同仿真控制参数等，作为协同仿真系统的输入，并根据各领域间的耦合作用关系，建立多领域协同仿真模型。

(2)进行多领域协同仿真系统初始化。由于多领域仿真中的各领域仿真步长不一，根据各领域的仿真步长对多领域协同仿真系统进行分层。将仿真步长相同的定义为一层，领域个数不限，随着仿真步长的增长，层级增加，据此方法将整个系统划分为多层结构。如协同仿真中的四个领域的仿真步长分别是0.001s，0.05s，0.05s，0.2s，则领域1定义为第一层，领域2和领域3定义为第二层，领域4定义为第三层。设定各层的耦合仿真步长和累积仿真步长，对协同仿真系统进行初始化，各领域按初始条件进行第一步仿真。

(3)进行第i层领域的耦合仿真计算推进。图1中所示的协同仿真系统分为m层，共有n个领域参与协同仿真，根据各领域的仿真步长，仿真步长的领域定义为一层，假设领域1和领域2定义为第0层，领域3定义为第1层，以此类推，领域n定义为第m层。协同仿真系统以各领域的最小仿真步长为推进单位，其耦合仿真推进过程为：

1)启动第i层领域的仿真计算；

2)采用虚拟时间轴同步方法进行第i层领域的仿真时长同步控制，保证该层各领域在协同仿真推进过程中的同步；

3)当判别第i层的各领域满足耦合条件时，求解第i层领域间的耦合计算模型，并更第i层相关领域的耦合作用边界条件，否则返回1)，继续进行仿真推进；

4)判别仿真终止条件，满足条件则仿真停止退出，否则，返回1)，并采用不同领域间采用不同数据插值方法和耦合边界缓和过渡方法对第i层各领域的边界条件加载方法进行控制，以确保协同仿真耦合控制过程的平稳推进。

(4)随着协同仿真的推进，各领域在耦合控制下不断更新边界条件，同时根据约定的时间步长输出该步的协同仿真计算结果。

(5)协同仿真结束，对输出的多领域协同仿真计算结果进行后处理应用。采用耦合控制的协同仿真计算结果的后处理应用主要包括各领域设备性能评估、各领域设备优化设计、系统综合性能评估及优化等。

多领域协同仿真耦合控制方法的关键内容包括：多层次协同仿真推进及控制方法、同层次各领域的仿真同步控制方法、耦合模型求解及边界数据处理方法。其关键内容的详细实现过程描述如下。

1、多层次协同仿真推进及控制方法

多层次协同仿真推进及控制方法是指整个协同仿真系统设置了两个层次以上的耦合控制仿真步长，实施逐级耦合，由多个累积耦合步长进行整个耦合过程的控制。

以三个领域组成的多领域协同仿真系统为例，现假设领域A的仿真步长为S_A，领域B的仿真步长为S_B，领域C的仿真步长为S_C。将耦合仿真步长记为S_I，则其取值方式为：

S_I＝CM(S_A，S_B，S_C)

式中函数CM代表获取各领域仿真步长的公倍数。

根据各领域的仿真步长，将相同步长的领域设为同一层，按仿真步长大小将协同仿真系统的各领域设为多层，如图2所示。从图中可知，领域C、D和领域A、B的仿真步长之间不成倍比关系，然而某些领域的仿真步长在一定范围内是可以变化的，所以在设置各领域的仿真步长时，在保证算法稳定性的前提下，可以采用人工方式或自适应算法对各领域的仿真步长进行调整，使得各领域的仿真步长和耦合仿真步长之间成倍比关系，以利于耦合控制方法的实施。

在多领域协同仿真中，假设参与耦合计算领域的个数为n，各领域的仿真步长为S[i]，0<=i<n，各领域的最小仿真步长记为MinS=min(S[i])，根据各领域的仿真步长设置耦合仿真步长的层次数为m，为每一层次都定义一个耦合仿真步长，记为S_I[j]，0<=j<m，同时为每一层次都定义一个累积仿真步长，记为AccuS[j]，0<=j<m。多层次协同仿真推进及控制方法的详细实现流程描述如图3所示。

(1)初始化各领域仿真步长分层并标识，设置多层耦合步长S_I[j]，设置各层累积步长AccuS[j]；

(2)设置耦合层次控制变量j，令j=0；

(3)对第j=0层领域仿真计算一次(最小仿真步长层)，遍历所有层，每层的累积仿真步长增加第j=0层的领域仿真步长。如果第j层的累积仿真步长不小于该层的耦合仿真步长且不为第0层，转到第(5)步；

(4)第j层的所有领域仿真计算一次；

(5)第j层领域向耦合关系模型传递并更新耦合输入数据，求解第j层耦合关系模型，向第j层领域传递并更新耦合边界输入数据，同时第j层累积步长减小该层的耦合仿真步长；

(6)j++，遍历各层；

(7)遍历结束，如果达到仿真终止条件则退出，否则，转到第(3)步继续仿真。

在每层次的耦合计算中，只有仿真步长小于等于该级耦合仿真步长的领域才启动仿真计算，而仿真步长大于该级耦合仿真步长的领域虽然也参与耦合计算，但领域本身并没有启动仿真计算，仍处于等待状态，只是利用上一次的计算结果进行处理后提供其他相关领域的耦合输入数据。

2同层次各领域的仿真同步控制方法

在同一硬件条件下，各领域进行一个仿真步长计算所消耗的物理时间各不相等，因此，在各领域自由仿真推进的状态下，各领域计算物理时间的不一致性必将导致其仿真空间的不一致性。

从耦合仿真的角度看，各领域必须是同步并行推进的。为此在仿真推进的过程中，构造一条虚拟时间轴作为各领域仿真推进时统一的时间标准，每个领域仿真推进一步，在虚拟时间轴上进行标记，当所有相关的领域标记完成，才允许各相关领域再进行下一仿真步的仿真计算，通过这种方式实现了同层次各领域仿真的同步推进。

3耦合模型求解及边界数据处理方法

耦合模型的求解是指对各领域的耦合关系进行解析，根据所获得的具有耦合关系的各领域的耦合输入数据，进行数据插值等处理手段，分别将结果输出到相应的领域的过程。耦合模型的求解并不困难，但由于各领域的仿真步长间可能存在非倍比关系，此时需要对耦合数据进行专门的处理，以保证耦合控制的精度。如图2所示，第2、3层次耦合仿真步长和其他领域的仿真步长不成整数倍关系，以第2层耦合计算过程为例，当AccuS[0]>=S_I[0]且AccuS[1]>=S_I[1]时，领域A、B、C都需要进行一次仿真计算，并更新相关领域的耦合输入数据，此时领域A和领域B的仿真起点在时间轴上已经超越领域C的仿真起点，而领域A、B、C是同步进行计算的，这说明领域A、B在该步仿真时无法得到领域C在该仿真起点时刻的耦合输入数据，此时，取时间轴上领域C已有的、且离领域A、B仿真起点最近的计算数据作为领域A、B在该仿真步的耦合输入数据。而对于领域C来说，本步的耦合仿真计算可通过领域A、B上一仿真步的计算结果，进行插值计算获得所需的耦合输入数据。耦合模型输入数据的处理算法如图4所示。

1)如果相关耦合领域在耦合仿真步长点有计算数据的，则利用该计算数据作为耦合输入；

2)如果相关耦合领域在耦合仿真步长点没有计算数据，但在该点的时间轴前后都有计算数据，则利用插值算法计算出该耦合仿真步长点的数据作为耦合输入，不同类型的领域采用不同的插值算法；

3)如果相关耦合领域在耦合仿真步长点没有计算数据，且在时间轴上计算数据位于该点之前，则取时间轴上离该点最近的计算数据作为耦合输入。

在求解耦合模型时，针对不同的领域采用各自适合的插值算法，提高耦合边界数据的精度，最终提高整个协同仿真系统耦合计算的精度。

求解耦合模型后，需对相关领域的边界条件进行更新，由于这种离散系统耦合的方式在耦合点处由于边界条件的突然更新，会对系统带来一定的冲击，为增强协同仿真系统耦合计算的鲁棒性，对各领域间的耦合边界采用缓和插值过渡的方法，如在该耦合步获得的耦合边界数据，通过分步插值的方式加载到本领域随后连续的几次仿真计算中，由此避免因耦合边界突变导致相关联的领域仿真计算的失稳。

多领域协同仿真计算结果进行后处理包括，将仿真计算结果输出到各专用控制和设计设备，也可应用于各领域设备性能评估、综合性能评估及优化处理。

Claims (2)

1.一种多领域协同仿真计算的耦合控制方法，在基于接口的多设备参数、多领域间的相互作用关系及控制参数的环境中实现协同仿真基于仿真步长级的多向耦合控制，包括以下步骤：

(1)获取参与协同仿真的各领域系统设备的参数及协同仿真控制参数，作为协同仿真系统的输入，根据各领域间的耦合作用关系，建立多领域协同仿真模型；

(2)进行多领域协同仿真系统初始化，根据各领域的仿真步长将多领域协同仿真系统划分为多层结构：仿真步长相同的定义为一层，随着仿真步长的增长，层级增加；

(3)进行第i层领域的耦合仿真计算推进，协同仿真系统以各领域的最小仿真步长为推进单位，其耦合仿真推进过程为：

1)启动第i层领域的仿真计算；

2)采用虚拟时间轴同步方法进行第i层领域的仿真时长同步控制，保证该层各领域在协同仿真推进过程中的同步；

3)当判别第i层的各领域满足耦合条件时，求解第i层领域间的耦合计算模型，并更新第i层相关领域的耦合作用边界条件，否则返回1)，继续进行仿真推进；

4)判别仿真终止条件，满足条件则仿真停止退出，否则，返回1)，并采用不同领域间采用数据插值方法和耦合边界缓和过渡方法对第i层各领域的边界条件加载方法进行控制，以确保协同仿真耦合控制过程的平稳推进；

(4)各领域在耦合控制下更新边界条件，同时根据约定的时间步长输出该步的协同仿真计算结果；

(5)协同仿真结束，对输出的多领域协同仿真计算结果进行后处理。

2.根据权利要求1所述之多领域协同仿真计算的耦合控制方法，其特征在于，所述多领域协同仿真计算结果后处理，包括将仿真计算结果输出到各专用设计和分析设备，以应用于各领域设备性能评估、综合性能评估及优化处理。

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