用混合計算機進行系統仿真的方法，有些複雜的連續系統仿真對計算精度和計算速度都有嚴格的要求。
基本介紹
- 中文名：混合仿真方法
- 含義：用混合計算機進行系統仿真的方法
- 嚴格要求：計算精度和計算速度
- 選擇原則：四種
正文,
正文
用混合計算機進行系統仿真的方法。混合計算機能集中模擬計算機的計算速度快和數字計算機的計算精度高的優點。混合仿真方法比單純的模擬仿真或單純的數字仿真複雜，它是模擬仿真方法和數字仿真方法在具體套用上的相互結合和相互補充。混合仿真方法的關鍵問題是對兩類不同的計算機合理地分配任務和恰當地選擇幀速。任務的分配主要取決於任務的性質和對精度、速度的要求。幀速的選擇原則是：①根據採樣定理，包含干擾在內的信號最高有效頻率必須小於採樣頻率的一半；②由於時間延遲和零階保持造成的幅度和相位誤差必須限制在允許範圍之內；③數值計算的截斷誤差對被仿真的系統來說應減小到可以忽略的程度。混合仿真方法在航天、航空、核能、電力、化工等複雜的動力學系統仿真中獲得廣泛的套用。它比模擬仿真具有更高的精度，比數字仿真具有更高的速度；不僅可實現實時仿真，而且可以完成超實時仿真。混合仿真方法主要用於實現數字控制系統混合仿真、連續系統參數尋優和連續系統混合仿真。
數字控制系統混合仿真 在數字控制系統中，控制器是一個專用的數字計算機，而控制對象通常是一個連續系統。採用混合仿真方法可以真實而且直觀地反映這類系統的特性，即用模擬計算機實現控制對象動態過程的仿真，用數字計算機實現控制器的仿真。在仿真過程中，採樣頻率可以與真實系統一致，也可以引入時間比例尺，使仿真過程快於或慢於真實系統。
連續系統參數尋優 用混合計算機進行連續系統參數尋優時，用模擬計算機進行系統動態過程的快速重複計算，用數字計算機控制尋優過程和執行按某種尋優算法編制的尋優程式，並實現參數的修正和結果的存儲。通常採用的尋優算法是梯度法或隨機法。在每一次疊代循環中，數字計算機將被尋優的參數值輸送給數模乘法器或數模轉換器,以實現參數的調整（圖1）。 連續系統混合仿真 有些複雜的連續系統仿真對計算精度和計算速度都有嚴格的要求。此時宜採用混合仿真方法。在連續系統仿真中,首先要對計算任務進行合理的分配，即分配給模擬計算機要求計算速度快而精度不高的計算任務，分配給數字計算機要求計算精度高而變化慢的任務。例如，在空間飛行器的仿真中，用模擬計算機完成姿態控制迴路的計算，而用數字計算機計算軌道、制導和導引方程(圖2)。此外，對於某些難於用模擬計算機的運算部件來完成的計算問題，如多變數函式的計算、坐標轉換等，也需要由數字計算機來完成。
誤差 由於在連續系統的仿真迴路中引入了數字計算機、多路採樣器、模數轉換器和數模轉換器，所以必須考慮由此引起的各種誤差因素。主要的誤差因素有:①由數值積分所帶來的截斷誤差以及算法本身可能帶來的時間滯後。截斷誤差同算法和積分步長有關。②由多路採樣器、模數轉換器和數模轉換器所帶來的時間滯後。③由模數轉換器有限的解析度所帶來的量化誤差。④由數模轉換器零階保持輸出帶來的幅度誤差和相位滯後。這種誤差同仿真系統的採樣速率（通常稱為幀速）有關。
減少這些誤差的主要方法是：①選擇適當的數值積分算法,在保證計算精度和穩定性的前提下,減少計算量，縮短步長。同時考慮算法本身的實時性，避免由算法帶來的時間滯後。②提高幀速以減小由時間滯後和零階保持所帶來的幅度誤差和相位滯後。這就要求提高數字計算機和接口設備的速度，設備造價也相應地提高。③利用多幀速算法，即將數字計算部分劃分為快變化部分和慢變化部分，分別選取不同的計算步長，以減少計算量。④利用補償和外插方法消除由時間滯後和零階保持所產生的幅度誤差和相位滯後。補償可以由數字計算機完成，也可以由模擬計算機完成。補償方法有一階補償、二階補償和三階補償等。⑤提高接口設備的速度和解析度,減少時間滯後和量化誤差。
數字控制系統混合仿真 在數字控制系統中，控制器是一個專用的數字計算機，而控制對象通常是一個連續系統。採用混合仿真方法可以真實而且直觀地反映這類系統的特性，即用模擬計算機實現控制對象動態過程的仿真，用數字計算機實現控制器的仿真。在仿真過程中，採樣頻率可以與真實系統一致，也可以引入時間比例尺，使仿真過程快於或慢於真實系統。
連續系統參數尋優 用混合計算機進行連續系統參數尋優時，用模擬計算機進行系統動態過程的快速重複計算，用數字計算機控制尋優過程和執行按某種尋優算法編制的尋優程式，並實現參數的修正和結果的存儲。通常採用的尋優算法是梯度法或隨機法。在每一次疊代循環中，數字計算機將被尋優的參數值輸送給數模乘法器或數模轉換器,以實現參數的調整（圖1）。 連續系統混合仿真 有些複雜的連續系統仿真對計算精度和計算速度都有嚴格的要求。此時宜採用混合仿真方法。在連續系統仿真中,首先要對計算任務進行合理的分配，即分配給模擬計算機要求計算速度快而精度不高的計算任務，分配給數字計算機要求計算精度高而變化慢的任務。例如，在空間飛行器的仿真中，用模擬計算機完成姿態控制迴路的計算，而用數字計算機計算軌道、制導和導引方程(圖2)。此外，對於某些難於用模擬計算機的運算部件來完成的計算問題，如多變數函式的計算、坐標轉換等，也需要由數字計算機來完成。
誤差 由於在連續系統的仿真迴路中引入了數字計算機、多路採樣器、模數轉換器和數模轉換器，所以必須考慮由此引起的各種誤差因素。主要的誤差因素有:①由數值積分所帶來的截斷誤差以及算法本身可能帶來的時間滯後。截斷誤差同算法和積分步長有關。②由多路採樣器、模數轉換器和數模轉換器所帶來的時間滯後。③由模數轉換器有限的解析度所帶來的量化誤差。④由數模轉換器零階保持輸出帶來的幅度誤差和相位滯後。這種誤差同仿真系統的採樣速率（通常稱為幀速）有關。
減少這些誤差的主要方法是：①選擇適當的數值積分算法,在保證計算精度和穩定性的前提下,減少計算量，縮短步長。同時考慮算法本身的實時性，避免由算法帶來的時間滯後。②提高幀速以減小由時間滯後和零階保持所帶來的幅度誤差和相位滯後。這就要求提高數字計算機和接口設備的速度，設備造價也相應地提高。③利用多幀速算法，即將數字計算部分劃分為快變化部分和慢變化部分，分別選取不同的計算步長，以減少計算量。④利用補償和外插方法消除由時間滯後和零階保持所產生的幅度誤差和相位滯後。補償可以由數字計算機完成，也可以由模擬計算機完成。補償方法有一階補償、二階補償和三階補償等。⑤提高接口設備的速度和解析度,減少時間滯後和量化誤差。
