專利名稱：一種基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言的電路仿真優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電路仿真優(yōu)化方法，特別是關(guān)于一種基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言的電路仿真優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
統(tǒng)一建模語(yǔ)言具有領(lǐng)域無關(guān)的通用模型描述能力，由于采用統(tǒng)一的模型描述形式，因此基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言的方法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的不同領(lǐng)域子系統(tǒng)模型間的無縫集成。歐洲仿真協(xié)會(huì)EUR0SIM于1996年組織了瑞典等6個(gè)國(guó)家建模與仿真領(lǐng)域的14位專家，針對(duì)多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模技術(shù)展開研究，提出通過國(guó)際開放合作，研究設(shè)計(jì)下一代多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica。其模型庫(kù)已覆蓋汽車動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、燃料電池、熱動(dòng)力、模糊控制、電路仿真等許多工程領(lǐng)域等。針對(duì)不同學(xué)科實(shí)驗(yàn)構(gòu)件數(shù)理邏輯的一致性，基于多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模理論與約束表示理論，采用Modelica規(guī)范，結(jié)合方程、函數(shù)、算法、圖表，結(jié)構(gòu)體、if表達(dá)式、when表達(dá)式等約束表達(dá)元素，以及Modelica規(guī)范提供的各種內(nèi)置操作函數(shù)，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的數(shù)理邏輯進(jìn)行一致性表示。對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)理模型的求解，首先通過詞法、語(yǔ)法與語(yǔ)義分析，形成文檔對(duì)象模型(DOM)樹，基于DOM樹，通過聚合展開、繼承展開、連接展開和組件實(shí)例化，實(shí)現(xiàn)基于 Modelica的具有層次結(jié)構(gòu)的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖蚱教沟臄?shù)學(xué)模型的映射；對(duì)于模型中的微分代數(shù)子系統(tǒng)，提出基于結(jié)構(gòu)分析的指標(biāo)歸約方法，實(shí)現(xiàn)高指標(biāo)DAE系統(tǒng)的降指標(biāo)處理；將模型中的離散事件轉(zhuǎn)化為數(shù)值穿越函數(shù)，通過對(duì)穿越函數(shù)的過零檢測(cè)判斷事件的觸發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有的針對(duì)DAE，如DASSL、Sundals等、ODE、線性/非線性代數(shù)系統(tǒng)的多種數(shù)值求解算法， 通過事件迭代與重新初始化處理，實(shí)現(xiàn)連續(xù)離散混合虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)值求解，并完成結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效的補(bǔ)充，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，它不僅可以在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各種制約和弊端，從而有效地解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問題，達(dá)到優(yōu)化教育資源、提高教學(xué)質(zhì)量的目的。虛擬實(shí)驗(yàn)是以現(xiàn)代教育理論為指導(dǎo)，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托而建立的一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。在利用Modelica語(yǔ)言作為統(tǒng)一建模語(yǔ)言的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，利用0PENM0DELICA 平臺(tái)作為仿真工具(其仿真內(nèi)核為Modelica語(yǔ)言)。一個(gè)重要的內(nèi)容就是進(jìn)行電路仿真， 由于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica只有瞬態(tài)仿真語(yǔ)言，缺乏直流分析語(yǔ)言，所以利用該語(yǔ)言對(duì)含有儲(chǔ)能元件(如電容)的電路進(jìn)行仿真運(yùn)算時(shí)，其元器件的每個(gè)初始值都是從O開始計(jì)算。因此造成對(duì)某些特定電路仿真數(shù)據(jù)輸出直流穩(wěn)定時(shí)間過長(zhǎng)，嚴(yán)重影響到可用性。 如圖1、圖2所示，現(xiàn)有的仿真電路在使用時(shí)，其需要的穩(wěn)定仿真時(shí)間大于等于10秒(設(shè)置值)，實(shí)際測(cè)試為56. 4秒，仿真時(shí)間較長(zhǎng)
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種在不影響仿真正確性的前提下，能有效減少仿真時(shí)間，提高整個(gè)仿真系統(tǒng)速度和可用性的基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言的電路仿真優(yōu)化方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言的電路仿真優(yōu)化方法，其包括如下步驟(1)繪制需要仿真的電路圖；(2)將電路圖轉(zhuǎn)換成 Modelica仿真用的標(biāo)準(zhǔn)mo文件，mo文件為Modelica內(nèi)核所承認(rèn)的一種磁盤文件格式；(3) 采用直流分析方法將仿真用的標(biāo)準(zhǔn)mo文件轉(zhuǎn)換成直流分析mo文件；(4)采用小數(shù)據(jù)短步長(zhǎng)方法對(duì)直流分析mo文件進(jìn)行仿真，進(jìn)而取得各器件的初始值數(shù)據(jù)表；( 在步驟中獲得的各器件初始數(shù)據(jù)表中選出各器件的直流初始值，每個(gè)器件取最后一個(gè)值作為直流初始值；(6)恢復(fù)步驟(2)中的標(biāo)準(zhǔn)mo文件，將由步驟(5)得到的器件直流初始值加載到所述步驟O)的仿真文件中作為器件的初始值，重新進(jìn)行帶有器件初始值的短時(shí)間、大數(shù)據(jù)量仿真，并取得最終結(jié)果。所述步驟中，所述小數(shù)據(jù)短步長(zhǎng)方法中，采用小數(shù)據(jù)為小于100個(gè)數(shù)據(jù)，短步長(zhǎng)為小于0.01s。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明由于采用直流分析方法將標(biāo)準(zhǔn)mo文件轉(zhuǎn)換為直流分析mo文件，并采用小數(shù)據(jù)短步長(zhǎng)方法對(duì)直流分析mo文件進(jìn)行仿真，計(jì)算產(chǎn)生各器件的初始值數(shù)據(jù)表，選取最后一個(gè)值為直流初始值，并將該直流初始值作為下一次仿真器件的初始值，因此大大減少了仿真時(shí)間，提高了整個(gè)仿真系統(tǒng)的速度。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于電路仿真優(yōu)化領(lǐng)域中。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica的仿真電路示意圖；圖2是圖1在仿真到10秒時(shí)數(shù)據(jù)穩(wěn)定效果示意圖；圖3是本發(fā)明的流程示意圖；圖4是本發(fā)明優(yōu)化后仿真的波形效果圖；圖5是是圖4局部展開圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明利用多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica對(duì)電路進(jìn)行仿真，除了要求結(jié)果真實(shí)可信外，還要求實(shí)際仿真時(shí)間盡量縮短。由于輸出數(shù)據(jù)直流穩(wěn)定時(shí)間過長(zhǎng)，造成設(shè)置的系統(tǒng)仿真時(shí)間就無法縮短。而在實(shí)際仿真中，實(shí)際仿真時(shí)間Tk = K *TS，其中Ts是設(shè)置的系統(tǒng)仿真時(shí)間，K為系數(shù)主要取決于運(yùn)算的硬件設(shè)備快慢，但是K值往往大于50，也就是說設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真時(shí)間Ts為0. Is時(shí)，實(shí)際仿真時(shí)間Tk往往大于5S，這是所有仿真軟件的特性，是無法改變得。在確定系統(tǒng)的硬件不變的情況下，K也就不變化了，那么縮小實(shí)際仿真時(shí)間Tk的最佳途徑就是減少設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真時(shí)間Ts。而仿真數(shù)據(jù)的采樣數(shù)設(shè)置多少也非常重要，因?yàn)榉抡娴慕Y(jié)果數(shù)據(jù)都是雙浮點(diǎn)數(shù)，如果數(shù)據(jù)過多，讀寫都要花費(fèi)較多的時(shí)間，但如果數(shù)據(jù)較少， 會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)量不足造成輸出波形的失真。下面通過具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的介紹。如圖3所示，本發(fā)明在開始的小數(shù)據(jù)短時(shí)間瞬態(tài)仿真中，采用盡可能少的數(shù)據(jù)，例如100個(gè)采樣點(diǎn)，得到器件的初始直流值，而在后續(xù)帶有器件初始值的仿真中，將根據(jù)仿真時(shí)間的長(zhǎng)短，來設(shè)置數(shù)據(jù)量。為了減少設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真時(shí)間Ts，就要完成一個(gè)類似SPICE語(yǔ)言中直流仿真的效果。本發(fā)明對(duì)系統(tǒng)仿真時(shí)間Ts進(jìn)行優(yōu)化的步驟如下1)繪制需要仿真的電路圖(如圖1所示)；2)將步驟1)中繪制好的電路圖轉(zhuǎn)換成Modelica仿真用的標(biāo)準(zhǔn)mo文件，mo文件為Modelica內(nèi)核所承認(rèn)的一種磁盤文件格式；3)將仿真用的標(biāo)準(zhǔn)mo文件轉(zhuǎn)換成直流分析mo文件，即采用現(xiàn)有技術(shù)中通用的直流分析方法，將旁路電容C2和耦合電容Cl和C3斷路，電壓源Vs短路，將電流源Is斷路， 得到直流分析mo文件；4)采用小數(shù)據(jù)短步長(zhǎng)的方法對(duì)直流分析mo文件進(jìn)行仿真，進(jìn)而取得各器件的初始值數(shù)據(jù)表(如表1所示)，其中小數(shù)據(jù)為小于100個(gè)數(shù)據(jù)，短步長(zhǎng)為小于0. Ols ；表1器件初始值數(shù)據(jù)表
權(quán)利要求
1.一種基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言的電路仿真優(yōu)化方法，其包括如下步驟(1)繪制需要仿真的電路圖；(2)將電路圖轉(zhuǎn)換成Modelica仿真用的標(biāo)準(zhǔn)mo文件，mo文件為Modelica內(nèi)核所承認(rèn)的一種磁盤文件格式；(3)采用直流分析方法將仿真用的標(biāo)準(zhǔn)mo文件轉(zhuǎn)換成直流分析mo文件；(4)采用小數(shù)據(jù)短步長(zhǎng)方法對(duì)直流分析mo文件進(jìn)行仿真，進(jìn)而取得各器件的初始值數(shù)據(jù)表；(5)在步驟中獲得的各器件初始數(shù)據(jù)表中選出各器件的直流初始值，每個(gè)器件取最后一個(gè)值作為直流初始值；(6)恢復(fù)步驟(2)中的標(biāo)準(zhǔn)mo文件，將由步驟(5)得到的器件直流初始值加載到所述步驟的仿真文件中作為器件的初始值，重新進(jìn)行帶有器件初始值的短時(shí)間、大數(shù)據(jù)量仿真，并取得最終結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言的電路仿真優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(4)中，所述小數(shù)據(jù)短步長(zhǎng)方法中，采用小數(shù)據(jù)為小于100個(gè)數(shù)據(jù)，短步長(zhǎng)為小于 0. 01s。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言的電路仿真優(yōu)化方法，其步驟如下(1)繪制需要仿真的電路圖；(2)將電路圖轉(zhuǎn)換成Modelica仿真用的標(biāo)準(zhǔn)mo文件；(3)采用直流分析方法將仿真用的標(biāo)準(zhǔn)mo文件轉(zhuǎn)換成直流分析mo文件；(4)采用小數(shù)據(jù)短步長(zhǎng)方法對(duì)直流分析mo文件進(jìn)行仿真，進(jìn)而取得各器件的初始值數(shù)據(jù)表；(5)在步驟(4)中獲得的各器件初始數(shù)據(jù)表中選出各器件的直流初始值，每個(gè)器件取最后一個(gè)值作為直流初始值；(6)恢復(fù)步驟(2)中的標(biāo)準(zhǔn)mo文件，將由步驟(5)得到的器件直流初始值加載到仿真文件中作為器件的初始值，重新進(jìn)行帶有器件初始值的短時(shí)間、大數(shù)據(jù)量仿真，并取得最終結(jié)果。本發(fā)明能提高仿真系統(tǒng)的速度，可以廣泛應(yīng)用于電路仿真優(yōu)化領(lǐng)域中。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102508985SQ201110392309
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者劉元盛, 李金平, 鮑泓 申請(qǐng)人:北京聯(lián)合大學(xué)