本申请提供了一种弹性组合定步长仿真方法及系统,涉及工业互联网数值仿真计算领域,方法包括:获取信息物理系统模型;将信息物理系统模型编译成标准状态方程形式的数学模型;设置定步长仿真算法;设置基础仿真步长;设置仿真采用的定步长模式;定步长模式包括:分时段自定义步长模式和自适应步长模式;通过设置的定步长仿真算法、基础仿真步长以及定步长模式,生成仿真配置文件;通过仿真配置文件、结合数学模型,执行单步积分,完成仿真。本申请的技术方案可支持,分时段跨区间自定义步长离线仿真,同时支持基于事件触发的自适应定步长在线仿真。
背景技术
在工业互联网数值仿真计算领域,仿真任务的关键在于如何高效且准确地模拟复杂信息物理系统模型的动态特性,如新能源车辆动态模拟仿真、基于模型的控制系统仿真;这通常要求仿真模型足够精细,同时用于仿真模型求解的数值计算方法具有良好的收敛性与稳定性。主流的数值计算方法可以划分为定步长方法和变步长方法。定步长方法在整个仿真过程中固定每次积分计算的时间步长,无论系统的状态如何变化,步长都是预先设定的一个常数。变步长方法是一类在数值积分过程中动态调整时间步长的算法,这类算法根据系统状态的变化灵活调整步长,以适应不同时间段内系统行为的复杂性,实现在保证数值精度的前提下提高计算效率。
变步长方法是为了解决定步长方法中存在的效率和精度之间的矛盾而提出的,通常作为复杂信息物理系统模型仿真的首选类型方法。然而在一些特定仿真场景下,定步长方法相比变步长方法更具优势,比如:
1)实时系统仿真:计算资源有限且需保证实时性,固定步长可以确保每次积分计算的时间都是恒定的,方便实时系统调度任务。
2)资源受限的嵌入式系统:嵌入式系统通常对计算资源、存储和功耗有严格的要求。定步长积分算法的计算复杂度相对较低,适合在这些资源受限的环境中应用。
3)长期仿真:在一些需要长时间运行的仿真中,定步长算法可以简化数值误差的控制,且因为步长是恒定的,可以容易地估计误差积累情况。
4)线性系统仿真:对于线性或接近线性的系统,定步长积分算法往往足够精确。系统行为在每个时间步的变化不大,固定步长可以提供良好的平衡,既保证了精度,又控制了计算开销。
实践表明,定步长方法在上述仿真场景表现良好,但当仿真对象为复杂信息物理系统模型时,定步长方法难以平衡仿真效率与仿真精度。比如,复杂信息物理系统模型在仿真初始阶段和瞬态响应阶段具有较强烈的状态波动,而为了准确捕捉这些动态行为,仿真步长应足够小,迫使整个仿真过程均采用小步长,这导致整体仿真效率下降严重。再比如,针对稳定运行系统受外部扰动后的抗干扰能力模拟(即故障注入仿真),仅在外部事件扰动后的小时间段存在状态震荡,需要采用较小的故障仿真步长以保证收敛性和精度;而在稳定运行阶段,仿真步长可能是故障步长的几十到上百倍。这种情况同样出现在实时仿真场景,当不必要的模型计算需要消耗过多的计算资源,这将导致整体功耗与成本的上升。
实现思路