AMESim軟件仿真加速方法

王巖，董洪康，衛(wèi)健

(1.北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京100191; 2.航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室，江蘇南京211106)

AMESim軟件已用于車輛、越野設(shè)備、船舶、航空航天以及重型設(shè)備工業(yè)等多學科領(lǐng)域，成為包括流體、機械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺。文獻［1］以AMESim為平臺，采用模塊化的設(shè)計方法，分別建立航空發(fā)動機、傳感器、燃油系統(tǒng)、電子控制器和執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學模型;文獻［2］建立了行程敏感減振器的數(shù)學模型，并采用AMESim和MATLAB/Simulink的接口技術(shù)對模型進行仿真研究;文獻［3］利用AMESim仿真軟件對雙壓力液壓系統(tǒng)進行了建模與仿真;文獻［4］運用MATLAB/Simulink和機械液壓仿真軟件AMESim搭建了SAS+EPS的集成控制模型，并進行了聯(lián)合仿真;文獻［5］利用AMESim仿真平臺，對某全地域越野車氣制動感載比例閥進行仿真分析，得到了該閥的輸入、輸出壓力特性曲線。

然而伴隨模型的復(fù)雜化和精細化，尤其是對于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)仿真來說，其運行速度緩慢成為一個亟待解決的問題。以三柱塞泵初始模型為例，假設(shè)PC的工作頻率為2.8 GHz，進行0.6 s的仿真需要花費的計算時間約為35 min［6］。這僅僅是單個元件的仿真，對于更為復(fù)雜的系統(tǒng)仿真而言，仿真速度不可接受。

在AMESim中，可以加快模型仿真速度的方法包括:(1)參數(shù)修改;(2)模型簡化或修改;(3)并行處理;(4)分區(qū)處理。下面分別介紹。

1 參數(shù)修改

很多情況下，模型的參數(shù)設(shè)置不當會嚴重影響仿真的速度。這里的參數(shù)設(shè)置不當體現(xiàn)在兩個方面:一方面是模型參數(shù)設(shè)置不當，另一方面是運行參數(shù)設(shè)置不合理。

1.1 修改模型參數(shù)

在修改參數(shù)之前，首先要定位到參數(shù)設(shè)置不當?shù)脑?。AMESim軟件提供了以下3種工具:

1.1.1 狀態(tài)統(tǒng)計

在AMESim中模型仿真運行完畢后，在運行模式下打開狀態(tài)數(shù)窗口，如圖1所示。

圖1 運行模式下狀態(tài)數(shù)窗口

如果根據(jù)“Controlled”這一項對其進行排列的話，就很容易看得出哪些狀態(tài)變量使得仿真的速度變慢。通常來說，問題可能會出在那些相關(guān)子模型中，但是也有可能出現(xiàn)在與其相鄰的子模型中。檢查這些子模型變量的值是否正常 (調(diào)取其結(jié)果圖)，如果發(fā)現(xiàn)有不正常的結(jié)果，再調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。

下面是幾種導(dǎo)致運行速度變慢的典型情況:

(1)非常小的容積腔模型與較大容量的管道相連接;

(2)大的孔口與小直徑管道相連接;

(3)質(zhì)量非常小的物塊受到較大的作用力。

1.1.2 運行記錄

運行過程中出現(xiàn)間斷的情況也會大大降低仿真速度。查看運行記錄中是不是有過多的不連續(xù)，如果有的話，可能是一些模型參數(shù)的設(shè)置不當引起的。例如，一個固定位移的質(zhì)量模型，且其停止點是彈性的，這種情況下，如果剛度和阻尼等參數(shù)設(shè)置不當就會引起反彈，進而導(dǎo)致不連續(xù)情況的出現(xiàn)，那么修改這些參數(shù)的設(shè)置可能會解決仿真速度慢的問題。也可以用理想停止點的質(zhì)量模型MAS21代替原來的質(zhì)量子模型。

1.1.3 線性分析

線性分析的一個很重要的作用就是計算特征值。如果仿真運行得很慢，一般可以通過分析特征值來確定原因。最壞的情況就是特征值的頻率非常高但阻尼卻非常低，這種情況肯定會降低仿真的運行速度。一般來說，在不對系統(tǒng)整體性能有較大影響的情況下，可以通過調(diào)整某些參數(shù)來改變特別大的特征值，比如:減小一個強力彈簧的剛度，增大一個小液壓腔的容積，增加一個小慣性體的慣性質(zhì)量或慣性矩。

1.2 修改運行參數(shù)

1.2.1 查看運行統(tǒng)計

信號控制庫中的“RSTAT”子模型可以給出運行過程中的很多信息。當仿真占用大量CPU時間的時候，這一子模型可以對如何優(yōu)化運行參數(shù)提供依據(jù)。

RSTAT可提供的信息如圖2所示，概括來講有如下3點:

(1)積分步長。當步長設(shè)置比較小時，模型較難收斂，從而使得仿真速度變慢;

(2)間斷點。能夠顯示出系統(tǒng)運行過程中在哪一區(qū)域出現(xiàn)間斷;

(3)ADAMS法 (線性多步法)步驟和BDF法(向后微分公式法)步驟。

圖2 RSTAT狀態(tài)變量顯示窗口

1.2.2 調(diào)整運行設(shè)置

如果在運行統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)不合適的數(shù)據(jù)，那么下一步就是如何來調(diào)整這些運行設(shè)置。在運行設(shè)置中，對仿真速度可能會產(chǎn)生影響的設(shè)置有:容許誤差、間斷點打印輸出、最小間斷處理等。

容許誤差。容許誤差的設(shè)定值越小，仿真的速度就會越慢。因此，在保證結(jié)果的精確度能夠接受的情況下，增大容許誤差的設(shè)定值可以加快仿真速度。

間斷點打印輸出。在AMESim中，當仿真過程中出現(xiàn)間斷的時候，處理器會暫停并將這些間斷點進行保存，隨后再重新啟動。這樣雖然能夠獲得較為精確的結(jié)果，但卻給仿真的速度帶來了影響。如圖3所示，激活Discontinuities printout選項，就可以在仿真記錄中顯示出運行過程中間斷點的情況 (前提是General列表中的Monitor time必須選中)。

圖4給出了在仿真三柱塞泵模型時出現(xiàn)的間斷點的情況，不僅可以看出在哪一時刻出現(xiàn)了間斷點，也能看出是哪一子模型導(dǎo)致間斷點的出現(xiàn)。

圖3 運行參數(shù)設(shè)置窗口

圖4 三柱塞泵模型中的間斷點

以下6種情況往往會產(chǎn)生間斷點:(1)采用經(jīng)驗數(shù)據(jù) (比如ASCII表格)進行線性插值的子模型; (2)任何形式的反彈;(3)有摩擦產(chǎn)生的黏滑運動; (4)開啟性能與關(guān)閉性能完全不同的閥門，比如單向閥;(5)任何形式的回滯;(6)在一個工作周期內(nèi)包含多個階段或者斜坡式增長。

最小間斷處理。該功能可以將那些不太重要的間斷忽略掉，這里的不太重要指的是對狀態(tài)變量不會產(chǎn)生影響。在默認設(shè)置的情況下，該功能是關(guān)閉的。因此，在多數(shù)情況下建議保持其默認設(shè)置。激活這一選項后，AMESim會忽略掉所有比較嚴重的間斷。如果仿真速度明顯加快，并且對仿真結(jié)果沒有太大要求的話，可以將其激活。

還有一些諸如活性指數(shù)計算、時間間隔之類的設(shè)置也會對仿真時間產(chǎn)生影響。這些設(shè)置將在后面的板塊中逐個介紹。

2 模型簡化或修改

2.1 消除最惰性元件

活性指數(shù)工具是一個基于系統(tǒng)子模型中能量轉(zhuǎn)換的強大的分析工具。通過活性指數(shù)的計算，可以確定一個系統(tǒng)中能量最活躍的和最惰性的元件，它可以用來簡化復(fù)雜的模型［6］。在可能的情況下，可以通過消除最惰性的元件來實現(xiàn)。對于每一個系統(tǒng)，子模型有時會降低模型的復(fù)雜度，但仍然可以保持仿真有足夠的精度?？梢酝ㄟ^激活運行參數(shù)設(shè)置中的Activity index calculations來實現(xiàn)這一功能。

需要注意的是，該功能在默認狀態(tài)下是關(guān)閉的，一旦激活后會對CPU時間產(chǎn)生輕微影響，因此如果不需要的話，最好將其關(guān)閉。

2.2 減少狀態(tài)數(shù)

狀態(tài)數(shù)對于仿真速度有直接的影響。對于一個簡單模型(應(yīng)用ADAMS法)，進行的是粗略的線性計算，而復(fù)雜系統(tǒng) (應(yīng)用BDF法)，需要對一個Jacobian矩陣進行估計。Jacobian矩陣的大小等于系統(tǒng)中狀態(tài)數(shù)的平方。因此，應(yīng)盡可能地減少該數(shù)目。比如可用一個慣量代替系統(tǒng)中多個慣量。

2.3 選擇合適的液壓管道子模型

該方法僅適用于涉及液壓系統(tǒng)的仿真。過于復(fù)雜的管道子模型會減緩仿真的速度，而采用這種管道往往是沒必要的。AMESim液壓庫元件使用手冊［7］對如何選用最優(yōu)的管道子模型有詳細的描述。

2.4 減小結(jié)果文檔

有時仿真速度慢是由于結(jié)果文件寫入的過程中硬盤存儲困難，尤其是當模型保存在另外一個計算機的硬盤上時，因為這種情況下數(shù)據(jù)的寫入是要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的傳輸。因此要確保變量的保存數(shù)盡可能地少，并且減小結(jié)果文檔的大小。最簡單的方法是運用Ctrl+A將模型全部選中，然后右鍵單擊，在彈出的菜單欄中選擇Save no variables一項，如圖5所示。接下來，可以根據(jù)需要選擇對自己有用的變量進行保存，如圖6所示。

圖5 取消所有變量的保存

除此之外，減小時間間隔也能使得保存結(jié)果變小。這一項可在運行參數(shù)里面進行設(shè)置。

圖6 選擇變量保存

3 并行處理

并行處理是AMESim的一個附帶功能。當進行批量運行或者是設(shè)計探索的時候，運用該功能可以實現(xiàn)并行仿真。也就是說，可以利用單臺計算機多核的優(yōu)勢，或者在同一局域網(wǎng)內(nèi)進行多臺計算機的并行計算。這樣一來，仿真時間顯然會大大縮短。AMESim軟件的在線幫助文檔［8］詳細介紹了并行處理的設(shè)置步驟。

4 分區(qū)處理

該方法也是僅適用于涉及液壓系統(tǒng)的仿真。運用該方法可將一個復(fù)雜液壓系統(tǒng) (含有Godunov或者Lax-Wendroff)分割成幾個簡單的系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 分區(qū)處理

每一個子系統(tǒng)可獨立運行，因此可以與并行處理的方法相結(jié)合，利用計算機多核的優(yōu)勢，或者分配給不同的幾臺計算機運行，同樣可以節(jié)省大量的CPU時間。例如，1個復(fù)雜系統(tǒng)包含180個狀態(tài)變量，若將其分割成3個均包含60個狀態(tài)變量的子系統(tǒng)的話，就會有3個602(3 600)大小的Jacobian矩陣，從而代替了原有的1個1802(32 400)大小的Jacobian矩陣?？蓞⒖家簤涸褂檬謨垣@得詳細的介紹［7］。

5 結(jié)論

介紹了AMESim軟件的特點，并引出用戶在使用時存在的仿真速度慢的問題，根據(jù)軟件自帶幫助文檔及作者本人的使用經(jīng)驗給出了如下4個方面的優(yōu)化措施:

(1)參數(shù)修改。分為修改模型參數(shù)和運行參數(shù)兩部分。對于修改模型參數(shù)，可用狀態(tài)數(shù)、運行統(tǒng)計和線性分析等工具進行相關(guān)子模型的定位。用戶可在運行統(tǒng)計里查看模型運行過程中的一些信息，然后在運行設(shè)置里對容許公差、間斷點打印輸出、最小間斷點處理等選項進行相應(yīng)的修改。

(2)簡化或修改模型。用戶可將活性指數(shù)作為簡化或修改模型的依據(jù)，并在建模的過程中盡可能地減少狀態(tài)數(shù)。除此之外，對于液壓系統(tǒng)仿真而言，選擇合適的液壓管道也能優(yōu)化仿真速度。

(3)并行處理。利用計算機雙核或多核的優(yōu)勢，或者在同一局域網(wǎng)內(nèi)進行多臺計算機的并行計算。

(4)分區(qū)處理。將一個復(fù)雜的液壓系統(tǒng)分割成多個簡單的子系統(tǒng)，對每個子系統(tǒng)獨立運行。

【1】任新宇，王建禮，趙小龍.基于AMESim的渦扇發(fā)動機控制系統(tǒng)綜合仿真［J］.航空動力學報，2010，25(12): 2816-2820.

【2】徐中明，李仕生，張玉峰，等.行程敏感減振器阻尼特性仿真與試驗［J］.兵工學報，2011，32(9):1077-1082.

【3】盧寧，付永領(lǐng)，孫新學.基于AMESim的雙壓力柱塞泵的數(shù)字建模與熱分析［J］.北京航空航天大學學報，2006，32(9):1055-1058，1086.

【4】陳龍，牛禮民，江浩斌，等.AMESim在懸架轉(zhuǎn)向集成模型中的應(yīng)用［J］.浙江大學學報:工學版，2007，41(10): 1763-1767.

【5】李以農(nóng)，王意寶，羅志前，等.氣制動感載比例閥的AMESim仿真及試驗［J］.重慶大學學報，2009，32(7): 766-769.

【6】付永領(lǐng)，齊海濤.LMS Imagine Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實例教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

【7】LMS Imagine S.A.AMESim 7 Hydraulic Library User Manual［M］，2007.

【8】LMS Imagine S.A.AMESim 9 Reference:Parallel processing［M］，2009.