什么是混合仿真方法?

[拼音]：hunhe fangzhen fangfa

[外文]：hybrid simulation method

用混合计算机进行系统仿真的方法。混合计算机能集中模拟计算机的计算速度快和数字计算机的计算精度高的优点。混合仿真方法比单纯的模拟仿真或单纯的数字仿真复杂，它是模拟仿真方法和数字仿真方法在具体应用上的相互结合和相互补充。混合仿真方法的关键问题是对两类不同的计算机合理地分配任务和恰当地选择帧速。任务的分配主要取决于任务的性质和对精度、速度的要求。帧速的选择原则是：

（1）根据采样定理，包含干扰在内的信号最高有效频率必须小于采样频率的一半；

（2）由于时间延迟和零阶保持造成的幅度和相位误差必须限制在允许范围之内；

（3）数值计算的截断误差对被仿真的系统来说应减小到可以忽略的程度。混合仿真方法在航天、航空、核能、电力、化工等复杂的动力学系统仿真中获得广泛的应用。它比模拟仿真具有更高的精度，比数字仿真具有更高的速度；不仅可实现实时仿真，而且可以完成超实时仿真。混合仿真方法主要用于实现数字控制系统混合仿真、连续系统参数寻优和连续系统混合仿真。

在数字控制系统中，控制器是一个专用的数字计算机，而控制对象通常是一个连续系统。采用混合仿真方法可以真实而且直观地反映这类系统的特性，即用模拟计算机实现控制对象动态过程的仿真，用数字计算机实现控制器的仿真。在仿真过程中，采样频率可以与真实系统一致，也可以引入时间比例尺，使仿真过程快于或慢于真实系统。

用混合计算机进行连续系统参数寻优时，用模拟计算机进行系统动态过程的快速重复计算，用数字计算机控制寻优过程和执行按某种寻优算法编制的寻优程序，并实现参数的修正和结果的存储。通常采用的寻优算法是梯度法或随机法。在每一次迭代循环中，数字计算机将被寻优的参数值输送给数模乘法器或数模转换器,以实现参数的调整（图1）。

有些复杂的连续系统仿真对计算精度和计算速度都有严格的要求。此时宜采用混合仿真方法。在连续系统仿真中,首先要对计算任务进行合理的分配，即分配给模拟计算机要求计算速度快而精度不高的计算任务，分配给数字计算机要求计算精度高而变化慢的任务。例如，在空间飞行器的仿真中，用模拟计算机完成姿态控制回路的计算，而用数字计算机计算轨道、制导和导引方程(图2)。此外，对于某些难于用模拟计算机的运算部件来完成的计算问题，如多变量函数的计算、坐标转换等，也需要由数字计算机来完成。

由于在连续系统的仿真回路中引入了数字计算机、多路采样器、模数转换器和数模转换器，所以必须考虑由此引起的各种误差因素。主要的误差因素有：

（1）由数值积分所带来的截断误差以及算法本身可能带来的时间滞后。截断误差同算法和积分步长有关。

（2）由多路采样器、模数转换器和数模转换器所带来的时间滞后。

（3）由模数转换器有限的分辨率所带来的量化误差。

（4）由数模转换器零阶保持输出带来的幅度误差和相位滞后。这种误差同仿真系统的采样速率（通常称为帧速）有关。

减少这些误差的主要方法是：

（1）选择适当的数值积分算法,在保证计算精度和稳定性的前提下,减少计算量，缩短步长。同时考虑算法本身的实时性，避免由算法带来的时间滞后。

（2）提高帧速以减小由时间滞后和零阶保持所带来的幅度误差和相位滞后。这就要求提高数字计算机和接口设备的速度，设备造价也相应地提高。

（3）利用多帧速算法，即将数字计算部分划分为快变化部分和慢变化部分，分别选取不同的计算步长，以减少计算量。

（4）利用补偿和外插方法消除由时间滞后和零阶保持所产生的幅度误差和相位滞后。补偿可以由数字计算机完成，也可以由模拟计算机完成。补偿方法有一阶补偿、二阶补偿、三阶补偿等。

（5）提高接口设备的速度和分辨率,减少时间滞后和量化误差。