隨著科技的迅猛發(fā)展，在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域（航空、航天、汽車、船舶等等）面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)，用戶的設(shè)計(jì)和分析的手段逐漸豐富完善，其中仿真技術(shù)越來越受到重視，不同的客戶運(yùn)行來自不同供應(yīng)商的仿真軟件，例如有限元工具、機(jī)械和熱力工具、信號(hào)流工具等等，這些工具都有著許多專門針對(duì)特定問題或條件設(shè)計(jì)的代碼，這些代碼幾乎所有都是專有格式。

客戶一直希望有一種方法來共同模擬他們的異構(gòu)工具，F(xiàn)MI標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)提供了一種很好的解決方案。FMI標(biāo)準(zhǔn)的全稱是Functional Mock-up Interface，它是一個(gè)不依賴于工具的標(biāo)準(zhǔn)，其通過XML文件和已編譯的C代碼的組合來同時(shí)支持動(dòng)態(tài)模型的模型交換( Model Exchange)和聯(lián)合仿真(Co-Simulation)。

遵循FMI標(biāo)準(zhǔn)，Synopsys SaberRD解決了用戶的需求，它允許客戶導(dǎo)出他們的Saber模型，并使用基于標(biāo)準(zhǔn)的接口與其他工具進(jìn)行聯(lián)合仿真。

1. 簡(jiǎn)介

FMI協(xié)同仿真為協(xié)同仿真環(huán)境中的仿真工具的耦合提供了接口標(biāo)準(zhǔn)。子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換僅限于離散序列點(diǎn)。在兩個(gè)通信點(diǎn)之間的時(shí)間內(nèi)，子系統(tǒng)由各自的解算器獨(dú)立求解。主算法控制子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和所有仿真解算器（從機(jī)）的同步。

協(xié)同仿真的方法：FMU實(shí)現(xiàn)將FMI函數(shù)調(diào)用包裝到仿真工具提供的API調(diào)用。

圖1 在單臺(tái)計(jì)算機(jī)上與工具耦合的聯(lián)合仿真

2. 如何使用FMI2.0 Co-Simulation導(dǎo)出FMU

通過SaberRD的FMI 2.0 Co-Simulation接口可以將一個(gè)完整的Saber設(shè)計(jì)工程或部分Saber模塊導(dǎo)出成為一個(gè)FMU。步驟如下：

2.1 創(chuàng)建一個(gè) SaberRD設(shè)計(jì)

2.2 添加輸入輸出端口

圖2 在原理圖上添加分層端口

從器件庫中的“原理圖連接器”類別中選擇適當(dāng)?shù)亩丝诜?hào)，并將其連接到需要導(dǎo)出到FMU的原理圖節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于離散端口和模擬控制端口，將分層輸入連接器連接到輸入端口，將分層輸出連接器連接到輸出端口。

對(duì)于物理模擬端口，如電氣和液壓端口，將分層模擬連接器連接到它們。

注意：

將錯(cuò)誤的分層連接器連接到節(jié)點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致FMU導(dǎo)出失敗。將端口連接器添加到原理圖中的順序很重要，因?yàn)樵趍odelDescription.xml中為導(dǎo)出的FMU定義FMU端口的順序需要相同。

2.3 添加原理圖參數(shù)(可選)

對(duì)于任何需要在主模擬器中作為設(shè)計(jì)參數(shù)的模型參數(shù)，以便在計(jì)算開始時(shí)更改它，應(yīng)在原理圖上添加設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇需要在模型屬性網(wǎng)格上作為參數(shù)導(dǎo)出的屬性，并將其值更改為所需的名稱，該名稱將在創(chuàng)建層次符號(hào)時(shí)用作層次參數(shù)。

圖3 在原理圖上添加設(shè)計(jì)參數(shù)

注意

只有標(biāo)量數(shù)、整數(shù)和字符串類型的屬性才能導(dǎo)出為FMU參數(shù)。像MAST structure, array, VHDL-AMS record, and vectors 等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不能導(dǎo)出到FMU。

2.4 基于原理圖創(chuàng)建頂層symbol

注意頂層symbol名稱必須與底層原理圖名稱一致。

圖4 為原理圖創(chuàng)建層次符號(hào)

2.5 編輯頂層symbol外形(可選)

如果分層設(shè)計(jì)具有任何設(shè)計(jì)參數(shù)或物理模擬端口，則需要手動(dòng)更新生成的符號(hào)

圖5在符號(hào)上添加設(shè)計(jì)參數(shù)

在分層符號(hào)上更新物理端口方向，對(duì)于離散和模擬控制端口，在創(chuàng)建Saber設(shè)計(jì)原理圖時(shí)，輸入/輸出信息端口已經(jīng)定義這些類型的端口不需要進(jìn)一步處理。

但是，模擬能量守恒物理端口，如電氣或液壓端口有兩個(gè)組件， across變量和through變量在同一個(gè)端口，而且沒有方向信息，要將這種端口導(dǎo)出到FMU，必須提供其方向和類型信息。

提供方向和類型，打開Symbol Editor ，選擇這個(gè)physical port.， 添加 behavior property

在 Property Name欄,輸入 causality

在Initial Value欄, 輸入方向和類型信息，用空格隔開

方向信息和信號(hào)類型參考下表：

表1 更新后的物理端口因果關(guān)系屬性

圖5 在物理端口符號(hào)上添加因果關(guān)系

2.6 檢查設(shè)計(jì)文件的正確性

2.7 將Saber設(shè)計(jì)文件導(dǎo)出為FMU

File > Export, 選擇 Function Mockup Interface (FMI)…

圖6 Saber FMU導(dǎo)出

窗口參數(shù)說明：

• Design Symbol: 選擇響應(yīng)的symbol文件，該symbol文件必須是基于原理圖的層次文模型，而且原理圖要與symbol在同一個(gè)文件夾下，
• Platform: win64, win32, linux64, and linux32. 選擇操作系統(tǒng)平臺(tái)
• Additional Design Data Files: 添加除了models ( .sin, .vhdl), symbols ( .ai_sym),和 schematic ( .ai_sch),外其他文件，如 (*.ai_dat) for the TLU (Table Look-Up) 模型，仿真時(shí)會(huì)用到該文件。如果不需要相關(guān)文件，該欄可以空著。
• stopTime: FMI co-simulation仿真停止時(shí)間，默認(rèn)為1.0 seconds.
• stepSize: the co-simulation仿真步長，. 默認(rèn)為 is 1.0e-3 seconds.
• Timeout: 協(xié)同仿真響應(yīng)最大時(shí)間
• Simulator Settings: SaberHDL simulator settings. 不填寫，為默認(rèn)仿真設(shè)置。

如果需要更精準(zhǔn)的仿真結(jié)果，可以設(shè)置，格式如下：dc; tr -tend 1 -tstep 1 us -tniter 10 -order

如果需要跳過DC仿真，可設(shè)置如下：tr -tend 1 -tstep 1 ms -trip zero

如果需要保存仿真結(jié)果：dc; tr -tend 1 -tstep 1u -wdir saber_results

*Communication Port: 主仿真器和從仿真器之間的 TCP/IP 端口號(hào). 默認(rèn)為0

3. 將SaberRD設(shè)計(jì)導(dǎo)出到FMU

使用SaberRD導(dǎo)出的FMU模型，可以用于任何FMU仿真，平臺(tái)包括win64, win32, linux64 和 linux32。

3.1 設(shè)計(jì)示例說明

A、該設(shè)計(jì)有兩個(gè)參數(shù)

第一個(gè) Von：二極管導(dǎo)通壓降

第二個(gè)Load：負(fù)載電阻

B、該設(shè)計(jì)有3個(gè)模擬電壓輸入端口

C、該設(shè)計(jì)有4個(gè)輸出端口ia、ib、ic、vdc

3.2 示例操作步驟

A、 下載示例，解壓并將符號(hào)文件(rectifier_3p.ai_sym)，原理圖文件(rectifier_3p.ai_sch)和三相電壓激勵(lì)文件(v_3p.csv)復(fù)制到本地目錄D:SaberworkFMIrectifier_3p。

B、調(diào)用SaberRD，點(diǎn)擊菜單從原理圖文件中打開設(shè)計(jì)：“File ->Open->Open design”，選擇原理圖文件rectifier_3p.ai_sch。

C、將設(shè)計(jì)導(dǎo)出到FMU，單擊菜單“File->Export->Function Mockup Interfaces (FMI)…”，選擇Design Symbol為rectifier_3p.ai_sym（下圖示例中為D:SaberworkFMIrectifier_3prectifier_3p.ai_sym），點(diǎn)擊“導(dǎo)出”按鈕，保存rectifier_3p_saberhdl .fmu。生成的FMU文件在本地目錄D:SaberworkFMIrectifier_3p。

4.FMU模型測(cè)試

A、設(shè)置環(huán)境變量SABER_FMU_SOLVER的值為SaberRD的安裝路徑，例如：C:SynopsysSaberRD64T-2022.03

B、下載本文提供了FMUChecker-2.0.4b1-win64，來進(jìn)行模型測(cè)試。

C、打開FMUChecker-2.0.4b1-win64文件夾，將v_3p.csv和rectifier_3p_saberhdl.fmu文件復(fù)制進(jìn)來

D、打開dos命令窗口，進(jìn)入fmuCheck.win64.exe目錄路徑

E、在命令窗口運(yùn)行如下命令。它運(yùn)行瞬態(tài)仿真2秒，通信步長為1e-3。輸出信息保存在log.txt文件中，仿真結(jié)果保存在result.csv文件中。

fmuCheck.win64.exe -e log.txt -i v3_3p.csv -o results.csv -s 2 -h 1.0e-3 -n 0 receifier_3p_saberhdl.fmu

F、使用任何支持csv格式的波形查看器打開結(jié)果文件results.cs查看仿真結(jié)果，驗(yàn)證導(dǎo)出的模型

注意

fmucheck運(yùn)行時(shí)會(huì)在底層調(diào)用SaberRD仿真器，如果沒有simulator license會(huì)報(bào)錯(cuò)誤。