基于FMI接口的協(xié)同仿真應用

隨著科技的迅猛發(fā)展，在多個工業(yè)領域（航空、航天、汽車、船舶等等）面對復雜系統(tǒng)，用戶的設計和分析的手段逐漸豐富完善，其中仿真技術越來越受到重視，不同的客戶運行來自不同供應商的仿真軟件，例如有限元工具、機械和熱力工具、信號流工具等等，這些工具都有著許多專門針對特定問題或條件設計的代碼，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工具，F(xiàn)MI標準的出現(xiàn)提供了一種很好的解決方案。FMI標準的全稱是Functional Mock-up Interface，它是一個不依賴于工具的標準，其通過XML文件和已編譯的C代碼的組合來同時支持動態(tài)模型的模型交換( Model Exchange)和聯(lián)合仿真(Co-Simulation)。

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

1. 簡介

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準。子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換僅限于離散序列點。在兩個通信點之間的時間內，子系統(tǒng)由各自的解算器獨立求解。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）的同步。

協(xié)同仿真的方法：FMU實現(xiàn)將FMI函數(shù)調用包裝到仿真工具提供的API調用。

圖1 在單臺計算機上與工具耦合的聯(lián)合仿真

2. 如何使用FMI2.0 Co-Simulation導出FMU

通過SaberRD的FMI 2.0 Co-Simulation接口可以將一個完整的Saber設計工程或部分Saber模塊導出成為一個FMU。步驟如下：

2.1 創(chuàng)建一個 SaberRD設計

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?shù)亩丝诜枺⑵溥B接到需要導出到FMU的原理圖節(jié)點。

對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：

將錯誤的分層連接器連接到節(jié)點會導致FMU導出失敗。將端口連接器添加到原理圖中的順序很重要，因為在modelDescription.xml中為導出的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)

對于任何需要在主模擬器中作為設計參數(shù)的模型參數(shù)，以便在計算開始時更改它，應在原理圖上添加設計參數(shù)，選擇需要在模型屬性網格上作為參數(shù)導出的屬性，并將其值更改為所需的名稱，該名稱將在創(chuàng)建層次符號時用作層次參數(shù)。

圖3 在原理圖上添加設計參數(shù)

注意

只有標量數(shù)、整數(shù)和字符串類型的屬性才能導出為FMU參數(shù)。像MAST structure, array, VHDL-AMS record, and vectors 等數(shù)據(jù)結構不能導出到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

2.5 編輯頂層symbol外形(可選)

如果分層設計具有任何設計參數(shù)或物理模擬端口，則需要手動更新生成的符號

圖5在符號上添加設計參數(shù)

在分層符號上更新物理端口方向，對于離散和模擬控制端口，在創(chuàng)建Saber設計原理圖時，輸入/輸出信息端口已經定義這些類型的端口不需要進一步處理。

但是，模擬能量守恒物理端口，如電氣或液壓端口有兩個組件， across變量和through變量在同一個端口，而且沒有方向信息，要將這種端口導出到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

方向信息和信號類型參考下表：

表1 更新后的物理端口因果關系屬性

圖5 在物理端口符號上添加因果關系

2.6 檢查設計文件的正確性

2.7 將Saber設計文件導出為FMU

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

圖6 Saber FMU導出

窗口參數(shù)說明：

• Design Symbol: 選擇響應的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在同一個文件夾下，
• Platform: win64, win32, linux64, and linux32. 選擇操作系統(tǒng)平臺
• 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，仿真時會用到該文件。如果不需要相關文件，該欄可以空著。
• stopTime: FMI co-simulation仿真停止時間，默認為1.0 seconds.
• stepSize: the co-simulation仿真步長，. 默認為 is 1.0e-3 seconds.
• Timeout: 協(xié)同仿真響應最大時間
• Simulator Settings: SaberHDL simulator settings. 不填寫，為默認仿真設置。

如果需要更精準的仿真結果，可以設置，格式如下：dc; tr -tend 1 -tstep 1 us -tniter 10 -order

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

如果需要保存仿真結果：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. 默認為0

3. 將SaberRD設計導出到FMU

使用SaberRD導出的FMU模型，可以用于任何FMU仿真，平臺包括win64, win32, linux64 和 linux32。

3.1 設計示例說明

A、該設計有兩個參數(shù)

第一個 Von：二極管導通壓降

第二個Load：負載電阻

B、該設計有3個模擬電壓輸入端口

C、該設計有4個輸出端口ia、ib、ic、vdc

3.2 示例操作步驟

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

B、調用SaberRD，點擊菜單從原理圖文件中打開設計：“File ->Open->Open design”，選擇原理圖文件rectifier_3p.ai_sch。

C、將設計導出到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），點擊“導出”按鈕，保存rectifier_3p_saberhdl .fmu。生成的FMU文件在本地目錄D:SaberworkFMIrectifier_3p。

4.FMU模型測試

A、設置環(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，來進行模型測試。

C、打開FMUChecker-2.0.4b1-win64文件夾，將v_3p.csv和rectifier_3p_saberhdl.fmu文件復制進來

D、打開dos命令窗口，進入fmuCheck.win64.exe目錄路徑

E、在命令窗口運行如下命令。它運行瞬態(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果文件results.cs查看仿真結果，驗證導出的模型

注意

fmucheck運行時會在底層調用SaberRD仿真器，如果沒有simulator license會報錯誤。