[發明專利]一種基于層次化模型的非線性迭代仿真方法

有效

• 申請號: 202110303542.6
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN112949239B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 梁文毅;高秋
• 申請（專利權）人: 梁文毅
• 主分類號: G06F30/367
• 分類號: G06F30/367;G06F30/3308
• 代理公司: 溫州青科專利代理事務所(特殊普通合伙) 33390
• 代理人: 錢磊

本發明公開了一種基于層次化模型的非線性迭代仿真方法，具體包括如下步驟：S1、根據仿真模型讀入的網表文件、仿真參數設置和當前步長構建求解矩陣；S2、根據步長和元件模型更新Jacobian矩陣、右端項；S3、求解矩陣方程，得到向量解；S4、進行方程收斂性判斷，若收斂，則進入步驟S5；否則回到步驟S2更新Jacobian矩陣和右端項進行迭代；S5、選擇元件G組中元件的詳細模型；S6、更新Jacobian矩陣和右端項；S7、進行仿真方程的迭代；S8、根據迭代結果，進行方程收斂性判斷，若收斂，當前時刻迭代結束。本發明在保證仿真精度同時，有效減少了非線性模型求解過程中的迭代次數，顯著提高求解器的求解效率，同時有效提高了系統的收斂性能。

技術領域

本發明涉及計算機虛擬仿真技術領域，具體為一種基于層次化模型的非線性迭代仿真方法。

背景技術

仿真技術廣泛應用于航空、航天、艦船、兵器以及軌道交通等物理系統的設計與分析，其中集中參數模型在系統原理設計、問題定位、算法優化、以及設計空間探索方面起著重要的作用。相對于有限元模型，由于其模型簡單，適合系統的綜合分析，也是系統精確分析的基礎。根據元件或設備的物理特性，建立元件集中參數模型時，經常會遇到元件的非線性特性。在大多數情況下，元件的非線性特性被忽略，例如絕大多數電氣功率設備中包含電阻參數，可以假設其阻值在仿真過程中不隨溫度變化，這是由于相較于溫度場，電路仿真時間系數較小。但是，有一些元件的非線性特性在仿真過程中無法忽略，例如電路仿真中的半導體器件，其輸出電流隨元件管腳電壓的變化呈現非常強的非線性特性，并且在電路仿真過程中，該非線性過程高頻動作，因此，必須對其的非線性特性進行仿真建模，即求解器必須包含非線性方程求解能力。為了對非線性元件方程進行求解，通常采用的算法是牛頓拉斐遜迭代法，但是在采用該迭代法求解非線性方程時，對方程的初始解有較高的要求，當初始解比較接近真實解時，方程能快速收斂，當初始值設置不合理時，方程收斂速度可能會很慢，甚至引起數值溢出不收斂。也有一些算法，利用模型簡化，例如采用分段線性模型代替詳細模型，這是通過犧牲仿真精度來換取仿真速度的和收斂性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于層次化模型的非線性迭代仿真方法，以解決上述背景技術中提出的問題，以便提高復雜電氣系統仿真的收斂性能和求解效率。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于層次化模型的非線性迭代仿真方法，具體包括如下步驟：

S1、根據仿真模型讀入的網表文件、仿真參數設置和當前步長構建求解矩陣，在初始化讀入網表文件時，對具有高階非線性特征的元件進行歸類，記為元件G組；

S2、根據步長和元件模型更新Jacobian矩陣、右端項；

S3、求解矩陣方程，得到向量解；

S4、根據解向量和右端項向量，進行方程收斂性判斷，若收斂，則進入步驟S5；否則回到步驟S2，更新Jacobian矩陣和右端項進行迭代，步驟S2-4迭代收斂后得到的解向量為Xn；

S5、選擇元件G組中元件的詳細模型，并構建求解矩陣；

S6、根據元件G組中元件的詳細模型，更新Jacobian矩陣和右端項；

S7、以Xn作為解向量的初始值進行仿真方程的迭代；

S8、根據迭代結果，進行方程收斂性判斷，若收斂，迭代收斂得到的解向量X^*為當前時刻電路詳細模型的精確解，當前時刻迭代結束；否則回到步驟S6，更新Jacobian矩陣和右端項進行迭代；根據解向量狀態，設置下一個仿真步長，重復步驟S1-S8過程，即可實現仿真模型的瞬態仿真。

優選的，在步驟S1中，選擇元件G組中元件的分段線性等效模型，基于節點電壓法構建求解矩陣。

優選的，步驟S2-S4為基于牛頓-拉斐遜算法的非線性迭代過程。