Einführung in die schnelle Elektrosimulation
Bei der Arbeit mit einem Simscape Electrical™-Modell muss geprüft werden, ob die Simulation bei optimaler Leistung ausgeführt wird. Je nach Zweck Ihrer Simulation können verschiedene Techniken und bewährte Praktiken zur Diagnostizierung des Modells, Ermittlung von Engpässen und Verbesserung der Simulationsleistung verwendet werden.
Dieser Leitfaden beinhaltet die Schritte zur Anwendung bewährter Optimierungspraktiken, um die ideale Simulationsleistung zu erzielen und Ihre spezifischen Simulationsvoraussetzungen zu erfüllen, ohne Abstriche bei der Genauigkeit zu machen.
Workflow zur Verbesserung der Simulationsleistung.
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Vorbereitung: Diagnose von Simulationszeit und Signalabtastungszeiten
Mit den protokollierten Simulationsmetadaten kann die Simulationszeit in den nachfolgenden Schritten analysiert und verglichen werden. Diese Informationen können durch das SimulationMetaData-Objekt im Simulink.SimulationOutput-Objekt angezeigt werden.
Eine weitere Information mit Relevanz für die Analyse der Solver-Leistung ist die Blockabtastzeit. Je nach Solver- und Blockeinstellungen kann Ihr Modell unterschiedliche diskrete sowie kontinuierliche Abtastzeiten aufweisen. Dies kann zu unerwartetem Verhalten führen. Aktivieren Sie die Abtastzeitanzeige, indem Sie in der Simulink®-Toolleiste zur Registerkarte Debug (Fehlerbehebung) und dann zu Information Overlays > Sample Time > Colors (Informationsüberlagerungen > Abtastzeit > Farben) gehen. Dadurch wird eine Modellaktualisierung ausgelöst, gefolgt von der Anzeige farbkodierter Abtastzeiten aller Signale.
Simulink-Menü Information Overlays (Informationsüberlagerungen) auf der Registerkarte Debug (Fehlerbehebung).
Simulink Profiler bietet detaillierte Erkenntnisse über die Ausführungszeit eines Modells. Er erfasst die gesamte Simulationszeit und ermittelt Blockausführungsintervalle, um herauszufinden, welche Teile des Modells länger zur Ausführung benötigen.
Simulink Profiler bei der Laufzeitanalyse pro Block oder Teilsystem
Dieses Video zeigt, wie der Simulink Profiler genutzt wird, um die benötigte Simulationszeit pro Block zu ermitteln.
Der Solver Profiler-Bericht zeigt an, wie oft verschiedene Blöcke im Modell ausgeführt werden und wie lange es jeweils dauert. Dadurch können rechenintensivere Teile des Modells ermittelt werden. Die Ausführungszeit des Simscape™-Netzwerks wird im Solver Configuration-Block zusammengefasst. Enthält Ihr Modell viele Scopes, könnten Sie stattdessen den Simulation Data Inspector verwenden.
Danach geht es um den Simulationszweck und darum, wie sich dies auf die Leistung und die Einstellungen auswirkt.
Die Wahl des richtigen Simulationsansatzes
Die Leistung Ihres Modells hängt davon ab, wie Sie es verwenden möchten. Unterschiedliche Zwecke erfordern spezifische Techniken und Einstellungen. In diesem Abschnitt werden zwei Simulationsarten behandelt: Desktop-Simulation und Hardware-in-the-Loop-Simulation.
Desktop-Simulation
Darstellung des Desktop-Simulationskonzepts.
Bei Desktop-Simulationen geht es häufig primär darum, einen Regelungsalgorithmus zu entwickeln und bei einer Simulation im geschlossenen Regelkreis gegen das physische Regelstreckenmodell zu testen. Das Regelstreckenmodell entspräche einem Simscape-Netzwerk und der Algorithmus würde in Simulink modelliert. In diesem Fall soll das Regelstreckenmodell einen Solver mit variabler Schrittweite nutzen. Das bedeutet, dass der Solver dort einen großen Simulationszeitschritt verwenden kann, wo es die Modelldynamik erlaubt. Der Algorithmus kann parallel, in einem variablen Zeitschritt oder bei Bedarf in einem festen Zeitschritt ausgeführt werden.
Wenn dies Ihrem Anwendungsfall entspricht, setzen Sie mit dem unten stehenden Abschnitt Überlegungen bei der Desktop-Simulation fort.
Hardware-in-the-Loop-Simulation
Die Hardware-in-the-Loop-Simulationen (HIL) ist eine Echtzeit-Simulation, um einen auf Reglerhardware ausgeführten Regelungsalgorithmus in Echtzeit zu testen. Bei der HIL-Simulation stellt ein Echtzeit-Computer das Regelstreckenmodell dar. Dazu muss das Simscape-Netzwerk vor der Bereitstellung auf der Echtzeit-Hardware zur Verwendung eines Solvers mit fester Schrittweite konfiguriert werden.
Wenn dies Ihrem Anwendungsfall entspricht, setzen Sie mit dem unten stehenden Abschnitt Überlegungen bei der Hardware-in-the-Loop-Simulation fort.
Überlegungen bei der Desktop-Simulation
Solver-Überlegungen für das physikalische Simscape-Netzwerk (Solver-Regelstrecke mit variabler Schrittweite)
Zum Entwerfen des Regelungsalgorithmus und Testen im elektrischen Simscape-Netzwerk wird empfohlen, zunächst das physikalische Modell mit einem Solver mit variabler Schrittweite auszuführen. Dadurch kann der Solver je nach Bedarf der Modelldynamik eine kleinere Schrittweite und nach Möglichkeit eine größere ergreifen. Bei Fehlen einer vorher festgelegten Ausführung mit fester Schrittweite kann dies zu einer Verbesserung der Gesamtleistung führen.
Um einen Solver mit variabler Schrittweite in einem Simscape-Netzwerk zu verwenden, deaktivieren Sie die Option „Use Local Solver“ (Lokalen Solver verwenden) im Solver Configuration-Block. Dies ermöglicht den Zugriff auf den globalen Solver, der in Model Settings (Modelleinstellungen) ausgewählt wird. Üblicherweise werden für Simscape-Netzwerke implizite Solver wie daessc, odes23t oder ode15s empfohlen.
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Konfiguration von Algorithmen mit Abtastzeit mit fester Schrittweite
Die Farbe der Abtastzeit gibt an, welche der für die Solver-Zeitschritte spezifischen Blöcke gerade ausgeführt werden. Beim Entwurf des Algorithmus liegt normalerweise eine bestimmte Anforderung an die Abtastzeiten für den Regelkreis vor. Um von den Vorteilen eines Solvers mit variabler Schrittweite zu profitieren, können Sie das Regelstreckenmodell in variabler Schrittweite und den Algorithmus in fester Schrittweite ausführen. Hierzu sollte der globale Solver (in den Model Settings (Modelleinstellungen) festgelegt) vom Typ mit variabler Schrittweite sein. Die Blöcke in Ihrem Modell können so konfiguriert werden, dass sie nur zu bestimmten Abtastraten, solchen mit fester Schrittweite, ausgeführt werden.
Sind die Abtastzeiten nicht explizit in den Blöcken definiert, erben sie häufig Abtastzeiten, was zu unerwünschtem Verhalten führen kann. Um dies zu verhindern, sollten Sie in den entsprechenden Blöcken Abtastraten mit fester Schrittweite angeben. Verwenden Sie ggf. die Abtastzeit-Einstellung, um korrekte Zeitvorgaben für die Ausführung sicherzustellen. Siehe Specify Sample Time (Abtastzeit angeben).
Auswahl der passenden Modellgenauigkeit
Die Auswahl der richtigen Modellgenauigkeit ist ein entscheidender Schritt beim Erzielen der optimalen Simulationsleistung. Mit Simscape Electrical-Technologie und seinen Komponenten stehen Ihnen je nach Aufgabe verschiedene Modellierungs- und Parametrierungsoptionen zur Auswahl.
Beispielsweise können detaillierte Schaltmodelle zur Analyse von Stromverlusten notwendig sein, während ideales Schaltverhalten bei der Oberschwingungsanalyse zum Einsatz kommen kann. Beim Reglerentwurf reicht häufig ein gemitteltes Modell aus.
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Hier finden Sie Beispiele für die Modellierung von Komponenten mit unterschiedlichen Genauigkeitsgraden:
Modellierungstechniken für PWM
Ein Leistungselektronik-Modell enthält in der Regel ein PWM-Signal. Dies kann optimiert werden, auch in Kombination mit der Modellgenauigkeit des Umrichters.
Enthält Ihr Modell ein PWM-Signal, kann dies eine weitere Quelle zur Leistungsverbesserung sein.
Erfahren Sie, was Sie bei Aufbau eines Modells für schnelles PWM-Switching bedenken müssen.
Verwendung des Solver Profiler zur Diagnostik
Bei der Simulation eines Modells mit Solver mit variabler Schrittweite kann mithilfe des Solver Profiler ermittelt werden, wann sich die Simulationsleistung aufgrund kleiner Zeitschritte oder wegen Simulationsereignissen verschlechtert, beispielsweise bei Solver-Ausnahmen oder Nulldurchgängen. Beim Simscape-Netzwerk Ihres Modells können Sie mit dem Solver Profiler untersuchen, wie verschiedene physikalische Mengen zu schlechter Simulationsleistung beitragen.
Leistungsanalyse eines Solvers mit variabler Schrittweite
Dieses Video zeigt, wie der Solver Profiler hilft, Leistungsengpässe für Modelle, die Solver mit variabler Schrittweite verwenden, zu ermitteln.
Zusätzliche Diagnose-Tools
Modellinitialisierungsvalidierung mit dem Variable Viewer
Beim Ausführen der Simulation für ein physikalisches Simscape-Netzwerk berechnet der Solver die Anfangsbedingungen zu Beginn der Simulation bei \(t=0\). Die Anfangsbedingungen für das Simscape-Netzwerk werden in der Regel auf Blockniveau konfiguriert, können aber auch aus zuvor protokollierten Daten bezogen werden. Weitere Informationen finden Sie in Variableninitialisierung.
Der Solver verwendet diese Einstellungen, um eine geeignete Anfangsbedingung zu bestimmen. Dieser Vorgang kann zeitaufwendig sein und zu Warnungen oder Fehlern führen. Mit dem Variable Viewer können die Ergebnisse der Berechnung der Anfangsbedingung für Ihr Simscape-Netzwerk überprüft und validiert werden. Sie erhalten nützliche Informationen, wenn Sie die potenzielle Ursache langsamer oder nicht konvergierender Initialisierung bestimmen.
Analyse der Modellinitialisierung mit Variable Viewer
Dieses Video zeigt, wie Sie mit dem Variable Viewer die Initialisierungsergebnisse für das Modell, das Simscape nutzt, überprüfen können.
Analyse der Größe von Simscape-Variablen bei der Definition guter Skalierungswerte
Durch die Definition nominaler Werte für Simscape-Variablen ergibt sich die Möglichkeit, die erwartete Größe einer Variablen anzugeben. Weitere Informationen finden Sie in Systemskalierung nach nominalen Werten. Bei der Simulation arbeitet der Solver mit diesen skalierten, einheitenlosen Werten. Geeignete Skalierungswerte in allen Variablen verbessern sowohl die Stabilität als auch Leistung der Simulation. Um die Leistung zu verbessern, stellen Sie sicher, dass die Variablengrößen innerhalb einer ähnlichen Skalierung bleiben.
Dieses Video zeigt, wie der Variable Scaling Analyzer zur Skalierung von Simscape-Variablen genutzt wird, um Robustheit und Leistung der Simulation zu steigern.
Optimale Modelleinstellungen durch automatisierte Überprüfungen
Die folgenden Tools sind auf Modelle ausgelegt, die überwiegend Simulink-Blöcke enthalten. Sie bieten einige Diagnosewerte speziell für Modelle mit Simscape-Netzwerken.
Der Model Advisor kann Konfiguration und Modellierungsfunktionen Ihres Modells und Teilsystems dahingehend überprüfen, ob es bestimmte Modellierungsstandards einhält oder ungenaue bzw. ineffiziente Simulationen vermeidet. Der Model Advisor verfügt über integrierte Überprüfungen, die genau einer Aufgabe entsprechen können, die Sie ausführen möchten (beispielsweise Leistung oder Genauigkeit).
Der Model Advisor führt Überprüfungen durch und liefert detaillierte Berichte mit verwertbaren Empfehlungen. Er kann diese Verbesserungen sogar automatisch implementieren.
Der Performance Advisor ist in das Model Advisor-Framework integriert und enthält eine vordefinierte Menge von Überprüfungen, die nach Konfigurationen suchen, durch die eine Simulation möglicherweise verlangsamt wird.
Optimale Modelleinstellungen durch Leistungsüberprüfungen
Dieses Video zeigt, wie der Model Advisor für mehrere Leistungsprüfungen in Bezug auf nicht optimale Modelleinstellungen oder -blocks in Ihrem spezifischen Modell genutzt wird.
Untersuchung der Modellkomplexität mit dem Variable Statistics Viewer
Der Statistics Viewer fasst die Simscape-Modellstatistiken für ein bestimmtes Modell mit seinen Solver-Konfigurationen zusammen. Die Untersuchung der Statistik ist eine Möglichkeit, um die Komplexität eines Modells mit Simscape-Blöcken selbst vor einer Simulation zu evaluieren.
Untersuchung der Modellstatistik
Dieses Video zeigt, wie der Statistics Viewer Simscape-Modellstatistiken für ein Modell mit seinen Solver-Konfigurationen zusammenfasst.
Zusätzliche Vorschläge nach der Modelloptimierung
Simulationsmodi und schneller Neustart
Simulationsmodi können eine Auswirkung auf die Simulationsgeschwindigkeit haben, insbesondere, wenn sie mit einem schnellen Neustart kombiniert sind. Standardmäßig arbeiten die Modelle im Normalmodus. Auch die Modi „Accelerator (Beschleuniger)“ und „Rapid Accelerator (Schnellbeschleuniger)“ stehen zur Auswahl.
Diese Modi bieten zwar Leistungsverbesserungen, doch es müssen Kompromisse bezüglich Modellflexibilität, Interaktivität und Diagnosegenauigkeit eingegangen werden. Siehe Auswahl eines Simulationsmodus. In Simscape-Modellen sind Leistungszuwächse durch die Modi „Accelerator“ und „Rapid Accelerator“ u. U. weniger bedeutend als bei reinen Simulink-Modellen.
Wenn Sie wiederholt ein Modell ausführen, ohne zwischen den Läufen strukturelle Änderungen vorzunehmen – beispielsweise bei einem Parameter-Sweep –, können Sie Zeit sparen, wenn Sie die Kompilierungsphase durch die Funktionalität „Fast Restart“ überspringen. Weitere Informationen finden Sie unter Mit "Fast Restart" loslegen im MATLAB Hilfe-Center. Damit die Simscape-Parameter zwischen den Simulationsläufen geändert werden können, sollten Sie sie als Simscape-Laufzeitparameter konfigurieren.
Verwendung von Simulationsmodellen und schnellem Neustart
Nutzung des Accelerator-Modus für schnellere Modellausführung | Modellierungspraktiken für Simscape Electrical zur schnellen Simulation
Parallel Computing
Um beim Ausführen mehrerer unabhängiger Simulationen Zeit zu sparen, können Sie diese Simulationen auch auf mehrere Kerne oder einen Cluster aufteilen. Anwendungsfälle umfassen Parameter-Sweeps, Monte-Carlo-Analyse, parallele Berechnungen für ein Optimierungsproblem oder Modelltests mit Simulink Test™.
Ausführung von Modellen auf mehreren Kernen oder einem Cluster
Erfahren Sie, wie Sie elektrische Simulation mit Parallel Computing in normalen oder Accelerator-Modus beschleunigen.
Überlegungen zur Hardware-in-the-Loop-Simulation
Auch wenn Sie anstreben, das Simscape-Netzwerk mit Hardware-in-the-Loop-Simulation und fester Schrittweite auszuführen, ist es gute Praxis, Ihr Modell mittels eines Solvers mit variabler Schrittweite zu debuggen, validieren und verbessern. Folgen Sie dazu den Schritten ab „Überlegungen für Desktop-Simulationen“. Außerdem kann die Simulation mit einem Solver mit fester Schrittweite zugrunde liegende Probleme verbergen, die nur durch Simulationen mit variabler Schrittweite aufgedeckt werden können.
Auswahl eines Solvers zur Leistungssimulation
Mehr Informationen über Solver- und Modell-Überlegungen bei der Simulation physikalischer Systeme.
Zur Umstellung auf einen Solver mit fester Schrittweite können Sie entweder einen lokalen Simscape-Solver oder den globalen Simulink-Solver mit fester Schrittweite verwenden. Steht die Leistung im Vordergrund, wird in der Regel der lokale Simscape-Solver empfohlen. Weitere Details zum lokalen Solver und seinen Einstellungen finden Sie in der Dokumentation unter Simulation mit festem Zeitschritt — lokale und globale Solver mit fester Schrittweite.
Ein wichtiger Schritt beim Konfigurieren eines Simscape-Modells mit Solver mit fester Schrittweite zur Hardware-Bereitstellung ist die iterative Bestimmung des richtigen Solvers in den Zeitschritteinstellung, um Echtzeitrentabilität mit akzeptablen Simulationsergebnissen zu erzielen. Echtzeit-Simulation skizziert und erläutert diesen Workflow.
Simscape zu HDL
Bei der Echtzeit-Simulation wird das Simscape-Modell in C Code konvertiert. Schnellere Abtastraten können Sie mit FPGA-Technologie und HDL Code erzielen. Um von diesem Workflow für elektrische Netzwerkmodelle in Simscape zu profitieren, muss das physikalische Modell in eine Zustandsraumdarstellung in Simulink konvertiert werden. Dies ist das Hauptziel des Simscape HDL Workflow Advisor.
Konvertierung elektrischer Regelstreckenmodelle in HDL-Code
In diesem Beispiel erfahren Sie, wie Sie die Methode der linearisierten Schalterapproximation verwenden können, um ein Simscape-Motormodell in ein HDL-Implementierungsmodell für die HDL-Codegenerierung und -Synthese umzuwandeln.
Fazit
Dieser Leitfaden stellt die Methodik zur Optimierung der Simscape Electrical-Simulationsleistung in einer Vielzahl von Anwendungen vor – von der Desktop-Algorithmusentwicklung über Hardware-in-the-Loop-Tests bis hin zur FPGA-Implementierung. Durch die Befolgung des skizzierten Workflows – angefangen bei der Diagnoseanalyse, gefolgt von zweckspezifischen Optimierungsstrategien und endend mit erweiterter Leistungsverbesserung, lassen sich erhebliche Verbesserung bei der Simulationsgeschwindigkeit erzielen, ohne Abstriche bei Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu machen.
Durch die Befolgung dieses Leitfadens und die Nutzung der in MATLAB und Simulink verfügbaren Diagnosetools können Sie rechenintensive elektrische Simulationen in effiziente, genaue und zuverlässige Modellierungsworkflows verwandeln.
