主要收获
- 仅使用 CPU 的工具通常会强制增大步长或增加延迟，从而在关键时刻降低保真度。
- 专门的实时求解器可保持熟悉模型的准确性，同时对快速事件保持严格的固定步骤。
- FPGA 仿真器可捕捉亚微秒级的动态变化，因此控制器可体验到逼真的开关行为和保护定时。
- 混合 CPU 和 FPGA 分离技术可让您扩展网格和转换器，而无需重写模型或牺牲细节。
- 一致的构建和测试管道可缩短迭代时间、降低风险并提高对最终设计选择的信任度。
面对现代电气系统的速度和复杂性，传统的仿真工具成为了瓶颈。工程师们担心，他们的模型可能无法捕捉到每一个快速瞬态或不稳定性，从而使关键设计验证的风险增加。事实上，可再生能源电网中高频率电力转换器的兴起揭示了新的可靠性问题--转换器故障现已被确定为造成停电的主要原因。这种高风险的现实意味着仿真必须以真正的实时速度运行，同时不牺牲保真度。在 OPAL-RT，我们相信工程师们永远不会被他们的工具所束缚，数十年来推动实时仿真极限的经验表明，将先进的算法与专用硬件相结合可以消除这些瓶颈。因此，我们能够快速测试大胆而复杂的系统，并对测试结果充满信心。
标准模拟工具难以满足实时性能要求
传统的基于 CPU 的模拟器在试图跟上快速、复杂的系统时往往会出现问题。工程师经常会遇到数值不稳定的问题，或者不得不简化模型以使其运行。以下是一些常见的痛点，它们凸显了标准工具难以跟上进度的原因：
- 有限的时间步分辨率：通用电磁瞬态 (EMT)模拟器通常以 5-100 微秒的固定步长运行。然而，捕捉快速开关事件或故障瞬态可能需要接近 100 纳秒范围的时间步长，这在数量级上超出了传统 CPU 求解器所能可靠实现的时间步长。
- 模型延迟带来的精度权衡：为了应对 CPU 的限制，工程师通常会在模型中引入微小的延迟或增加步长。这些人为的调整虽然能保证仿真的运行，但也要付出代价：即使是为了稳定性而插入的微小时间延迟，也会明显降低精度，破坏实时仿真本应提供的保真度。
- 并行处理的限制：多核处理器和软件技巧可以提高吞吐量，但某些高速控制回路和电力电子相互作用在本质上仍然难以并行化。某些计算必须按顺序进行，这意味着快速切换的转换器或僵硬的网络子系统仍会对整个仿真造成瓶颈。在实践中，这意味着关键瞬态可能会被遗漏或过度平滑，因为模拟器无法在严格的实时期限内求解所有方程。
- 规模与速度的两难选择：随着模型不断扩大，包括更大的电网部分或更详细的转换器电路，每个时间步的计算负荷也随之增加。团队最终往往会牺牲细节（例如，将设备组合成一个平均单元），以避免步长超时。这种在系统规模和仿真速度之间的权衡会造成洞察力的缺失，因为简化的模型可能会忽略局部现象，而这些现象在实际运行过程中至关重要。
这些挑战说明了为什么依赖开箱即用的模拟工具会阻碍创新。当您的模拟器通过数值错误、遗漏事件或强行简化等方式引入疑问时，就很难信任模拟结果。工程师需要能消除这些障碍的解决方案。仿真器的行为应该与真实系统无异，无论它变得多么复杂或快速。
将标准模型与专用求解器相结合，以实时速度保持精度
高级仿真专家通过采用高性能求解器技术来增强熟悉的建模工具，从而解决了这些局限性。这种方法不是强迫工程师大幅简化模型，而是改进仿真本身的计算方式。一种行之有效的方法是将特定领域的实时求解器直接集成到 Simscape Electrical™ 等平台中。这样，团队就可以继续使用标准的 MATLAB/Simulink® 模型，同时获得定制求解器的稳定性和速度。
例如，ARTEMiS仿真器可与 Simscape 电气模型一起工作，以确保固定时间步长下的数值稳定性。它采用先进的解耦技术，避免在子系统之间引入人为延迟，因此即使在大规模电网仿真中也能保持模型的保真度。在实际应用中，这意味着工程师可以将复杂电力网络的详细 Simulink 模型实时运行，而无需通常的黑客操作或丢失细节。求解器将网络划分为较小的可求解块，并采用优化算法进行处理，从而在所需速度下保持稳定。最重要的是，这种解耦是无延迟的--模拟器不依赖于减慢或抑制组件之间的相互作用来保持稳定。因此，模拟结果与高保真离线模拟结果非常接近，但它们是即时生成的，一步一步地进行，与时钟同步。
"面对现代电气系统的速度和复杂性，传统的模拟工具成为瓶颈"。
标准工具和专用求解器之间的协作也简化了工作流程。工程师可以用他们熟悉的工具（如 Simulink）开发模型，准备在目标机器上执行时，只需切换到实时模式即可。在表面之下，求解器会自动处理僵化方程和快速切换事件，因此即使是众所周知的坚硬组件，在计算时也不会出现不稳定性。行业经验表明，这种方法可以可靠地模拟通常处于不稳定边缘的大型系统。通过在实时速度下保持细节和精确度，专用求解器为工程师提供了一个强大的替代方案，而不是 "简化 "他们的模型。
基于 FPGA 的求解器对现代高保真电气仿真至关重要
虽然先进的 CPU 求解器大大提高了实时性能，但有些情况对速度的要求远远超出了任何通用处理器的处理能力。现场可编程门阵列（FPGA）已成为超高保真度实时仿真不可或缺的工具。这些可重新配置的芯片以真正的并行和时钟速度运行计算，时间步长可达亚微秒级。实际上，基于 FPGA 的求解器能以类似硬件的粒度表示快速开关器件和电磁瞬态的物理特性。
FPGA 所带来的差异是惊人的。例如，一个基于 FPGA 的仿真仅用 373 ns 的时间步长就处理了 1,200 个功率半导体开关，同时保持了99.83% 的准确率。这些数字不仅仅是学术上的，它们直接转化为模拟高频现象的能力，如快速开关转换或大型网络中的瞬态传播。相比之下，基于 CPU 的模拟器要么会崩溃，要么会大大降低速度，要么会被迫平均这些动态变化。
基于 FPGA 的解算器之所以出色，是因为它们可以同时计算许多运算。FPGA 可以将不同的逻辑电路用于并行求解模型的各个部分，例如，在同一时钟周期内求解矩阵方程，同时整合器件模型。这种大规模并行性意味着，即使是大型系统也能以毫不妥协的细节进行仿真。现代实时仿真平台通常将 CPU 与 FPGA 搭配使用：CPU 管理整体模型和接口，而 FPGA 板则处理亚微秒级计算。因此，仿真器可以实时运行 50 kHz 开关转换器，捕捉每个脉冲和瞬态，而早期的工具则不得不放慢速度或完全忽略细节。
"现场可编程门阵列（FPGA）已成为超高保真实时仿真不可或缺的工具"。
突破实时仿真极限，加快创新速度，增强设计信心
无缝硬件在环测试
高保真实时仿真使硬件在环（HIL）测试变得天衣无缝。现代实时模拟器能够实现如此精确的定时，以至于真实硬件无法辨别它是否与实际系统相连。工程师可以插入物理控制器或保护装置，并在严格、逼真的条件下进行测试。模拟器能够注入故障，例如突然的电压尖峰或组件故障，控制器的反应将与现场完全一致。这意味着团队可以在无数种情况下验证其控制软件和硬件，包括在物理设备上测试风险太大或不切实际的极端情况。
自信地验证复杂系统
先进的实时仿真技术的最大优势或许在于它为最终设计决策带来的信心。从电动汽车动力系统到可再生能源丰富的电网，再到航空航天系统，每个领域的现代设计都涉及到无数必须经过验证的相互作用和边缘情况。工程师可以让他们的项目面临多周期电网故障、快速负载变化或设备故障等事件，并观察整个系统的反应。高保真模拟器能捕捉到较简单模型所忽略的微妙影响，从而确保通过虚拟方式而不是在现场首次发现潜在问题。这种前瞻性的方法可以避免代价高昂的意外情况，并意味着最终设计已经在系统的数字孪生中得到了验证。
高级用户可将 ARTEMiS 工具箱作为 Simscape Power Systems（前身为 SimPowerSystems）中的插件求解器，以实现实时精度。实际上，这意味着像往常一样在 Simscape Electrical™ 中建立电气模型，然后在实时硬件上运行时选择 ARTEMiS 作为固定步长求解器。ARTEMiS 通过自动划分网络和应用数值稳定技术来增强标准模型，从而使仿真在所选时间步长内保持稳定。因此，工程师可以实时模拟复杂的电力系统（如微电网或多电机驱动），而无需增加人为延迟或简化模型。从本质上讲，ARTEMiS 是一个实时执行引擎，可确保 Simscape 模型在高速运行时保持逼真性。
基于 FPGA 的求解器已变得必不可少，因为现代电气系统所涉及的现象往往比传统 CPU 求解器所能处理的速度更快。碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）转换器等高频电力电子设备的开关速度非常快，要对其进行精确仿真，需要极小的时间步长。FPGA 可以并行计算这些小步模拟，而这正是普通 CPU 难以实现的。通过使用 FPGA，模拟器可以捕捉到每一个快速的瞬态和开关事件，因此可以精确地模拟从高速电机驱动到闪电般快速的保护电路等各种情况。从根本上说，FPGA 仿真器可确保仿真分辨率足够精细，以反映现实情况，因为在这种情况下，即使是微秒级的步骤也会模糊重要细节。
纯 CPU 实时仿真受限于通用处理器的顺序性和时钟速度。随着仿真模型的复杂性不断增加，节点、开关元件和控制回路越来越多，CPU 不得不在相同的固定时间步长内执行更多的计算。最终，CPU 无法在下一步到期前完成所有计算，导致错过最后期限或需要增加步长。在仅使用 CPU 的限制条件下，工程师通常必须简化模型，例如将元件分组或降低开关速度，这可能会忽略关键的动态行为。此外，一些电力电子仿真涉及非常僵硬的方程，除非步长增大，否则在 CPU 上很容易出现数值不稳定。所有这些因素都意味着仅使用 CPU 的方法可能无法忠实模拟极快或大规模系统，从而限制了您可以放心测试的场景。
是的，高级实时模拟器的一大优势就是能够探索和预测罕见的故障情况，而这些情况可能很难通过其他方式重现。由于这些模拟器可以运行高度详细的模型，工程师可以在模拟中插入故障条件或极端事件，并观察其结果。例如，实时模拟器可以模拟电网中的断路器未能按时断开时的情况，或者多逆变器可再生能源系统在意外孤岛事件中的表现。通过加速或重复模拟器中的情景，您可能会发现通常需要实际运行数年才能发现的故障模式。重要的是，当模拟实时运行时，它可以与实际的保护装置或控制器互动，揭示整个系统（包括硬件和软件）如何应对这些罕见事件。这种预测能力可帮助工程师设计出更稳健的系统，并为不太可能发生但有可能发生的事件提供保障。简而言之，高保真实时仿真可实现主动的可靠性方法，提前了解和缓解潜在故障。
