[发明专利]基于模糊控制理论的多物理场耦合计算自适应步长方法

说明书

本发明公开了一种基于模糊控制理论的多物理场耦合计算自适应步长方法，该方法充分考虑实际工程中多物理场耦合计算精度与效率难以兼顾、积累的知识经验难以重用的情况，首先将场间传递数据处理后作为模糊控制系统的输入变量，设定输入、输出变量的论域，划分模糊集并设置隶属函数；其次，基于耦合计算的知识与经验制定模糊控制规则，通过模糊推理得到模糊控制系统输出；之后，通过初始化计算，设置步长取值区间与容差，制定超出容差处理措施；最后，以模糊控制器为步长控制器，确定计算流程，并设置计算总步数或总时间作为终止条件，完成了多物理场耦合计算步长的自适应模糊控制过程，实现多场耦合问题的高效计算。

技术领域

本发明涉及多物理场耦合条件下数值仿真技术领域，特别涉及一种基于模糊控制理论的多物理场耦合计算自适应步长方法，为指导工程技术人员利用知识与经验实现复杂多物理场耦合问题的高效求解提供了可行的处理办法。

背景技术

在航空航天、桥梁、船舶、化工、能源等领域往往涉及多物理场耦合问题。多物理场耦合仿真是高度非线性、时变性、强耦合的过程，计算量大、周期长、资源负担重，导致研发成本较高。考虑到耦合求解复杂性，人们往往采取单物理场各自求解、耦合界面数据传递的松耦合方法。松耦合方法由于物理时间与仿真时间的不统一，一般只有一阶的时间精度，为了提高求解精度必须将时间步长取很小，导致松耦合方法计算效率显著下降。此外，传统的多场耦合分析与结构设计中，工程技术人员积累下来的知识与经验难以在耦合求解中得到充分利用。因此，充分利用积累的知识与经验，实现精度与效率兼顾的多场耦合分析，具有显著的工程实用价值。

在数值仿真领域，自适应步长技术往往是提高计算效率的有效方法。多物理场耦合求解中常用的基于经验的控制方法、经典控制方法等均有不足。前者设计方便，但步长变化不平滑，可能影响数值解的平滑性及计算稳定性；后者步长变化平滑，但为获得最佳控制性能，需要建立被控对象的精确模型，且难以利用以往知识经验。模糊控制是一种智能控制方法，它利用多值模糊逻辑和人工智能要素(简化推理原则)来模仿人的思维，设计方便、不需要建立被控对象精确模型，可解决非线性、时变性、强耦合系统的控制问题，易于实现基于知识甚至语义描述的控制规律。因此模糊控制方法适用于复杂多物理场耦合分析的变步长控制。

综上，将以往知识和经验转化为控制规律、将模糊控制理论用于多物理场耦合分析的自适应步长控制，可以有效提高仿真效率，再结合各类高精度耦合求解格式，即可实现精度与效率兼顾的多场耦合分析。但是目前多场耦合计算领域，对基于模糊控制理论的变步长方法研究相对较少，基础薄弱。

发明内容

为了解决上述技术问题，克服现有技术的不足，本发明提供一种基于模糊控制理论的多物理场耦合计算自适应步长方法，充分考虑实际工程中多物理场耦合计算精度与效率难以兼顾、积累的知识经验难以重用的现状，以模糊控制理论为基础，建立一种多物理场耦合分析的自适应步长方法。所提方法相比传统定步长方法，可在保证多场精度的同时实现耦合问题的高效计算。本发明将重点探讨模糊控制理论框架下多物理场耦合求解的自适应步长方法，根据多场耦合界面数据获得控制系统输入，采用专家经验法建立模糊规则库，通过建立通用的计算流程，为多物理场耦合的高效计算提供技术保障。

本发明采用的技术方案为：一种基于模糊控制理论的多物理场耦合计算自适应步长方法，该方法实现步骤如下：

第一步：进行模糊控制系统输入、输出变量的选取。对于多物理场求解的场间数据传递过程，以S＝{I_i|i＝1,2,…,α}表征交换的数据组成的集合，α为数据类型总数，I_i为第i类数据矢量，I_i中元素按照结点编号或自由度进行排序，即：

其中j_i表示第i类数据的总结点数或自由度数：若第i类数据为矢量，则j_i表示自由度数；若第i类数据为标量，则j_i表示结点数。