關(guān)于Simscape的建模和仿真多域物理系統(tǒng)的分析和介紹

Simscape提供了多物理域系統(tǒng)的建模仿真平臺(tái)，包括機(jī)械、電氣、液壓和其他物理域。您可以使用它提供的各物理域基礎(chǔ)模塊來(lái)組裝各種物理模型，如電機(jī)、反向運(yùn)算放大器、液壓閥和棘輪機(jī)構(gòu)。因?yàn)?Simscape 組件之間使用物理連接，所以模型與開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是匹配的。

Simscape 模型可用于開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)級(jí)性能。您可以使用基于 MATLAB 的 Simscape 語(yǔ)言來(lái)擴(kuò)展庫(kù)；使用 MATLAB 變量和表達(dá)式來(lái)參數(shù)化模型；以及為 Simulink 中的物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。Simscape 可支持 C 代碼生成,可以將模型部署到其他仿真環(huán)境，如硬件在環(huán) (HIL) 系統(tǒng)。

主要特性

提供單一建模環(huán)境，可用于對(duì)機(jī)械、電氣和液壓、熱場(chǎng)以及其他多域物理系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真

用于開(kāi)發(fā)自定義組件的物理模塊庫(kù)以及數(shù)學(xué)運(yùn)算庫(kù)

基于 MATLAB 的 Simscape 語(yǔ)言，支持使用文本定義物理建模組件、域和庫(kù)

提供參數(shù)和變量的物理單位，并自動(dòng)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換

仿真的模型可以包括相關(guān)物理建模工具提供的模塊，而無(wú)需購(gòu)買這些建模工具

支持 C 代碼的生成

Simscape 可用于優(yōu)化系統(tǒng)級(jí)性能以及被控對(duì)象建模。您所創(chuàng)建的模型支持您的整個(gè)開(kāi)發(fā)流程，包括硬件在環(huán)仿真。

電液伺服閥的截面圖（右），使用的噴嘴擋板放大器以黃色高亮顯示。Simscape 模型（左）中彩色模塊與彩色箭頭對(duì)應(yīng)，這些箭頭代表典型的液體流動(dòng)路徑。

主要功能

1.物理系統(tǒng)建模

利用 Simscape，建立系統(tǒng)模型就如同裝配物理系統(tǒng)一樣。Simscape采用物理網(wǎng)絡(luò)方法（也稱為非因果性建模）進(jìn)行模型構(gòu)建：模塊相當(dāng)于物理元器件，比如如泵、電機(jī)、運(yùn)算放大器等。模塊之間的連線相當(dāng)于物理連接，用于傳遞能量。通過(guò)這種方法，您描述的是系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，而非底層的數(shù)學(xué)原理。模型與原理圖非常相似，Simscape 可以從建立的模型中自動(dòng)構(gòu)造微分代數(shù)方程(DAE)，描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。這些方程與 Simulink 模型的剩余部分集成，直接求解 DAE。同時(shí)求解不同物理域組件變量，避免代數(shù)環(huán)問(wèn)題。

2.組件庫(kù)

您可以使用 Simscape 基礎(chǔ)庫(kù)中的基本元件來(lái)創(chuàng)建自定義組件模型。

構(gòu)件機(jī)械組件模型

構(gòu)建電氣組件模型

構(gòu)建液壓組件模型

構(gòu)建熱效應(yīng)模型

使用物理信號(hào)

用于創(chuàng)建自定義組件模型的 Simscape 電氣、機(jī)械、液壓和熱模塊庫(kù)。

3. Simscape 語(yǔ)言

Simscape 語(yǔ)言可用于定義新的物理域，以及創(chuàng)建自己的物理建模組件和庫(kù)。它基于工程師們非常熟悉的MATLAB編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)。通過(guò)這種面向?qū)ο蟮慕ＵZ(yǔ)言，您可以定義自定義組件，包括參數(shù)化、物理連接端口以及非因果隱式 DAE 方程。您也可以使用 MATLAB 來(lái)分析參數(shù)值，進(jìn)行一些初等運(yùn)算以及初始化系統(tǒng)變量。這些 Simulink 模塊及其對(duì)話框都是從Simscape源文件自動(dòng)創(chuàng)建而來(lái)。

您創(chuàng)建的組件可以重用 Simscape 已定義的物理域，以確保您的組件與標(biāo)準(zhǔn)Simscape組件兼容。您也可以添加自己的物理域?？梢宰詣?dòng)創(chuàng)建 Simscape 組件和物理域的庫(kù)，這樣就可以在團(tuán)隊(duì)之間共享這些模型。也可以為包含自定義組件的 Simulink 模型生成 C 代碼。

通過(guò)使用 Simscape 語(yǔ)言，您可以精確指定您的物理組件模型中需要考慮哪些影響。因此您可以在模型逼真度和仿真速度之間進(jìn)行權(quán)衡。

使用 Simscape 語(yǔ)言創(chuàng)建考慮能量損失的超級(jí)電容。圖示方程（底部）使用 Simscape 語(yǔ)言（左）的實(shí)現(xiàn)方式。Simulink 模塊圖（右上）及其屬性對(duì)話框（中）都是從 Simscape 源文件自動(dòng)創(chuàng)建而來(lái)。

4.使用 Simscape 編輯模式共享模型

在 Simscape 編輯模式下，您可以使用 Simscape 及其附加工具箱來(lái)進(jìn)行物理建模和仿真： SimDriveline、SimElectronics、SimHydraulics、SimMechanics 和 SimPowerSystems。即使只有 Simscape 許可證，只要您機(jī)器上安裝了附加工具箱，您也可以打開(kāi)、仿真、參數(shù)調(diào)節(jié)以及保存含有附加工具箱模塊的模型。您不需要購(gòu)買額外的許可證，就可以在團(tuán)隊(duì)之間共享您的模型。

5.將 Simscape 模型轉(zhuǎn)換為 C 代碼

Simscape 可以將您的模型轉(zhuǎn)換為 C 代碼，以確?？墒褂?Simulink 加速模式來(lái)縮短仿真時(shí)間。您也可以使用 Simulink Coder 將 Simscape 模型轉(zhuǎn)換為 C 代碼，這樣就可以：

實(shí)時(shí)仿真，進(jìn)行 HIL 測(cè)試

將您的模型集成到其它仿真環(huán)境中

將 Simscape 模型編譯為獨(dú)立的可執(zhí)行文件，這樣可加速您的分析過(guò)程，比如參數(shù)分析和 Monte Carlo 仿真

將 Simscape 模型轉(zhuǎn)換為 C 代碼：通過(guò)模型創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立可執(zhí)行文件，對(duì)可變參數(shù)模型的仿真進(jìn)行加速。

將模型配置為實(shí)時(shí)運(yùn)行，您可以使用硬件在環(huán)測(cè)試取代昂貴的原型機(jī)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試?？梢栽陂_(kāi)發(fā)流程的早期發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，降低成本和縮短設(shè)計(jì)周期。

以 HIL 測(cè)試取代硬件原型對(duì)控制算法進(jìn)行測(cè)試合并了 MathWorks 物理建模產(chǎn)品模塊的 Simulink 模型轉(zhuǎn)換為 C 代碼并下載到 Bachmann electronic M1 硬件控制器上。

6.MATLAB 與 Simulink 集成

Simscape 擴(kuò)展了對(duì)物理系統(tǒng)建模的功能。您可以使用物理連接的方式搭建物理對(duì)象模型，還可以將其直接連接到使用信號(hào)流的方式搭建的 Simulink 控制模型。Simscape 模型還可以直接連接至 MathWorks 其它行業(yè)工具箱或者是其它物理的物理建模工具，這樣你就可以模擬出不同物理域之間的復(fù)雜耦合關(guān)系。

您可以使用 MATLAB 來(lái)參數(shù)化模型、自動(dòng)化仿真測(cè)試、分析輸出數(shù)據(jù)以及優(yōu)化系統(tǒng)性能。這樣，您便可以在 MATLAB 和 Simulink 環(huán)境下測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)（多物理域?qū)ο竽Ｐ秃涂刂破鳎?/p>

將 120 伏交流電壓轉(zhuǎn)換為 12 伏直流電壓的全波橋式整流器的 Simscape 模型（頂部）。此模型可用于為特定負(fù)載確定電容值。下圖（底部）顯示了直流電壓的波動(dòng)。