關(guān)于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，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)镾imscape組件之間使用物理連接，所以您的模型與您所開發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是匹配的。

Simscape模型可用于開發(fā)控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)級性能。您可以使用基于MATLAB的Simscape語言來擴(kuò)展庫，以文本的形式定義物理建模物理域和模塊庫。您可以使用MATLAB變量和表達(dá)式來參數(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，可用于對機(jī)械、電氣和液壓、熱場以及其他多域物理系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真；

用于開發(fā)自定義組件的物理模塊庫以及數(shù)學(xué)運(yùn)算庫；

基于MATLAB的Simscape語言，支持使用文本定義物理建模組件、域和庫；

提供參數(shù)和變量的物理單位，并自動進(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，而無需購買這些建模工具；

支持C代碼的生成；

主要功能

1. 物理系統(tǒng)建模

Simscape可用于優(yōu)化系統(tǒng)級性能以及被控對象建模。您所創(chuàng)建的模型支持您的整個開發(fā)流程，包括硬件在環(huán)仿真。

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構(gòu)造微分代數(shù)方程(DAE)，描述系統(tǒng)動態(tài)性能。這些方程與Simulink模型的剩余部分集成，直接求解DAE。同時求解不同物理域組件變量，避免代數(shù)環(huán)問題。

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應(yīng)，這些箭頭代表典型的液體流動路徑。

2. 組件庫

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

3. 構(gòu)件機(jī)械組件模型

Simscape提供與一維平動和一維轉(zhuǎn)動相關(guān)的基本機(jī)械模塊。除了質(zhì)量、彈簧和阻尼等基本元件外，各種非線性效應(yīng)比如反沖和摩擦也包括在內(nèi)。SimMechanics和SimDriveline提供的接口模塊可用于將Simscape模型與使用這些工具構(gòu)建的模型連接起來。

4. 構(gòu)建電氣組件模型

Simscape提供表示電子元器件和回路的基本電氣模塊。除了電阻器、電容器和感應(yīng)器等基本元件外，還包括運(yùn)算放大器和變壓器等更復(fù)雜的元件。更復(fù)雜的電子元件或機(jī)電元件可以在SimElectronics庫中找到。

構(gòu)建四通液壓閥和液壓缸模型：液壓和機(jī)械物理建模模塊用于構(gòu)建此模型。

5. 構(gòu)建熱效應(yīng)模型

Simscape提供用于建模和仿真系統(tǒng)中熱效應(yīng)的基本熱模塊?？梢?a href="http://wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬熱傳導(dǎo)，熱對流，熱輻射，以及元件的熱質(zhì)量。熱源模塊可以指定溫度或熱流；熱傳感器模塊可以測量熱流量或溫度變化。

構(gòu)建投影儀傳熱模型：熱物理建模組件用于構(gòu)建此模型。

6. 使用物理信號

使用Simscape搭建的模型可以包括帶單位的物理信號?？梢栽谀K參數(shù)對話框中指定參數(shù)值及其單位，Simscape在求解物理網(wǎng)絡(luò)時會進(jìn)行必要的單位換算。使用物理信號模塊庫的模塊，可直接對物理信號進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算，很方便的在物理網(wǎng)絡(luò)模型中搭建方程。Simscape模塊圖使用物理信號端口，更好的將物理信號集成到物理系統(tǒng)中，加快了計(jì)算速度。

使用這些基本庫里的元件，您可以構(gòu)造出涉及多物理域的更復(fù)雜的組件。跟Simulink一樣，你可以將這一系列模塊組合為一個子系統(tǒng)，并將其參數(shù)化，以便重用和共享這些組件。

你可以使用Simscape中的傳感器模塊來測量各物理量的值，如機(jī)械（力/扭矩、速度）、液壓（壓力、流量）或電氣（電壓、電流）變量，然后將這些信號傳遞到標(biāo)準(zhǔn)Simulink模塊。Simulink信號可以通過源模塊來給這些變量中的任何一個賦值。通過傳感器模塊和源模塊，你可將Simulink開發(fā)的控制算法與Simscape模型網(wǎng)絡(luò)連接起來。

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。

Simscape語言

Simscape語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。它基于工程師們非常熟悉的MATLAB編程語言為基礎(chǔ)。通過這種面向?qū)ο蟮慕ＵZ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模塊及其對話框都是從Simscape源文件自動創(chuàng)建而來。

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。可以自動創(chuàng)建Simscape組件和物理域的庫，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。

通過使用Simscape語言，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 語言創(chuàng)建考慮能量損失的超級電容。圖示方程（底部）使用 Simscape 語言（左）的實(shí)現(xiàn)方式。Simulink 模塊圖（右上）及其屬性對話框（中）都是從 Simscape 源文件自動創(chuàng)建而來。

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、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。您不需要購買額外的許可證，就可以在團(tuán)隊(duì)之間共享您的模型。

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?？墒褂肧imulink加速模式來縮短仿真時間。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)時仿真，進(jìn)行HIL測試

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程，比如參數(shù)分析和Monte Carlo仿真

將模型配置為實(shí)時運(yùn)行，您可以使用硬件在環(huán)測試取代昂貴的原型機(jī)來進(jìn)行系統(tǒng)測試。可以在開發(fā)流程的早期發(fā)現(xiàn)錯誤，降低成本和縮短設(shè)計(jì)周期。

通過模型創(chuàng)建一個獨(dú)立可執(zhí)行文件，對可變參數(shù)模型的仿真進(jìn)行加速。

以 HIL 測試取代硬件原型對控制算法進(jìn)行測試：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。

MATLAB 與 Simulink 集成

Simscape擴(kuò)展了對物理系統(tǒng)建模的功能。您可以使用物理連接的方式搭建物理對象模型，還可以將其直接連接到使用信號流的方式搭建的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來參數(shù)化模型、自動化仿真測試、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)境下測試整個系統(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。