Simscape 各物理域簡介
前面提過 Simscape 平臺除了其上的幾個專業(yè)工具箱之外,作為平臺的角色它自己也有一個 Foundation 元器件庫。這里包括 10 種不同的物理域,包括機械(平動、轉(zhuǎn)動), 電, 流體(氣、絕熱流體、熱流體、兩相流)、熱、磁。
下面用案例來簡單的描述這些物理域,讓大家有個更直觀的感受,看是否能和自己要模擬的對象、要分析的任務(wù)給聯(lián)系起來。
1. 機械
機械系統(tǒng)基礎(chǔ)零件庫包括質(zhì)量、彈簧、阻尼、摩擦等常見模型元素,包括平動或者轉(zhuǎn)動以及各種機構(gòu) (比如齒輪, 齒輪齒條)。
1.1.一維平動
下圖是個教科書常見的雙質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)示意圖及其模型。可能稍微不一樣的是,這里多了一個摩擦力模型。
題外話,這張圖片我以前在很多個場合有用到過,但好像從來沒有人好奇的提這里是不是沒有考慮質(zhì)量 1 的摩擦力?
模型的基本元件都來自于 Simscape 的 Foundation -> Mechanical 庫。
有些朋友可能為了方便,想用 Ideal Force Source 模塊給它一個反方向的力曲線作為摩擦力考慮。但是這里有需要注意根據(jù)運動狀體修正摩擦力的方向和大小,避免它反而成為了驅(qū)動力,然后得到“不可思議”的結(jié)果。
摩擦力永遠(yuǎn)都是阻礙運動的,所以如果是自定義的摩擦力信號,記得要和運動方向關(guān)聯(lián)起來。
有可能自定義到最后,你會發(fā)現(xiàn)還不如直接用 Simscape 庫力的摩擦力模型如下圖,最大靜摩擦力 Fbrk、粘滯阻力 Fv 以及庫倫摩擦力 Fc。或者在它的基礎(chǔ)上進行修改。
有些朋友在嘗試使用的時候會發(fā)現(xiàn)新版(其實也不新了 15b)多了一個 Translational Inerter,在想它是不是和 Mass 一樣?尤其是新版的 Mass 模塊還可以設(shè)置顯示兩個端口,看起來就更像了。不,這兩個模塊并不是顯示不同的關(guān)系,它們確實計算也不一樣,如下圖所示。
1.2.一維轉(zhuǎn)動
一維轉(zhuǎn)動模塊庫基本上就是平動的鏡像版本。
元件模型概念和平動差不多。
這里的 Mechanisms 就提供一些常見的簡單機構(gòu)模型,比如這里的齒輪齒條模塊,Wheel and Axle 就把一維平動和轉(zhuǎn)動耦合起來了。
相比三維機械模型來說,一維模型的最大好處就是計算快。在基本的方案確定時,我們經(jīng)常會將系統(tǒng)進行簡化以初步縮小方案范圍。
如下圖,就是是一個簡化后的懸架減震的簡單例子。
【文末提供示例鏈接】
值得注意的是,在 Simscape 的一維仿真系統(tǒng)里,并不會考慮重力(Simscape Multibody 里會考慮),所以這里的重力是以 Force Source 的方式施加進去的,如下圖所示。但是要注意模塊的連接方向和力的正負(fù)。
在 Simulink 基礎(chǔ)庫案例里有一個 Simulink 版本的懸架模型,提供了各種參數(shù)??勺鳛槲覀儗W(xué)習(xí)使用 Simscape 的練習(xí),可以把它用 Simscape 實現(xiàn)出來和原模型對比以校驗我們模型的正確性。
之前的文章有介紹過 Simscape Driveline 可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的傳動系統(tǒng)。而三維機械仿真則需要 Simscape Multibody 工具箱,這部分后面再介紹。
2. 電
雖然 Simscape 的 Foundation 里提供了一些電路原件基礎(chǔ)庫包括電阻、電容、電感、二極管、放大器等等基礎(chǔ)元件,可以將基礎(chǔ)原件組裝成典型電路庫。
但對于要做電路仿真來說,還是過于簡單,一般用在搭建自定義多物理域元件的簡單電路環(huán)節(jié)。
所以經(jīng)常會結(jié)合 Simscape Electrical 搭建更復(fù)雜的電路/電驅(qū)/電網(wǎng)系統(tǒng)。用 Simulink 搭建過電網(wǎng)模型的朋友可能知道,曾經(jīng)有一個 SimPowerSystem 的工具箱,現(xiàn)已經(jīng)合并入 Simscape Electrical 工具箱。
關(guān)于電這部分,后面會有 Simscape Electrical 時再做介紹,這里就不細(xì)說了。
3. 流體
Simscape 提供了各種不同的流體域模塊庫,以應(yīng)對我們不同場景下的流體系統(tǒng)建模需求,當(dāng)然我們也可以定義全新的物理域特性,比如考慮氮氣的燃料電池系統(tǒng)、電池化學(xué)反應(yīng)模型。
對于搭建復(fù)雜系統(tǒng)來說,流體系統(tǒng)的模塊庫全部都?xì)w類到專業(yè)庫 Simscape Fluids,從購買軟件的角度來說其實也省事了,就這一個工具箱。
這里只簡單介紹一下各個子庫的應(yīng)用場合區(qū)別,以便我們選擇建模方式的時候做個參考。
3.1 絕熱流體 Isothermal Liquid
Isothermal Liquid 這個庫用于流體屬性隨著溫度變化可忽略的系統(tǒng),適用于搭建我們常見的動力傳動液壓系統(tǒng)。
用 Simscape 搭建過液壓系統(tǒng)的朋友可能知道之前有一個 hydraulic 庫(橘色的模塊顏色),它之后會逐步被新的 Isothermal Liquid 模塊庫逐步取代。新庫別在于平衡方程里用質(zhì)量流量替代了體積流量,提高了模型計算穩(wěn)定性。Simscape 提供了 API 自動將原 hydraulic 模型轉(zhuǎn)為新的 Isothermal Liquid 模型。
3.2 熱流體 Thermal Liquid
和上一個物理域相比,熱流體顧名思義則表示需要考慮流體屬性隨著溫度的變化對系統(tǒng)的影響。通常用它來搭建水冷系統(tǒng)模型,包括各種泵、閥、管路。
相比之下它的元件沒有液壓系統(tǒng)庫的那么多,因為一般冷卻系統(tǒng)的回路控制沒有傳動系統(tǒng)那么復(fù)雜,而且多回路冷卻系統(tǒng)里的多路多通閥大多各不相同,并沒有標(biāo)準(zhǔn)件,因此都是用節(jié)流口模塊自定義。
除了我們常見的小型冷卻系統(tǒng)里的各種換熱器之外,大型環(huán)控系統(tǒng)里還會有冷卻塔Cooling Tower。
如前所說,這種系統(tǒng)一般用在大型環(huán)控系統(tǒng)的散熱,比如下圖是一個數(shù)據(jù)中心的散熱系統(tǒng)模型。
3.3 干空氣 Gas
和剛才的液力傳動系統(tǒng)對應(yīng)的,也有氣動系統(tǒng)。相比于液力傳動系統(tǒng)里的流體來說,它里面的流體是干空氣。溫度對空氣的影響很大,所以氣動系統(tǒng)里是會考慮溫度影響的。
用于搭建氣體系統(tǒng)的零件庫,比如氣動作動器、氣體運輸管路系統(tǒng)、動力系統(tǒng)的氣動渦輪等等。
3.4 濕空氣 Moist Air
和剛剛的 Gas 相比,Moist Air 模擬混合氣流包括干空氣、水蒸氣以及第三種需追蹤的氣體。這里特意提及干空氣以及水蒸氣是因為還會跟蹤計算冷凝,因此可以用它來對比如環(huán)控系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等等關(guān)心溫濕濕度的場景建模。另外,它還可以追蹤氣體比如 CO2 , O3 , 顆粒物等等。需要說明的是,它雖然可以計算冷凝,但不涉及氣體之間的化學(xué)反應(yīng)。
3.5 兩相流 Two-Phase
兩相流即表示管路里的流體吸收能量時物態(tài)發(fā)生變化(相變)從液態(tài)到混合態(tài)以及氣態(tài),就像一壺冷水逐漸被燒開的過程一樣。
兩相流模塊庫常用于制冷系統(tǒng)的建模,Simscape Foundation 庫里提供了基礎(chǔ)兩相流模塊,下圖里示意圖里的模塊來自于 Simscape Fluids 工具箱。
這里的換熱器其實是屬于典型的多物理域耦合模型,比如制冷劑(兩相流)和濕空氣域。
房屋內(nèi)部空氣循環(huán)其實就是濕空氣系統(tǒng)。但對于房屋內(nèi)部空氣來說,它其實又包括和外界的熱回路模型。
4. 熱
Simscape 的熱模塊雖然是個單獨的 Thermal 庫。但熱模型往往是和其它物理域相結(jié)合的。比如電機會因為效率損失導(dǎo)致它成為熱網(wǎng)絡(luò)模型中的熱源。
Foundation 庫包括基本的傳熱單元,包括熱質(zhì) Thermal mass、熱傳導(dǎo) Conductive、熱對流 convective, 熱輻射 radiative。
它計算系統(tǒng)溫度T和熱流 Q,適用于固體或者靜止流體通過熱傳導(dǎo)、熱對流以及熱輻射進行熱交換,比如直流電機本體散熱模型,幫助確定對熱源或者散熱的需求。
但是具體得到什么樣顆粒度的結(jié)果,取決于如何劃分這個熱網(wǎng)絡(luò)。
比如將上圖的圓柱沿著軸向進行有限分段,便能得到圓桿上軸向的溫度梯度模型。
但并不是所有的熱模型結(jié)構(gòu)都可以或者方便這樣用分段的方式來進行建模。因此也可以用其它的方式來進行模型降解,比如數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式或者理論方法。下圖就是將三維電池?zé)崮P屯ㄟ^ PDE 工具箱以模態(tài)疊加法變成可進行瞬態(tài)仿真的 Simscape 模塊,用于電池快充仿真。
最后,Thermal 庫并不適用于以流動氣體或者液體為媒介的散熱模型,比如換熱器設(shè)計。這種模型需要用到前面提到的氣體或者熱流體庫。
5. 磁
Foundation 庫包括基本的磁路元件,比如電磁轉(zhuǎn)換模型 Electromagnetic converter、磁阻作動器 Reluctance Force Actuator、可變磁阻單元 Variable Reluctance。
它主要用于補充物理系統(tǒng)的磁效應(yīng)影響。Simscape 也不像流體的 Simscape Fluids 那樣給它提供專門的附加庫了。
另外,我們知道電機通常被抽象為三相方程,也能得到較好的仿真結(jié)果。因此,我們可以將電機的磁路模型也降為三相的一維模型。比如下圖搭建了 SPMSM 的磁路機理模型。
作為對比和原 PMSM 庫模塊結(jié)果做了校驗。
建立 A,B,C 三組繞組的磁路模型,可用于模擬電機的故障響應(yīng)。
比如 slot1 突然產(chǎn)生了開路故障,影響了 A 相磁路,對扭矩也產(chǎn)生了影響而不再平衡。
6. 多物理耦合模型
其實剛剛也有多次提到,真實的系統(tǒng)往往是多物理域耦合的。
我們可以使用 Simscape 這個平臺,輕松將各個物理域的子系統(tǒng)集成起來,包括控制算法。
以上就是各種各樣的 Simscape Foundation 物理域應(yīng)用場景。是否有符合您應(yīng)用的那一種呢?歡迎告訴我們!
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