關于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，包括機械、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模塊來組裝各種物理模型，如電機、反向運算放大器、液壓閥和棘輪機構(gòu)。因為 Simscape 組件之間使用物理連接，所以模型與開發(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 語言來擴展庫；使用 MATLAB 變量和表達式來參數(shù)化模型；以及為 Simulink 中的物理系統(tǒng)設計控制系統(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，可用于對機械、電氣和液壓、熱場以及其他多域物理系統(tǒng)進行建模和仿真

用于開發(fā)自定義組件的物理模塊庫以及數(shù)學運算庫

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，并自動進行單位轉(zhuǎn)換

仿真的模型可以包括相關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

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。

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，這些箭頭代表典型的液體流動路徑。

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)絡方法（也稱為非因果性建模）進行模型構(gòu)建：模塊相當于物理元器件，比如如泵、電機、運算放大器等。模塊之間的連線相當于物理連接，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。

2.組件庫

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

構(gòu)件機械組件模型

構(gòu)建電氣組件模型

構(gòu)建液壓組件模型

構(gòu)建熱效應模型

使用物理信號

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

3. 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。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，進行一些初等運算以及初始化系統(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準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，這樣就可以在團隊之間共享這些模型。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。

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 及其附加工具箱來進行物理建模和仿真： 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，就可以在團隊之間共享您的模型。

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：

實時仿真，進行 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 Simscape 模型轉(zhuǎn)換為 C 代碼：通過模型創(chuàng)建一個獨立可執(zhí)行文件，對可變參數(shù)模型的仿真進行加速。

將模型配置為實時運行，您可以使用硬件在環(huán)測試取代昂貴的原型機來進行系統(tǒng)測試?？梢栽陂_發(fā)流程的早期發(fā)現(xiàn)錯誤，降低成本和縮短設計周期。

以 HIL 測試取代硬件原型對控制算法進行測試合并了 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。

6.MATLAB 與 Simulink 集成

Simscape 擴展了對物理系統(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雜耦合關系。

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載確定電容值。下圖（底部）顯示了直流電壓的波動。