Simscape™ программное обеспечение представляет собой набор библиотек блоков и специальных функций моделирования для моделирования физических систем в среде Simulink ®. Он использует подход физической сети, который отличается от стандартного подхода моделирования Simulink и особенно подходит для моделирования систем, состоящих из реальных физических компонентов .
Блоки симулятора представляют собой основные математические операции. При соединении блоков Simulink результирующая диаграмма эквивалентна математической модели или представлению проектируемой системы. Технология Simscape позволяет создать сетевое представление проектируемой системы на основе подхода «Физическая сеть». В соответствии с этим подходом каждая система представлена как состоящая из функциональных элементов, взаимодействующих друг с другом путем обмена энергией через их порты.
Эти порты соединения являются неориентированными. Они имитируют физические связи между элементами. Соединение блоков Simscape аналогично соединению реальных компонентов, таких как насосы, клапаны и т.д. Другими словами, схемы Simscape имитируют компоновку физической системы. Если физические компоненты могут быть соединены, их модели также могут быть соединены. При подключении блоков Simscape необязательно указывать направления потока и поток информации, так же как и при подключении реальных физических компонентов. Подход «Физическая сеть» с переменными Through и Across и ненаправленными физическими связями автоматически решает все традиционные проблемы с переменными, направленностью и т. д.
Количество портов соединения для каждого элемента определяется количеством потоков энергии, которыми он обменивается с другими элементами системы, и зависит от уровня идеализации. Например, гидравлический насос с фиксированным рабочим объемом в его простейшей форме может быть представлен в виде двухходового элемента, причем один поток энергии связан с входом (всасыванием), а другой - с выходом. В этом представлении угловая скорость ведущего вала принимается постоянной, что позволяет пренебречь энергетическим обменом между насосом и валом. Для учета переменного вращающего момента требуется третий порт, связанный с ведущим валом.
Поток энергии характеризуется своими переменными. Каждый поток энергии связан с двумя переменными: сквозной и поперечной (дополнительные сведения см. в разделе Типы переменных). Обычно это переменные, продуктом которых является поток энергии в ваттах. Они называются базовыми, или сопряженными, переменными. Например, основными переменными для механических поступательных систем являются сила и скорость, для механических систем вращения - крутящий момент и угловая скорость, для гидравлических систем - расход и давление, для электрических систем - ток и напряжение.
Следующий пример иллюстрирует представление физической сети гидравлического цилиндра двойного действия.
Элемент представлен тремя потоками энергии: двумя потоками гидравлической энергии через вход и выход цилиндра и потоком механической энергии, связанным с движением штока. Поэтому он имеет следующие три порта разъема:
A - Порт гидравлической экономии, связанный с давлением p1 (Поперечная переменная) и расход q1 (a Сквозная переменная)
B - Порт гидравлической экономии, связанный с давлением p2 (Поперечная переменная) и расход q2 (a Сквозная переменная)
R - Механический поступательный консервационный порт, связанный со скоростью штока v3 (Поперечная переменная) и сила F3 (a Сквозная переменная)
Дополнительные сведения о типах портов соединителя см. в разделе Порты соединителя и соединительные линии.
Физический сетевой подход поддерживает два типа переменных:
Через (Through) - переменные, которые измеряются с помощью датчика, соединенного последовательно с элементом.
Поперек - переменные, которые измеряются с помощью датчика, подключенного параллельно элементу.
В следующей таблице перечислены переменные Through и Across, связанные с каждым типом физического домена в программном обеспечении Simscape:
| Физический домен | Поперек переменной | Через переменную |
|---|---|---|
| Электрический | Напряжение | Ток |
| Газ | Абсолютное давление и температура | Массовый расход и расход энергии |
| Гидравлический | Манометрическое давление | Объемный расход |
| Изотермическая жидкость | Абсолютное давление | Массовый расход |
| Магнитный | Магнитомоторная сила (ммф) | Поток |
| Механическое вращение | Угловая скорость | Крутящий момент |
| Механический поступательный | Поступательная скорость | Сила |
| Влажный воздух | Абсолютное давление, температура, удельная влажность (массовая доля водяного пара) и массовая доля следового газа | Массовый расход смеси, расход энергии смеси, массовый расход водяного пара и массовый расход следового газа |
| Тепловой | Температура | Тепловой поток |
| Термическая жидкость | Абсолютное давление и температура | Массовый расход и расход энергии |
| Двухфазная текучая среда | Абсолютное давление и удельная внутренняя энергия | Массовый расход и расход энергии |
Примечание
В электрических, гидравлических, механических вращательных, механических поступательных и тепловых доменах произведение каждой пары переменных Поперек и Через, связанных с областью, является мощностью (поток энергии в ваттах). Во всех остальных жидкостных доменах (газ, влажный воздух, изотермическая жидкость, термическая жидкость и двухфазная жидкость), а также магнитном домене продукты переменных пар не являются мощными. Это приводит к графу псевдо-связи.
Переменные Through и Across, связанные со всеми потоками энергии, составляют основу математической модели блока.
Например, модель гидравлического цилиндра двойного действия, показанная на предыдущей иллюстрации, может быть описана простым набором уравнений:
где
| q1, q2 | Расход через порты A и B соответственно (сквозные переменные) |
| p1, p2 | Манометрическое давление в портах A и B соответственно (поперек переменных) |
| A1, A2 | Рабочие зоны поршня |
| F3 | Сила стержня (сквозная переменная) |
| v3 | Скорость стержня (поперек переменной) |
Модель может быть значительно более сложной, например, она может учитывать трение, сжимаемость жидкости, инерцию движущихся частей и так далее. Для всех этих различных математических моделей, однако, конфигурация элементов (то есть количество и тип портов и связанные переменные сквозной и поперечной) останется прежней, что означает, что подход физической сети позволяет заменять модели различных уровней сложности без внесения каких-либо изменений в схему. Например, можно начать разработку системы с помощью блока Резистивная трубка (Resistive Tube) из библиотеки фундамента, который учитывает только потери на трение. На более позднем этапе разработки может потребоваться учет сжимаемости жидкости. Затем его можно заменить блоком «Гидравлический трубопровод», доступным в библиотеках блоков Simscape Fluids™, или, в зависимости от приложения, даже блоком «Сегментированный трубопровод», если также необходимо учитывать инерцию жидкости. Этот принцип моделирования называется инкрементным моделированием.
Каждая переменная характеризуется своей величиной и знаком. Знак является результатом ориентации измерения. Одна и та же переменная может быть положительной или отрицательной, в зависимости от полярности измерительного прибора.
Элементы только с двумя портами характеризуются одной парой переменных, переменной Through и переменной Across. Поскольку эти переменные тесно связаны, их ориентация определяется одним направлением. Например, если элемент ориентирован от порта A к порту B, это означает, что переменная Through (TV) является положительным, если он «перетекает» из A в B, и переменная Поперечный определяется как AV = AVA - AVB, где AVA и AVB являются потенциалами узла элемента или, другими словами, значениями этой переменной Поперечный на портах A и B соответственно.
Этот подход к направлению переменных имеет следующие преимущества:
Предоставляет простой и согласованный способ определения того, является ли элемент активным или пассивным. Энергия является одной из наиболее важных характеристик, определяемых при моделировании. Если направление переменных или знак определяется, как описано выше, их произведение (то есть энергия) является положительным, если элемент потребляет энергию, и отрицательным, если он подает энергию в систему. Это правило соблюдается во всем программном обеспечении Simscape.
Упрощение описания модели. Символ A → B достаточно для задания полярности переменных как для переменных Поперек (Cross), так и для переменных Сквозной (Through).
Позволяет применять ориентированную теорию графов к анализу и проектированию сети.
В качестве примера правил направления переменных рассмотрим блок «Источник идеальной силы». В этом блоке, как и во многих других механических блоках, порт C связан с исходной точкой (случаем), а порт R - со стержнем.
Положительное направление блока - от порта C к порту R. Это означает, что сила положительна, если она действует в направлении от C к R, и заставляет тела, соединенные с портом R, ускоряться в положительном направлении. Относительная скорость определяется как v = vC – vR, где vR, vC являются абсолютными скоростями в портах R и C соответственно, и они являются отрицательными, если скорость в порту R больше, чем скорость в порту C. Мощность, генерируемая источником, вычисляется как произведение силы и скорости и является отрицательной, если источник подает энергию в систему.
Определение положительного направления различно для различных блоков. Проверьте источник блока или страницу вхождения блока, если имеются сомнения относительно ориентации блока и направления переменных.
Все элементы в сети делятся на активные и пассивные, в зависимости от того, доставляют ли они энергию в систему или рассеивают (или хранят) её. Активные элементы (источники силы и скорости, источники расхода и давления и т.д.) должны быть ориентированы строго в соответствии с линией действия или функцией, которую они должны выполнять в системе, в то время как пассивные элементы (демпферы, резисторы, пружины, трубопроводы и т.д.) могут быть ориентированы любым способом.
Блоки Simscape могут иметь следующие типы портов:
Физические консервативные порты - ненаправленные порты (например, гидравлические или механические), которые представляют физические соединения и связывают физические переменные на основе подхода физической сети.
Порты физических сигналов - однонаправленные порты, передающие сигналы, использующие для вычислений внутренний механизм Simscape.
Каждый из этих портов и соединений между ними описаны более подробно ниже.
Блоки Simscape имеют специальные консервационные порты. 
Консервационные порты соединяются с физическими линиями, отличными от обычных линий Simulink. Физические линии связи не имеют собственной направленности и представляют обмен потоками энергии в соответствии с подходом физической сети.
Можно подключать консервационные порты только к другим консервационным портам того же типа.
Физические линии связи, соединяющие между собой сохраняющие порты, представляют собой ненаправленные линии, несущие физические переменные (поперечные и сквозные переменные, как описано выше), а не сигналы. Нельзя подключать физические линии к портам Simulink или к портам физических сигналов.
Два непосредственно соединенных консервационных порта должны иметь одинаковые значения для всех переменных поперек (например, давление или угловая скорость).
Можно выполнить ответвление физических соединительных линий. При этом компоненты, непосредственно связанные друг с другом, продолжают использовать одни и те же переменные Поперек. Любая сквозная переменная (например, скорость потока или крутящий момент), передаваемая по физической соединительной линии, делится между несколькими компонентами, соединенными ветвями. Способ разделения переменной Через (Through) определяется динамикой системы.
Для каждой переменной Через (Through) сумма всех ее значений, перетекающих в точку ветвления, равна сумме всех ее значений, перетекающих наружу.
Каждый тип физических консервационных портов, используемых в блоках Simscape, однозначно представляет домен физического моделирования. Список типов портов, а также переменные Through и Across, связанные с каждым типом, см. в таблице в разделе Типы переменных.
Для улучшения читаемости блок-схем в каждом домене Simscape используется определенный цвет и стиль линий по умолчанию для линий соединения. Дополнительные сведения см. в разделе Стили линий для конкретного домена.
Физические сигнальные порты
передают сигналы между блоками Simscape. Вы соединяете их обычными линиями связи, аналогично сигнальным соединениям Simulink. Физические сигнальные порты используются в блок-схемах Simscape вместо входных и выходных портов Simulink, чтобы увеличить скорость вычислений и избежать проблем с алгебраическими циклами. Физические сигналы могут иметь связанные с ними единицы измерения. Единицы измерения указываются вместе со значениями параметров в диалоговых окнах блоков, и программа Simscape выполняет необходимые операции преобразования единиц измерения при решении физической сети.
Библиотека Simscape Foundation содержит, среди прочего, библиотеку блоков физических сигналов. Эти блоки выполняют математические операции и другие функции над физическими сигналами и позволяют графически реализовать уравнения внутри физической сети.
Физические сигнальные линии также имеют различный стиль и цвет на блок-схемах, аналогично физическим соединительным линиям. Дополнительные сведения см. в разделе Стили линий для конкретного домена.