Документация

Обзор подхода физической сети к моделированию физических систем

Программное обеспечение Simscape™ является набором библиотек блоков и специальных функций симуляции моделирования физических систем в Simulink^® среда. Это использует подход Физической сети, который отличается от стандартного подхода моделирования Simulink и особенно подходит для симуляции систем, которые состоят из действительных физических компонентов.

Блоки Simulink представляют основные математические операции. Когда вы соединяете блоки Simulink вместе, получившаяся схема эквивалентна математической модели или представлению, системы в соответствии с проектом. Технология Simscape позволяет вам создать сетевое представление системы в соответствии с проектом, на основе подхода Физической сети. Согласно этому подходу, каждая система представлена как состоящий из функциональных элементов, которые взаимодействуют друг с другом путем обмена энергией через их порты.

Эти порты подключения являются ненаправленными. Они подражают физическим соединениям между элементами. Соединение блоков Simscape вместе походит на соединяющиеся действительные компоненты, такие как насосы, клапаны, и так далее. Другими словами, схемы Simscape подражают размещению физической системы. Если физические компоненты могут быть соединены, их модели могут быть соединены, также. Вы не должны задавать направления потока и информационный поток при соединении блоков Simscape, так же, как вы не должны указывать эту информацию, когда вы соединяете действительные физические компоненты. Подход Физической сети, с его переменными Through и Across и ненаправленными физическими соединениями, автоматически решает все традиционные вопросы с переменными, направленностью, и так далее.

Количество портов подключения для каждого элемента определяется количеством энергетических потоков, которыми это обменивается с другими элементами в системе и зависит на уровне идеализации. Например, фиксированное смещение гидравлический насос в его самой простой форме может быть представлено как элемент 2D порта с одним энергетическим потоком, сопоставленным с входом (всасывание) и другой с выходом. В этом представлении скорость вращения ведущего вала принята постоянная, позволив пропустить энергетический обмен между насосом и валом. С учетом переменного ведущего крутящего момента вам нужен третий порт, сопоставленный с ведущим валом.

Энергетический поток характеризуется его переменными. Каждый энергетический поток сопоставлен с двумя переменными, одной Через и один Через (см. Типы переменных для получения дополнительной информации). Обычно, это переменные, продуктом которых является энергетический поток в ваттах. Они называются основными, или сопряженными, переменными. Например, основные переменные для механических поступательных систем являются силой и скоростью, для систем вращательного механического устройства — крутящего момента и скорости вращения, для гидравлических систем — скорости потока жидкости и давления, для электрических систем — ток и напряжение.

Следующий пример иллюстрирует представление Физической сети гидравлического цилиндра двойного действия.

Элемент представлен тремя энергетическими потоками: два потока энергии жидкости через вход и выход цилиндра и поток механической энергии сопоставлены с движением стержня. Это поэтому имеет следующие три порта коннектора:

Смотрите Порты Коннектора и Линии Связи для получения дополнительной информации о типах порта коннектора.

VariableTypes

Подход Физической сети поддерживает два типа переменных:

В следующей таблице перечислены переменные Through и Across, сопоставленные с каждым типом физической области в программном обеспечении Simscape:

Создание математической модели

Переменные Through и Across, сопоставленные со всеми энергетическими потоками, формируют основание математической модели блока.

Например, модель гидравлического цилиндра двойного действия, показанного на предыдущем рисунке, может быть описана с простой системой уравнений:

где

Модель могла быть значительно более комплексной, например, она могла составлять трение, сжимаемость жидкости, инерцию подвижных частей, и так далее. Для всех этих различных математических моделей, однако, настройка элемента (то есть, номер и тип портов и связанных переменных Through и Across) осталась бы то же самое, означая, что подход Физической сети позволяет вам заменить моделями разных уровней сложности, не вводя изменений в схематическом. Например, можно начать разрабатывать систему при помощи блока Resistive Tube из библиотеки Foundation, которая считает только для потерь на трение. На более позднем этапе в разработке можно хотеть с учетом сжимаемости жидкости. Можно затем заменить его на Блок Гидравлический трубопровод, доступный с библиотеками блоков Simscape Fluids™, или, в зависимости от приложения, даже с блоком Segmented Pipeline, если вам также нужно с учетом инерции жидкости. Этот принцип моделирования называется инкрементным моделированием.

Направление переменных

Каждая переменная характеризуется ее величиной и знаком. Знак является результатом ориентации измерения. Та же переменная может быть положительной или отрицательной, в зависимости от полярности прибора измерения.

Элементы только с двумя портами характеризуются с одной парой переменных, переменной Through и переменной Across. Поскольку эти переменные тесно связаны, их ориентация задана с одним направлением. Например, если элемент ориентирован на порте A относительно порта B, он подразумевает, что переменная Through (TV) положительна, если он “течет” от А к B, и переменная Across определяется как _{AV = AVA – AVB}, где _AVA и _AVB являются потенциалами узла элемента или, другими словами, значения этой переменной Across в портах А и B, соответственно.

Этот подход к направлению переменных обладает следующими преимуществами:

Как пример направления переменных, давайте рассмотрим Идеальный Исходный блок Силы. В этом блоке, как во многих других механических блоках, порт C сопоставлен с исходной контрольной точкой (случай), и порт R сопоставлен со стержнем.

Положительное направление блока от порта C до порта R. Это означает, что сила положительна, если она действует в направлении от C до R и заставляет тела, соединенные с портом R ускоряться в положительном направлении. Относительная скорость определяется как v = _vC – _vR, где _vR, _vC абсолютные скорости в портах R и C, соответственно, и это отрицательно, если скорость в порте R больше в порте C. Энергия, произведенная источником, вычисляется как продукт силы и скорости, и отрицательна, если источник предоставляет энергию системе.

Определение положительного направления отличается для различных блоков. Проверяйте источник блока или страницу с описанием блока если в сомнении относительно ориентации блока и направления переменных.

Все элементы в сети разделены на активные и пассивные элементы, в зависимости от того, предоставляют ли они энергию системе или рассеивают (или хранилище) его. Активные элементы (сила и скоростные источники, скорость потока жидкости и источники давления, и т.д.) должны быть ориентированы строго в соответствии с линией действия или функции, которую они, как ожидают, выполнят в системе, в то время как пассивные элементы (демпферы, резисторы, пружины, трубопроводы, и т.д.) могут быть ориентированы так или иначе.

Порты коннектора и линии связи

Блоки Simscape могут иметь следующие типы портов:

Каждый из этих портов и связей между ними описан более подробно ниже.