Simscape建模基础

SimHydraulics SimHydraulics 是液压传动和控制系统的建模和仿真工具 扩展了 Simulink 的功能 使用 这个工具可以建立起含有液压和机械元件的物理网络模型 可用于跨专业领域系统的建模 SimHydraulics 提供了构成液压系统的元器件模块库 库中也包括了用于构造其它元件的 基本元素模块 SimHydraulics 适用于汽车 航空 国防和工业装备等领域中的各种应用 例如自动变速器 舵面操纵系统和重载驱动装置的建模分析 SimHydraulics 同 SimMechanics SimDriveline 和 SimPowerSystems 一同使用 能够支持对 复杂机液系统和电液系统的建模 以分析他们相互交联的影响 主要功能 液压和液压机械系统的物理建模环境 超过 75 个液压和机械元器件模型 包括泵 阀 蓄能器和管路 基本液压构造元素库 还有基本机械和运算单元 可定制的常用液压流体工作介质 机械液压和液压系统网络建模 使用 SimHydraulics 可以建立起完整的液压系统模型 过程如同组建一个真实的物理系 统 SimHydraulics 使用物理网络方式构建模型 每个建模模块对应真实的液压元器件 诸如油泵 液压马达和控制阀 元件模块之间以代表动力传输管路的线条连接 这样 就 可以通过直接描述物理构成搭建模型 而不是从基本的数学方程做起 SimHydraulics 库提供了 75 个以上的流体和液压机械元件 包括油泵 油缸 蓄能器 液压管路和一维机构单元 大部分商品化元器件都可以找到对应模型 SimHydraulics 的 模型符号符合 ISO 1219 流体动力系统标准 SimHydraulics 可以自动从模型原理图综合出 描述系统行为特征的方程组 SimHydraulics 得到的是直接使用 Simulink 的求解器求解的 方程组形式 而不是采用同步仿真方法 这样液压系统模型就完全同其它 Simulink 模型 部分集成在一起 使用 sensor 模块在 SimHydraulics 模型中可以测量任何机械液压特征变量 例如压力 流量 位移 速度和力 然后将这些信号传给标准的 Simulink 模块 Source 模块可以将 Simulink 信号赋值给任何机械液压变量 使用 Sensor 和 source 模块可以在 Simulink 中开 发全局控制算法 并将它接入到 SimHydraulics 模型网络中 液压系统元器件建模 SimHydraulics 提供了弹簧式和充气式蓄能器模型 还有两种管路模型 标准管路 standard pipeline 包括圆截面和非圆截面类型 主要考虑摩擦导致的压力 损失和流体压缩性 分段管路 segmented pipeline 考虑摩擦损失 流体压缩性和流体惯性因素 可计算 水锤和其他相关效应 加入 local resistance 模块可以描述管路由于拐角 弯曲和截面变化导致的压力损失 SimHydraulics 的作动器和泵模块库可以用来 建立理想的机械能 液压能变换器和单出杆 双出杆液压油缸 建立液压马达 定量泵和压力补偿变量泵的模型 描述旋转机械与液压系统之间的能 量转换 SimHydraulics 的阀模块库可以用来 建立换向阀模型 包括双通 三通和四通阀 单向阀和先导式换向阀 流量控制阀 包括球阀 针阀 蝶阀和压力补偿型流量控制阀 压力控制阀 包括减压和溢流类型的阀 阀模块库还提供了作动机构模型以模拟电磁阀 离散 比例式阀和伺服阀 自定义模型 SimHydraulics 基础库提供了基本的流体和机构元素 还有产生和处理物理信号的专用 工具 这些模块组合使用可以创建新的元器件模型 液压构造模块 Hydraulics building blocks 支持基本的液体流动特性建模 定义一个 元器件中过硫液体的压力变化同流量变化之间的关系 这些模块描述的基本物理环节中的 压力流量关系 包括流体压缩性 惯性 机械摩擦 能量转换和固定 变截面节流 机械构造模块 Mechanical building blocks 主要描述一维平移和旋转运动 这些元器 件的变量同流体系统变量一同时解算 用于机械元器件的 sensor and actuator blocks 可将 SimMechanics 和 SimDriveline 建立的更加详细的机械模型结合进来 物理信号工具可以产生并处理物理变量信号 诸如流体压力和流量 以及速度 力和 力矩 自定义流体属性 SimHydraulics 采用十分有效的方法来定义密度 粘度和体积弹性模量 这些关系系 统动态特性的流体属性 SimHydraulics 提供了 18 种常用的液压流体介质 例如 Skydrol LD4 HyJet 4A 和 Fluid MILF83828 流体属性使得对温度和含气量影响的计算可以自动进 行 用户也可以通过指定流体的关键特征属性来自行定义流体的属性 Simulink 中跨领域物理建模 SimHydraulics 扩展了在 Simulink 中进行物理建模和仿真的能力 标准的 Simulink 模块定义了信号流中输入与输出之间的传递函数 对于诸如控制系统 这样的应用 这种方式非常自然 实用和有效 描述液压系统元件之间的相互影响需要更多的改变 例如 使用单向的信号流不足以 表达液压系统网络中的流体运动 其中压力会发生传递并且流动方向也会改变 使用 SimHydraulics 用户可以建立通常所见的控制系统单向信号流框图 然后可以将 这部分模型同使用传统 Simulink 模块建立的物理对象模型和 SimHydraulics 建立的物理对 象模型部分连接起来 SimscapeSimscape 物理建模物理建模 2 2 初学者初学者 构建物理模型的基本要点构建物理模型的基本要点 建模建模 使用 Simscape foundation 和 Utilites 库的模块来组件物理模型 使用物 理网络的方法 来表示系统 在这里 系统由一系列功能单元组成 这些功能 单元通过端口相互交换能量 每一个 Simscape 网络都必须包含一个 Solver Configuration 模块 如果模型中有液压元件 则每一个液压回路都必须包含一个 Custom Hydraulic Fluid 模块或者是 Hydraulic Fluid 模块 为了与通用 Simulink 模块相连 比如 sources 和 scopes 模块 使用 connector 模块 sensor converter 等等 采取逐步建模的方法 从一个简单模型开始 运行并调试好后 再添加其 余功能 比如 可以先使用 Foundation 库里的 Resistive Tube 模块来建模 它只计算摩擦损失 在随后的系统设计中 你可能要考虑到流体的可压缩性 这时就利用 Hydraulic Pipeline 模块来取代它 或者是使用 Segmented Pipeline 模块来考虑流体惯性力 这都取决于你的应用场合 这些不同的数学 模型 它们的元件设置界面 端口的数目和类型以及相应的通量和跨量 可能还 是一样的 这表示你可以在不改变模型网络的情况下 使用不同的模块来适应 不同的精度要求 Simscape 模块有两种接口 Conserving ports 小方块 和 Physical Signal inports and outports 小三角 ConservingConserving PortsPorts Simscape 里有不同类型的 Physical Conserving ports 比如液压的 电 的 热的 机械平移和机械转动的 每一种类型都有与之相关的 Through 和 Across 变量 只有同种类型的端口才能相连 端口间的物理连线都是双向的 传送物理变量 如之前所说的 Through 和 Across 量 物理端口不能直接与 simulink 端口相连 两种直接相连的 Conserving ports 端口的所有 Across 量必须相同 比如 电压或者角速度 物理连接线可以分支 与别的组件直接相连的组件拥有相同的 Across 量 任何在物理连接链上传递的 Through 量 比如电流或者扭矩 分布在所有相连的 组件上 至于分布的形式取决于系统动力学 对于所有的 Through 量 所有传 入某个子域的和等于所有传出的量 类似于电学的节点电流 PhysicalPhysical SignalSignal PortsPorts Physical Signal Ports 之间可以互连 就像一般的 Simulink 信号那样连 接 Physical Signal Ports 与 simulink 端口之间的连接 通过转换模块 Simulink PS PS Simulink Converter block 与 simulink 本质上是没有单位的 而 Physical Signal 是与单位相关联的 simscape 模块对话框可以为各参数变量指定对应的单位 构建一个简单模型构建一个简单模型 构建构建 simscapesimscape 网络图网络图 从库里找到相应的模块 连接基本物理网络 如下图 右键引出分支线 加入外力 各个元件在 Foundation 下的 sensor