Simscape仿真如何工作

Simscape仿真如何工作

Simscape仿真阶段

您可能会发现此简短概述对构建模型和理解错误很有帮助。 有关更多信息，请参见Simscape模型如何表示物理系统。

Simscape™软件为您提供了多种方法来模拟和分析Simulink®环境中的物理系统。 运行物理模型模拟类似于模拟任何Simulink模型。 它需要设置各种模拟选项，启动模拟并查看模拟结果。 本主题描述特定于Simscape模型的仿真的各个方面。 有关使用单个Simscape附加产品进行仿真和分析的细节，请参阅这些单个附加产品的文档。下显示了Simscape仿真流程。

该流程图包括以下主要阶段：

1. 模型验证
2. 网络建立
3. 方程式构造
4. 初始条件计算
5. 暂态初始化
6. 瞬态求解

模型验证

Simscape解算器首先验证模型配置，然后从块对话框中检查数据输入。

• 图表中的所有Simscape块都必须连接到一个或多个物理网络中。

• 图中的每个拓扑不同的物理网络都只需要一个规划求解配置块。

• 如果您的模型包含流体元素（例如两相流体，气体，潮湿空气，等温或导热液体），则图中每个拓扑不同的回路都可以包含一个块，该块定义了连接到该回路的所有块的流体属性。如果没有流体块连接到回路，则该回路中的块将使用默认流体。但是，回路中不止一个流体块会产生错误。

• Simulink-PS Converter模块中指定的信号单元必须与与其相连的Simscape模块所需的输入类型匹配。例如，当您为“理想角速度源”模块提供输入信号时，请在Simulink-PS Converter模块中指定角速度单位，例如rad / s或rpm，或者将其保持无单位。同样，在PS-Simulink Converter模块中指定的单位必须与Simscape模块输出口提供的物理信号类型匹配。

网络建设

验证模型后，Simscape求解器根据以下原理构建物理网络：

• 两个直接连接的节能端口的所有Across变量（例如电压或角速度）具有相同的值。
• 沿物理连接线传输的任何直通变量（例如电流或扭矩）将在分支连接的多个组件之间分配。 对于每个Through变量，流入分支点的所有值的总和等于流出的所有值的总和。

方程式构造

根据网络配置，块对话框中的参数值以及由流体属性定义的全局参数（如果适用），Simscape求解器将为模型构造方程式系统。这些方程式包含以下类型的系统变量：

• 动态：这些变量的时间导数出现在方程式中。动态或微分变量会为系统增加动态，并要求求解器使用数值积分来计算其值。动态变量可以产生独立或从属状态以进行仿真。

• 代数：这些变量的时间导数不会出现在方程式中。这些变量出现在代数方程中，但不添加动力学，并且由于守恒定律（例如质量和能量守恒），这通常发生在物理系统中。代数变量的状态始终取决于动态变量，其他代数变量或输入。

然后，求解器执行分析并消除求解方程组不需要的变量。消除变量后，其余变量（代数，动态相关和动态独立）将映射到模型的Simulink状态向量。有关如何查看和分析模型变量的信息，请参见模型统计信息。

初始条件计算

Simscape解算器在仿真开始时（t = 0）仅计算一次初始条件。在“规划求解配置”块对话框中，默认为未选中“从稳态启动仿真”复选框。如果在模型中选择了它，请参阅查找初始稳态。

求解器通过查找完全满足所有模型方程式的所有系统变量的初始值来计算初始条件。您可以通过块级变量初始化（即，在块对话框的“变量”选项卡上指定优先级和目标初始值）来影响初始条件的计算。您还可以从保存的操作点为整个模型初始化变量。

在变量初始化期间指定的值不是各个变量的实际值，而是在模拟开始时的目标值（t = 0）。根据求解结果，可能会或可能不会满足其中一些目标。求解器首先尝试满足高优先级的目标，然后满足低优先级的目标：

• 首先，求解器尝试找到一种解决方案，在该解决方案中，所有高优先级变量目标均已完全满足，而低优先级目标则尽可能接近。如果在此阶段找到解决方案，则它满足所有高优先级目标。某些低优先级目标也可能会准确实现，而其他目标则是近似的。

• 如果求解器无法找到完全满足所有高优先级目标的解决方案，则会发出警告并进入第二阶段，将高优先级放宽为低。也就是说，求解器试图通过尽可能接近高优先级目标和低优先级目标来找到解决方案。

在初始化变量之后和模拟模型之前，可以打开“变量查看器”以查看满足了哪些变量目标。有关块级变量初始化的更多信息，请参见变量初始化。

寻找初始稳态

当您选择从稳态启动模拟复选框时，求解器将尝试查找如果系统输入保持恒定足够长的时间会导致的稳态，则从仅根据初始条件计算获得的初始状态开始描述。如果稳态求解成功，则找到的状态是某种稳态（在公差范围内），但不一定是给定初始条件所期望的状态。稳定状态意味着系统变量不再随时间变化。然后从此稳态开始仿真。

一个模型可以具有多个稳态。在这种情况下，求解器将选择与块级变量初始化期间指定的变量目标一致的稳态解。有关更多信息，请参见变量初始化。

暂态初始化

在计算了初始条件之后，或在随后的事件（例如由于阀门打开或硬停止而导致的不连续性）之后，Simscape解算器将执行瞬态初始化。瞬态初始化可修复所有动态变量，并求解代数变量和动态变量的导数。瞬态初始化的目标是为下一阶段瞬态求解提供一致的初始条件集。

瞬态求解

最后，Simscape求解器对方程组执行瞬态求解。在瞬态求解中，连续微分方程会及时积分，以计算所有变量随时间的变化。

解算器继续根据瞬态解算的结果执行仿真，直到解算器遇到事件，例如过零或间断。该事件可能在物理网络内或Simulink模型中的其他位置。如果求解器遇到事件，则求解器将返回到瞬态初始化阶段，然后返回到瞬态求解。该循环一直持续到模拟结束。

https://www.mathworks.com/help/releases/R2019b/physmod/simscape/ug/how-simscape-simulation-works.html#bql2kkl-3