Simscape物理建模步驟

為了介紹構建和仿真物理模型的步驟，這里以simulink自帶示例模型Mass-Spring-Damper with Controller為例，下圖為建立好的模型。

詳細物理建模和仿真分析步驟如下：

步驟 1：使用?ssc_new?創建新模型

使用?ssc_new?是開始構建 Simscape? 模型的最佳方式。使用該函數有助于確保為模型使用推薦的默認設置。當您使用?ssc_new?時，它會自動：

創建一個新的 Simscape 模型，模型畫布上已有必需和常用的模塊
選擇推薦的求解器和容差設置
為整個模型啟用數據記錄

在 MATLAB??命令行窗口中，鍵入：

ssc_new

新創建的無名稱模型的默認求解器設置為?VariableStepAuto，該模型包含一個?Solver Configuration?模塊、一個?Simulink-PS Converter?模塊以及一個連接到?Scope?模塊的?PS-Simulink Converter?模塊。

模型窗口底部的資源部分提供了指向相關模塊庫和文檔主題的鏈接。

步驟 2：組裝物理網絡

要對您的系統進行建模，需要從 Simscape 庫向模型中添加模塊，然后將這些模塊連接到物理網絡。在您創建的原理圖中，連接模塊的線條表示您正在建模的實際系統中組件之間存在的物理連接。換言之，Simscape 圖模擬的是物理系統布局。

構造網絡時，添加域特定的參考模塊非常重要，例如?Electrical Reference、Mechanical Translational Reference?等。

打開 Simscape > Foundation Library > Mechanical > Translational Elements 庫。
將?Mass、Translational Spring、Translational Damper?和?Mechanical Translational Reference?模塊拖動到模型窗口中。
將?Translational Spring、Translational Damper?和?Mass?模塊連接到?Mechanical Translational Reference?模塊，如下圖所示。要旋轉某個模塊，請選擇該模塊，然后按?Ctrl+R。

要調整模型的視覺呈現，請簡化 Spring 和 Damper 模塊的名稱，如圖所示。要使?Mass?模塊的名稱與?Spring?和?Damper?同時顯示，請右鍵點擊?Mass?模塊，然后從上下文菜單中選擇格式?>?顯示模塊名稱?>?打開。

步驟 3：調整模塊參數和變量目標

Simscape 模塊表示具有模塊參數和變量默認初始值的通用組件。您可以根據您的應用程序調整這些值或與制造商數據表相匹配。

要查看和修改模塊變量的模塊參數值和初始目標，請雙擊模塊以打開其對話框。使用?Settings?選項卡。

對于大多數 Simscape 模塊，模塊對話框包含與模塊屬性檢查器相同的信息和布局。默認情況下，在屬性檢查器中更改值會立即應用新值。為了更好地進行控制，建議您清除模塊對話框右上角的自動應用復選框，以啟用重置和應用按鈕。這在處理復雜模塊時特別有用，因為您可以一次更改多個參數。更改參數值以匹配制造商數據表，查看整個集，然后點擊應用。清除自動應用復選框后，該復選框將在 MATLAB 會話期間保持清除狀態。

要查看模塊的描述，請點擊模塊對話框中的?Description?選項卡。該選項卡還包含?Source code?鏈接。點擊該鏈接可在 MATLAB 編輯器中打開此模塊的 Simscape 源文件。

如果模塊沒有可以設置的參數或變量目標，則模塊對話框沒有?Settings?選項卡，只有?Description?選項卡。

要查看模塊的文檔，請點擊模塊對話框右上角的問號??按鈕。

在此模型中，您將調整用于控制質量、彈簧剛度和阻尼系數的參數。您還將通過調整相應的變量目標來指定質量的初始速度。

雙擊?Spring?模塊。清除自動應用復選框。將?Spring rate?設置為?400 N/m，然后點擊應用。

雙擊?Damper?模塊。將?Damping coefficient?設置為?100 N/(m/s)。

雙擊?Mass?模塊。將?Mass?設置為?3.6 kg。

要指定所需的質量速度初始值，請在?Initial Targets?部分中展開?Velocity。該變量的?Priority?已指定為 “High”，這意味著求解器在計算初始條件以確定仿真起點時將嘗試完全滿足該初始值。選中?Velocity?復選框。在?Value?字段中，鍵入?10，然后點擊應用。

步驟 4：添加信源

您可以使用輸入信號驅動 Simscape 模型。使用這種方法，您可以表示作用于系統的物理效應，例如力、電壓或壓力。您還可以指定流經系統的其他量，例如電流、質量流量和熱通量。您可以通過使用 Simscape 信源模塊向物理網絡添加信號輸入連接。

要添加作用于質量的力的表示，請使用?Ideal Force Source?模塊。

打開 Simscape > Foundation Library > Mechanical > Mechanical Sources 庫。
將?Ideal Force Source?模塊添加到示意圖中。簡化模塊名稱，如圖所示。
為了反映原始原理圖中顯示的力的正確方向，請翻轉模塊方向。選擇?Force Source?模塊后，在 Simulink??工具條的格式選項卡上，在排列下，點擊上下翻轉。
復制?Mechanical Translational Reference?模塊，方法是右鍵點擊該模塊并將其拖動到新位置。然后使用與?Force Source?模塊相同的方法翻轉新模塊的方向。
將?Force Source?模塊的端口 C 連接到這第二個?Mechanical Translational Reference?模塊，將端口 R 連接到?Mass?模塊，如下圖所示。

將物理網絡連接到 Simulink 源后，代表作用力曲線的輸入信號將通過端口 S 提供（請參閱步驟 6：使用接口模塊連接到 Simulink）。端口 S 處的正信號將指定從端口 C 作用到端口 R 的力。

步驟 5：添加傳感器

您可以測量物理網絡中的量，并在模型中的其他位置使用它們。這些量的一些常見用途包括控制算法的反饋、對其行為依賴于其他物理量的物理組件（如溫度相關電阻）進行建模，或者只是在仿真過程中查看結果。

您可以使用傳感器模塊測量這些量，根據測量值對傳感器進行串聯或并聯。要測量由 Through 變量定義的量（如電流、流量、力），請串聯傳感器。要測量由 Across 變量定義的量（如電壓、壓力、速度），請并聯傳感器。

要測量彈簧形變，請將?Ideal Translational Motion Sensor?模塊與彈簧并聯。

打開 Simscape > Foundation Library > Mechanical > Mechanical Sensors 庫。
將?Ideal Translational Motion Sensor?模塊添加到示意圖中。
要旋轉該模塊，請選擇該模塊，然后按?Ctrl+R。
如下圖所示連接該模塊。簡化模塊名稱，如圖所示。

步驟 6：使用接口模塊連接到?Simulink

Simscape 網絡中的方程是同時求解的，而 Simulink 模塊是按順序求值的。接口模塊（如?Simulink-PS Converter?和?PS-Simulink Converter）用于處理這兩種建模約定之間的邊界。當 Simulink 信號在 Simscape 網絡中指定量時，或者在將 Simscape 量傳遞給 Simulink 以進行控制設計或實現其他目的時，您需要使用接口模塊。每次將 Simulink 模塊連接到 Simscape 物理網絡時，都必須使用適當的轉換器模塊。

下面您要將物理網絡連接到由常規 Simulink 模塊構建的控制器。首先，準備要連接到 Simulink 信號的物理網絡：

刪除?Scope?模塊。

雖然您可以使用示波器查看仿真結果，但這些示波器會使模塊圖變得更加混亂。查看和分析仿真結果的一種更有效方法是使用 Simscape 結果資源管理器，如步驟 8：查看仿真結果中所述。

將?Simulink-PS Converter?模塊的物理信號輸出端口連接到?Force Source?模塊的端口 S。
將?Motion Sensor?模塊的輸出端口 P 連接到?PS-Simulink Converter?模塊的物理信號輸入端口。
將?Solver Configuration?模塊連接到電路并隱藏轉換器模塊名稱。示意圖現在如下所示。

然后，構建并連接控制器：

打開 Simulink > Sources 庫，然后將?Pulse Generator?模塊拖到模型中。將模塊名稱更改為?Position Command。設置模塊參數，如圖所示。

打開 Simulink > Math Operations 庫，然后將?Sum?模塊拖到模型中。在符號列表中，將第二個加號替換為減號，如圖所示。

打開 Simulink > Continuous 庫，然后將?PID Controller?模塊拖到模型中。設置比例(P)、積分(I)?和微分(D)?參數值，如圖所示。

連接模塊，如下面的示意圖所示。

控制 Simulink 信號進入?Simulink-PS Converter?模塊的輸入端口，在那里轉換為驅動?Ideal Force Source?模塊的力分布的物理信號。

用于測量彈簧形變的?Ideal Translational Motion Sensor?模塊的輸出端口 P 連接到?PS-Simulink Converter?模塊。該模塊用于將物理信號轉換為控制器的反饋 Simulink 信號。

要比較輸入和反饋信號，請將它們連接到信號查看器：

右鍵點擊從?Pulse Generator?模塊傳遞到?Sum?模塊的 Simulink 信號。從上下文菜單中，選擇?Create & Connect Viewer?>?Simulink?>?Scope。
然后，右鍵點擊從?PS-Simulink Converter?模塊傳遞到?Sum?模塊的 Simulink 信號。從上下文菜單中，選擇?Connect To Viewer?>?Scope。

步驟 7：仿真模型

您可以通過點擊 Simulink 工具條（位于模型窗口頂部）或波形查看器工具欄中的“運行”按鈕??來運行仿真。Simscape 求解器會對模型進行求值，計算初始條件，然后運行仿真。