Simscape

Hauptmerkmale

  • Eine einzige Umgebung zur Modellierung und Simulation von mechanischen, elektrischen, hydraulischen, thermischen und anderen physikalischen Mehrdomänensystemen
  • Bibliotheken von physikalischen Modellierungsblöcken und mathematischen Elementen zur Entwicklung benutzerspezifischer Komponenten
  • Auf MATLAB basierende Simscape-Sprache, die die textbasierte Erstellung von physikalischen Modellierungskomponenten, Domänen und Bibliotheken ermöglicht.
  • Physikalische Einheiten für Parameter und Variablen, wobei alle Umwandlungen von Einheiten automatisch erfolgen
  • Möglichkeit, solche Modelle zu simulieren, die Blöcke von damit verbundenen Modellierungsprodukten enthalten, ohne dass diese Produkte käuflich erworben werden müssen
  • Unterstützung der C-Code-Generierung

Modellierung eines Gleichstrom-Motors 5:01
Elektrische und mechanische Modellierungskomponenten werden zur Erstellung dieses Modells verwendet.

Simscape wird zur Optimierung der Leistung auf Systemebene und zur Erstellung von Anlagenmodellen zur Regelungsentwicklung verwendet. Die Modelle, die Sie erstellen, unterstützen Ihren gesamten Entwicklungsprozess, einschließlich Hardware-in-the-Loop-Simulationen.

Simscape - servo-valve
Querschnitt eines elektrohydraulischen Servoventils, das einen Düse-Prallplatte-Verstärker verwendet, gelb markiert (rechts). Die farbigen Blöcke im dazugehörigen Simscape-Modell (links) entsprechen den bunten Pfeilen, die die typischen hydraulischen Flusswege darstellen.

Modellierung physikalischer Systeme

Mit Simscape bauen Sie ein Modell von einem System genauso, wie Sie auch ein physikalisches System aufbauen würden. Simscape wendet für den Modellaufbau einen physikalischen Netzwerkansatz an, der auch als nicht kausale Modellierung bezeichnet wird: Komponenten (Blöcke), die physikalischen Elementen wie Pumpen, Motoren und Operationsverstärkern entsprechen, werden durch Leitungen miteinander verbunden, die den physikalischen, stromübertragenden Verbindungen entsprechen. Dieser Ansatz ermöglicht es Ihnen, die physikalische Struktur eines Systems anstatt der zugrundeliegenden mathematischen Prinzipien zu beschreiben. Von Ihrem Modell aus, das einem Schaltbild sehr ähnlich ist, konstruiert Simscape automatisch die algebraischen Differenzialgleichungen (DAEs), die das Verhalten des Systems beschreiben. Diese Gleichungen werden mit dem Rest des Simulink-Modells zusammengeführt und die DAEs werden direkt gelöst. Die Variablen für diese Komponenten in den verschiedenen physikalischen Domänen werden gleichzeitig gelöst, sodass Probleme mit algebraischen Schleifen vermieden werden.

Komponentenbibliotheken

Mit Simscape können Sie Modelle von eigenen Komponenten erstellen, indem Sie die in der Basisbibliothek enthaltenen Grundelemente verwenden.

Modellieren von mechanischen Komponenten

bietet mechanische Bausteine zur Darstellung eindimensionaler Parallelverschiebung und Rotationsbewegung. Neben Grundelementen wie Masse, Feder und Dämpfer sind auch nicht lineare Effekte wie Nachlauf und Reibung enthalten. Durch Schnittstellenblöcke, die mit SimMechanics™ und SimDriveline™ zur Verfügung gestellt werden, können Sie Simscape-Modelle mit Modellen verbinden, die diese Tools verwenden.

Modellieren von elektrischen Komponenten

Simcape bietet elektrische Bausteine zur Darstellung elektrischer Komponenten und Schaltkreise. Neben Grundelementen wie Widerständen, Kondensatoren und Induktoren sind auch komplexere Elemente wie Operationsverstärker und Transformatoren enthalten. Weitere spezielle elektronische und elektromechanische Komponenten sind in SimElectronics™ verfügbar.

Modellierung eines Gleichstrom-Motors 5:01
Elektrische und mechanische Modellierungskomponenten werden zur Erstellung dieses Modells verwendet.

Modellieren von hydraulischen Komponenten

Simscape bietet hydraulische Bausteine, mit denen grundlegende hydraulische Effekte modelliert werden und die zur Erstellung komplexerer hydraulischer Komponenten kombiniert werden können. Diese Bausteine bestimmen die Druck-/Durchflussbeziehung bei grundlegenden physikalischen Effekten, wie z. B. Komprimierbarkeit und Trägheit von Flüssigkeiten, mechanische Reibung, Energieübermittlung und grundlegenden Durchfluss durch feste und variable Öffnungen. Sie können eine Flüssigkeit durch Eingabe ihrer Flüssigkeitseigenschaften definieren. Weitere spezielle hydraulische Komponenten sind in SimHydraulics® verfügbar.

Modellierung eines Vier-Wege-Hydraulikventils und eines Hydraulikzylinders 3:41
Hydraulische und mechanische Modellierungsbausteine werden zur Erstellung dieses Modells verwendet.

Modellieren von thermischen Effekten

Simscape bietet thermische Bausteine zur Modellierung und Simulation von thermischen Effekten in Ihrem System. Sie können Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung ebenso wie die thermische Masse von Elementen modellieren. Mithilfe von thermischen Quellblöcken können Sie Temperatur oder Wärmeübertragung angeben; thermische Sensorblöcke ermöglichen die Messung der Wärmeübertragung oder Temperaturänderung.

Modellierung der Wärmeübertragung in einem Projektor 8:00
Thermische Modellierungskomponenten werden zur Erstellung dieses Modells verwendet.

Arbeiten mit physikalischen Signalen

In Simscape können Ihre Modelle physikalische Signale enthalten, denen Einheiten zugewiesen sind. Sie geben in den Blockdialogfeldern die Einheiten und die Parameterwerte an und Simscape führt die erforderlichen Operationen zur Einheitsumwandlung durch, wenn ein physikalisches Netzwerk gelöst wird. Die Physical Signals-Blockbibliothek ermöglicht Ihnen die Durchführung mathematischer Operationen bei physikalischen Signalen und die grafische Eingabe von Gleichungen innerhalb des physikalischen Netzwerks. Physikalische Signalports werden in Simscape-Blockdiagrammen verwendet, um die physikalischen Signale besser in Ihr physikalisches System zu integrieren, wodurch die Berechnungsgeschwindigkeit gesteigert wird.

Mithilfe der Elemente aus diesen Grundlagenbibliotheken können Sie komplexere Komponenten erstellen, die verschiedene physikalische Domänen umfassen. Wie bei Simulink können Sie dann dieses Blockdiagramm in ein Subsystem gruppieren und sie zur Wiederverwendung und Weitergabe der Komponenten parametrieren.

Sie können die Sensorblöcke in Simscape verwenden, um Werte für verschiedene physikalische Mengen zu messen, wie z. B. mechanische (Kraft/Drehmoment, Geschwindigkeit), hydraulische (Druck, Durchflussrate) oder elektrische (Spannung, Stromstärke) Variablen, und dann diese Signale an Standardblöcke von Simulink weiterleiten. Quellblöcke ermöglichen es Simulink-Signalen, diesen Variablen Werte zuzuweisen. Durch Sensor- und Quellblöcke können Sie einen in Simulink entwickelten Regelungsalgorithmus mit einem Simscape-Netzwerk verbinden.

Simscape - libraries
Simscape-Bibliotheken von elektrischen, mechanischen, hydraulischen und thermischen Bausteinen zur Erstelllung benutzerspezifischer Komponentenmodelle.

Simscape-Sprache

Die Simscape-Sprache ermöglicht es Ihnen, neue physikalische Domänen hinzuzufügen und Ihre eigenen physikalischen Modellierungskomponenten und Bibliotheken zu erstellen. Sie basiert auf der Programmiersprache MATLAB, die von vielen Entwicklern häufig verwendet wird. Mit dieser objektorientierten Modellierungssprache können Sie eigene Komponenten definieren und durch Parametrisierung, physikalische Verbindungen und Gleichungen, die als nicht kausale, implizite algebraische Differenzialgleichungen dargestellt werden, vervollständigen. Sie können MATLAB auch nutzen, um die Parameterwerte zu analysieren, vorausgehende Berechnungen durchzuführen und Systemvariablen zu initialisieren. Der Simulink-Block und das Dialogfeld für die Komponenten werden automatisch aus der Simscape-Datei erstellt.

Simscape Language: Electronic Example 3:18
Model custom electronic components using the Simscape™ language. Define a resistor whose behavior varies with temperature.

Die von Ihnen erstellten Komponenten können die physikalischen Domänendefinitionen wiederverwenden, die mit Simscape zur Verfügung gestellt werden, um sicherzustellen, dass Ihre Komponenten mit den Simscape-Standardkomponenten kompatibel sind. Sie können auch Ihre eigenen physikalischen Domänen hinzufügen. Sie können Simulink-Bibliotheken Ihrer Simscape-Komponenten und -Domänen automatisch aufbauen und verwalten, wodurch eine Freigabe dieser Modelle innerhalb Ihres Unternehmens erfolgen kann. Außerdem können Sie aus Simulink-Modellen, die Ihre benutzerspezifischen Komponenten enthalten, C-Code generieren.

Modellierung von benutzerdefinierten Hydraulikkomponenten mittels der Simscape-Sprache 3:38
Ein Modell einer festen hydraulischen Öffnung wird anhand dieser MATLAB®-basierten, physikalischen Modellierungs Sprache erstellt.

Mithilfe der Simscape-Sprache können Sie genau steuern, welche Effekte in den Modellen Ihrer physikalischen Komponenten erfasst werden. Mit diesem Ansatz können Sie den richtigen Ausgleich zwischen Wiedergabetreue und Simulationsgeschwindigkeit für das Modell finden.

Simscape - ultracapacitor
Erstellung eines benutzerspezifischen Modells eines Ultrakondensators mit Verlusten anhand der Simscape-Sprache. Die angezeigte Gleichung (unten) wird in der Simscape-Sprache (links) implementiert. Der Simulink-Block (oben rechts) und das Dialogfeld (Mitte) werden automatisch aus der Simscape-Datei erstellt.

Freigabe von Modellen mit Simscape Editing Modes

Mit den Simscape Editing Modes können Sie die physikalische Modellierung und Simulation mithilfe von Simulink und folgenden Erweiterungsprodukten durchführen: SimDriveline, SimElectronics, SimHydraulics, SimMechanics und SimPowerSystems. Mit nur einer Simscape-Lizenz können Sie Parameter öffnen, simulieren und optimieren und Modelle speichern, die Blöcke aus Erweiterungsprodukten enthalten, so lange die Erweiterungsprodukte auf Ihrem Rechner installiert sind. Sie können Ihre Modelle innerhalb Ihres Unternehmens freigeben, ohne zusätzliche Lizenzen zu erwerben.

Erfahren Sie mehr über die Arbeit im eingeschränkten Modus in Simscape.

Konvertierung von Simscape-Modellen in C-Code

Mit Simscape können Sie Ihre Modelle in C-Code konvertieren, wodurch Sie die Beschleunigungsmodi von Simulink nutzen können, um die Simulationszeit zu verringern. Außerdem können Sie Simscape-Modelle mithilfe von Simulink Coder™ in C-Code konvertieren, wodurch Folgendes möglich wird:

  • Ausführung Ihres Modells in Echtzeit, Durchführung von HIL-Tests wird möglich
  • Integration Ihres Modells in andere Simulationsumgebungen
  • Kompilierung Ihres Simscape-Modells für eigenständige Simulationen, wodurch Analysen wie Parameterstudien und Monte Carlo-Simulationen beschleunigt werden

Konvertierung von Simscape-Modellen zu C-Code 4:38
Eine eigenständige ausführbare Datei wird zur Beschleunigung einer Reihe von Simulationen, bei denen die Parameterwerte variieren, aus dem Modell erstellt.

Indem Sie Ihre Modelle so konfigurieren, dass sie in Echtzeit laufen, können Sie Hardware-in-the-Loop-Tests anstelle von teuren Prototypen zum Testen Ihres Systems nutzen. So können Sie Fehler früher im Entwicklungsprozess entdecken, die Kosten reduzieren und den Konstruktionszyklus verkürzen.

Verwendung von HIL-Tests statt Hardwareprototypen zum Testen von Steuerungs- und Regelungsalgorithmen 5:21
Aus einem Simulink®-Modell mit Blöcken aus den Physical Modelling Produkten von MathWorks wird C-Code generiert und auf einen elektronischen Bachmann M1-Hardwareregler heruntergeladen.

Integration in MATLAB und Simulink

Simscape bietet erweiterte Funktionen zur Modellierung physikalischer Systeme. Sie können Ihr physikalisches Anlagenmodell mithilfe von physikalischen Verbindungen erstellen und es direkt mit Ihrem Regelungsmodell verbinden, das mit Signalflüssen in Simulink konstruiert wurde. Simscape-Modelle können auch direkt mit anderen anwendungs- und domänenspezifischen physikalischen Modellierungstools von MathWorks verbunden werden, wodurch die Modellierung komplexer Interaktionen in physikalischen Mehrdomänensystemen möglich wird.

Integration von Modellen von mechanischen, hydraulischen, elektrischen und Steuerungs- und Regelungssystemen in einem Komplettsystemmodell 5:49
Dieser Ansatz ermöglicht es Technikern sowohl Systeme separat als auch die Gesamtleistung des Systems zu testen.

Sie können MATLAB verwenden, um Ihr Modell zu parametrieren, Simulationstests zu automatisieren, Ausgangsdaten zu analysieren und die Systemleistung zu optimieren. Als Ergebnis können Sie so Ihr gesamtes System (physikalische Mehrdomänenanlage und Regler) innerhalb der MATLAB- und Simulink-Umgebung testen.

Simscape - rectifier
Simscape-Modell (oben) eines Brückengleichrichters, der 120 Volt AC in 12 Volt DC umwandelt. Dieses Modell kann verwendet werden, um den Kondensator auf eine bestimmte Last einzustellen. Das Diagramm (unten) zeigt die Welligkeit der Gleichspannung an.

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