Simscape仿真如何工作

Simscape仿真階段

您可能會發現此簡短概述對構建模型和理解錯誤很有幫助。有關更多信息，請參見Simscape模型如何表示物理系統。

Simscape™軟件爲您提供了多種方法來模擬和分析Simulink®環境中的物理系統。運行物理模型模擬類似於模擬任何Simulink模型。它需要設置各種模擬選項，啓動模擬並查看模擬結果。本主題描述特定於Simscape模型的仿真的各個方面。有關使用單個Simscape附加產品進行仿真和分析的細節，請參閱這些單個附加產品的文檔。下顯示了Simscape仿真流程。

該流程圖包括以下主要階段：

模型驗證
網絡建立
方程式構造
初始條件計算
暫態初始化
瞬態求解

模型驗證

Simscape解算器首先驗證模型配置，然後從塊對話框中檢查數據輸入。

圖表中的所有Simscape塊都必須連接到一個或多個物理網絡中。
圖中的每個拓撲不同的物理網絡都只需要一個規劃求解配置塊。
如果您的模型包含流體元素（例如兩相流體，氣體，潮溼空氣，等溫或導熱液體），則圖中每個拓撲不同的迴路都可以包含一個塊，該塊定義了連接到該回路的所有塊的流體屬性。如果沒有流體塊連接到迴路，則該回路中的塊將使用默認流體。但是，迴路中不止一個流體塊會產生錯誤。
Simulink-PS Converter模塊中指定的信號單元必須與與其相連的Simscape模塊所需的輸入類型匹配。例如，當您爲“理想角速度源”模塊提供輸入信號時，請在Simulink-PS Converter模塊中指定角速度單位，例如rad / s或rpm，或者將其保持無單位。同樣，在PS-Simulink Converter模塊中指定的單位必須與Simscape模塊輸出口提供的物理信號類型匹配。

網絡建設

驗證模型後，Simscape求解器根據以下原理構建物理網絡：

兩個直接連接的節能端口的所有Across變量（例如電壓或角速度）具有相同的值。
沿物理連接線傳輸的任何直通變量（例如電流或扭矩）將在分支連接的多個組件之間分配。對於每個Through變量，流入分支點的所有值的總和等於流出的所有值的總和。

方程式構造

根據網絡配置，塊對話框中的參數值以及由流體屬性定義的全局參數（如果適用），Simscape求解器將爲模型構造方程式系統。這些方程式包含以下類型的系統變量：

動態：這些變量的時間導數出現在方程式中。動態或微分變量會爲系統增加動態，並要求求解器使用數值積分來計算其值。動態變量可以產生獨立或從屬狀態以進行仿真。
代數：這些變量的時間導數不會出現在方程式中。這些變量出現在代數方程中，但不添加動力學，並且由於守恆定律（例如質量和能量守恆），這通常發生在物理系統中。代數變量的狀態始終取決於動態變量，其他代數變量或輸入。

然後，求解器執行分析並消除求解方程組不需要的變量。消除變量後，其餘變量（代數，動態相關和動態獨立）將映射到模型的Simulink狀態向量。有關如何查看和分析模型變量的信息，請參見模型統計信息。

初始條件計算

Simscape解算器在仿真開始時（t = 0）僅計算一次初始條件。在“規劃求解配置”塊對話框中，默認爲未選中“從穩態啓動仿真”複選框。如果在模型中選擇了它，請參閱查找初始穩態。

求解器通過查找完全滿足所有模型方程式的所有系統變量的初始值來計算初始條件。您可以通過塊級變量初始化（即，在塊對話框的“變量”選項卡上指定優先級和目標初始值）來影響初始條件的計算。您還可以從保存的操作點爲整個模型初始化變量。

在變量初始化期間指定的值不是各個變量的實際值，而是在模擬開始時的目標值（t = 0）。根據求解結果，可能會或可能不會滿足其中一些目標。求解器首先嚐試滿足高優先級的目標，然後滿足低優先級的目標：

首先，求解器嘗試找到一種解決方案，在該解決方案中，所有高優先級變量目標均已完全滿足，而低優先級目標則儘可能接近。如果在此階段找到解決方案，則它滿足所有高優先級目標。某些低優先級目標也可能會準確實現，而其他目標則是近似的。
如果求解器無法找到完全滿足所有高優先級目標的解決方案，則會發出警告並進入第二階段，將高優先級放寬爲低。也就是說，求解器試圖通過儘可能接近高優先級目標和低優先級目標來找到解決方案。

在初始化變量之後和模擬模型之前，可以打開“變量查看器”以查看滿足了哪些變量目標。有關塊級變量初始化的更多信息，請參見變量初始化。

尋找初始穩態

當您選擇從穩態啓動模擬複選框時，求解器將嘗試查找如果系統輸入保持恆定足夠長的時間會導致的穩態，則從僅根據初始條件計算獲得的初始狀態開始描述。如果穩態求解成功，則找到的狀態是某種穩態（在公差範圍內），但不一定是給定初始條件所期望的狀態。穩定狀態意味着系統變量不再隨時間變化。然後從此穩態開始仿真。

一個模型可以具有多個穩態。在這種情況下，求解器將選擇與塊級變量初始化期間指定的變量目標一致的穩態解。有關更多信息，請參見變量初始化。

暫態初始化

在計算了初始條件之後，或在隨後的事件（例如由於閥門打開或硬停止而導致的不連續性）之後，Simscape解算器將執行瞬態初始化。瞬態初始化可修復所有動態變量，並求解代數變量和動態變量的導數。瞬態初始化的目標是爲下一階段瞬態求解提供一致的初始條件集。

瞬態求解

最後，Simscape求解器對方程組執行瞬態求解。在瞬態求解中，連續微分方程會及時積分，以計算所有變量隨時間的變化。

解算器繼續根據瞬態解算的結果執行仿真，直到解算器遇到事件，例如過零或間斷。該事件可能在物理網絡內或Simulink模型中的其他位置。如果求解器遇到事件，則求解器將返回到瞬態初始化階段，然後返回到瞬態求解。該循環一直持續到模擬結束。

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

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