物理网络建模的基本原理
物理系统建模的物理网络方法概述
Simscape™软件是一组块库和特殊仿真功能，用于在Simulink中建模物理系统金宝app®环境。它采用物理网络方法，这不同于标准的Simulink建模方法，特别适合于模拟由真实的物理组件组成的系统。金宝app
金宝appSimulink模块表示基本的数学运算。当您将Simulink模块连接在一金宝app起时，所得到的图等价于正在设计的系统的数学模型或表示。Simscape技术允许您基于物理网络方法创建正在设计的系统的网络表示。根据这种方法，每个系统被表示为由功能元素组成，这些功能元素通过它们的端口相互作用，交换能量。
这些连接端口是Nondirectional的。它们模仿元素之间的物理连接。将Simscapt块连接在一起类似于连接真实组件，例如泵，阀门等。换句话说，Simscape图模仿物理系统布局。如果可以连接物理组件，也可以连接其型号。连接Simscape块时，您不必指定流量方向和信息流，就像在连接实际物理组件时不必指定此信息一样。具有通过和跨越变量和非识别物理连接的物理网络方法自动解决了变量，方向性等的所有传统问题。
每个元素的连接端口的数量取决于它与系统中其他元素交换的能量流的数量，并取决于理想化的水平。例如，固定排量液压泵在其最简单的形式可以表示为一个双端口元件，一个能量流与进口(吸入)和另一个与出口。在这种表示中，假定传动轴的角速度是恒定的，这样就有可能忽略泵和传动轴之间的能量交换。为了考虑可变的驱动扭矩，您需要与驱动轴相关的第三个端口。
能量流的特征是它的变量。每一个能量流都与两个变量有关，一个贯穿，一个跨越变量类型的更多信息)。通常，这些变量的乘积是以瓦为单位的能量流。它们被称为基本变量，或共轭变量。例如，机械平移系统的基本变量是力和速度，机械旋转系统的基本变量是扭矩和角速度，液压系统的基本变量是流量和压力，电气系统的基本变量是电流和电压。
下面的例子演示了双作用液压缸的物理网络表示。
该元件用三种能量流表示:两种通过气缸进出口的液压能量流和一种与杆运动相关的机械能流。因此，它有以下三个连接器端口:
A -与压力相关的液压保护端口
P.1(一个跨变量)和流量问：1（通过变量）B -与压力相关的液压保护端口
P.2(一个跨变量)和流量问：2（通过变量）R -与杆速相关的机械平动守恒端口
V.3.(一个跨变量)和力F3.（通过变量）
看连接器端口和连接线有关连接器端口类型的详细信息。
变量类型
物理网络方法支持两种类型的变量：金宝app
通过-通过与一个元件串联的量规测量的变量。
跨变量-用与元件平行连接的量规测量的变量。
下表列出了与Simscape软件中每种物理域相关的Through和Across变量:
| 物理域 | 在变量 | 通过变量 |
|---|---|---|
| 电 | 电压 | 当前的 |
| 气体 | 绝对压力和温度 | 质量流量和能量流量 |
| 液压 | 测量压力 | 体积流率 |
| 等温液体 | 绝对压力 | 质量流率 |
| 磁 | 磁动力（MMF） | 助势 |
| 机械旋转 | 角速度 | 转矩 |
| 机械平移 | 平移速度 | 力 |
| 潮湿的空气 | 绝对压力、温度、比湿(水蒸气质量分数)、微量气体质量分数 | 混合气质量流量、混合气能量流量、水蒸气质量流量、痕量气体质量流量 |
| 热 | 温度 | 热流 |
| 热液体 | 绝对压力和温度 | 质量流量和能量流量 |
| 两相流体 | 绝对压强和比内能 | 质量流量和能量流量 |
笔记
在电气、液压、机械转动、机械平动和热领域中，与一个领域相关的每一对Across和Through变量的乘积就是功率(以瓦特为单位的能量流)。在所有其他流体领域(气体、湿空气、等温液体、热液体和两相流体)以及磁领域中，变量对的乘积不是幂。下载188bet金宝搏这些结果是一个伪键图。
建立数学模型
贯穿和跨变量与所有的能量流动形成了块的数学模型的基础。
例如，可以用简单的方程组描述前图中所示的双作用液压缸的模型：
在哪里
| 问：1，问：2 | 通过端口A和端口B的流量(通过变量) |
| P.1，P.2 | 在端口A和B处的压力压力（跨变量） |
| 一种1，一种2 | 活塞的有效区域 |
| F3. | 杆力(通过变量) |
| V.3. | 杆速(跨变量) |
该模型可能要复杂得多，例如，它可以考虑摩擦、流体的可压缩性、运动部件的惯性等因素。然而,所有这些不同的数学模型元素的配置(即,港口和相关的数量和类型和变量)将保持不变,这意味着物理网络方法允许您替换模型不同程度的复杂性而不引入任何变化示意图。例如，您可以使用Foundation库中的Resistive Tube模块开始开发系统，它只考虑摩擦损失。在开发的后期阶段，可能需要考虑流体的可压缩性。然后你可以用一个液压管道块来替换它Simscape液体™或者，如果您还需要考虑流体惯性，甚至使用分段管道块，这取决于您的应用程序。这种建模原则被称为增量建模。
变量的方向
每个变量的特征在于其幅度和标志。标志是测量方向的结果。取决于测量表的极性，相同的变量可以是正的或负的。
只有两个端口的元素具有一对变量，一个Through变量和一个Across变量。由于这些变量是密切相关的，它们的方向被定义为一个方向。例如，如果一个元素从端口A面向端口B，它意味着Through变量(电视)，如果它从A“流”到B，则为正，且cross变量被确定为AV = AV一种- - - - - - AVB.,在那里AV.一种和AV.B.为元素节点势，或换句话说，分别为端口A和端口B的跨变量的值。
这种方法对变量的方向有以下好处:
提供一种简单且一致的方法来确定元素是否有效或被动。能量是在模拟期间确定的最重要的特征之一。如果如上所述确定变量方向或符号，如果元素消耗能量，则它们的产品（即，能量）是正的，并且如果它为系统提供能量，则负是负的。在整个SIMSCAPE软件中遵循此规则。
简化模型描述。象征
→B为Across和Through变量指定变量极性就足够了。让您将面向图形理论应用于网络分析和设计。
作为一个变量方向规则的例子，让我们考虑理想力源块。在这个块中，就像在许多其他机械块中一样，端口C与源参考点相关(情况)，端口R与杆相关。
挡板的正方向是从C口到R口。这意味着，如果力的作用方向是从C口到R口，那么力就是正的，并导致与R口相连的物体向正方向加速。相对速度被确定为V.=V.C-V.R.,在那里V.R.那V.C是绝对的速度在港口R和C,分别是-如果速度端口R大于C .港产生的权力来源是计算力和速度的乘积,是负的,如果源系统提供能量。
对于不同的块，正方向的定义是不同的。如果对块方向和变量方向有疑问，请检查块源或块参考页面。
网络中的所有元素都分为主动和无源元素，具体取决于它们是否向系统提供能量或消散（或存储）它。有源元素（力和速度源，流量和压力源等）必须严格按照它们预期在系统中执行的行动或功能，而无源元件（阻尼器，电阻，弹簧，管道等）可以以任何一种方式定向。
连接器端口和连接线
Simscape块可能有以下类型的端口:
物理保存端口——表示物理连接并基于物理网络方法关联物理变量的无方向端口(例如，液压或机械)。
物理信号端口 - 转移使用内部Simscape引擎的信号进行计算的单向端口。
下面将更详细地描述每个端口和它们之间的连接。
物理节省港口
Simscape块有特殊的节约港口
．使用物理连接线连接保存端口，这与普通的Simulink线路不同。金宝app根据物理网络方法，物理连接线没有固有的方向性，代表能量流的交换。
保存端口只能与其他相同类型的保存端口连接。
将保存端口连接在一起的物理连接线是携带物理变量(如上所述的Across和Through变量)而不是信号的无方向线。您不能将物理线路连接到Simulink端口或物理信号端口。金宝app
两个直接连接的守恒端口必须具有相同的跨变量值(如压力或角速度)。
你可以分支物理连接线。当您这样做时，直接连接到另一个组件继续共享相同的跨变量。沿物理连接线传递的任何Through变量(如流量或扭矩)被划分到由分支连接的多个组件中。Through变量的划分是由系统动力学决定的。
对于每个通过变量，流入分支点的所有值的总和等于流出的所有值的总和。
Simscape块中使用的每种类型的物理节省端口唯一代表物理建模域。有关端口类型列表，以及与每种类型相关联的贯穿和跨越变量，请参阅表中的表变量类型．
为了提高框图的可读性，每个Simscape域都使用连接线的不同默认颜色和线路样式。有关更多信息，请参阅特定领域的线条样式．
物理信号端口
物理信号端口
在Simscape块之间携带信号。你用常规的连接线连接它们，类似于Simulink信号连接。金宝appSimscape方框图中使用了物理信号端口，而不是Simulink的输入和输出端口，以提高计算速度并避免代数循环问题。金宝app物理信号可以有与之相关的单位。您可以在块对话框中指定单位和参数值，Simscape软件在解决物理网络时执行必要的单位转换操作。
Simscape Foundation Library在其他Subbribries中包含物理信号块库。这些块在物理信号上执行数学操作和其他功能，并允许您在物理网络中以图形方式实现方程。
物理信号线在框图中也具有不同的样式和颜色，类似于物理连接线。有关更多信息，请参阅特定领域的线条样式．
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