物理网络建模的基本原理——MATLAB和Simulink万博1manbetx - 万博1manbetx,s manbetx 845,万博尤文图斯

物理网络建模的基本原理

物理网络方法建模物理系统概述

Simscape™软件是一组块库和特殊仿真功能，用于在Simulink中建模物理系统万博1manbetx^®环境。它采用物理网络方法，它不同于标准的Simulink建模方法，特别适合于模拟由真实物理组件组成的系统。万博1manbetx

万博1manbetxSimulink块表示基本的数学运算。将Simulink块连接在一起时，生成的图表相当于所设计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设计中系统的网络表示。根据这种方法，每个系统被表示为由功能元件组成，这些功能元件通过其端口交换能量而相互作用。

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由它与系统中其他元素交换的能量流的数量决定，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中可以表示为一个双端口元件，一个能量流与进口(吸入)有关，另一个与出口有关。在这种表示法中，传动轴的角速度是恒定的，这使得忽略泵和轴之间的能量交换成为可能。为了计算可变的驱动扭矩，你需要与传动轴相关联的第三个端口。

能量流的特征是它的变量。每一个能量流都与两个变量相关，一个通过，一个通过变量类型的更多信息)。通常，这些变量的乘积就是以瓦特为单位的能量流。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。

下面的例子说明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:两种通过气缸入口和出口的液压能量流和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存端口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存端口P.₂(一个跨变量)和流量问：₂（通过变量）
R -与杆速度相关的机械平移保存端口V._3.(一个跨变量)和力F_3.（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：万博1manbetx

通量规-用串联到元件上的量规测量的变量。
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软件中每种物理域类型相关联的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、比湿度（水蒸气质量分数）和痕量气体质量分数	混合气质量流量、混合气能流量、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	绝对压强和比热力学能	质量流量和能量流量

笔记

在电气、液压、机械旋转、机械平移和热领域中，与一个领域相关联的每一对跨变量和跨变量的乘积就是功率(以瓦为单位的能量流动)。在所有其他流体域(气体、潮湿空气、等温液体、热液体和两相流体)以及磁域中，变量对的乘积都不是功率。s manbetx 845这些结果形成一个伪键图。

建立数学模型

与所有能量流相关的变量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：

$F_{3.} = {P.}_{1} \cdot {一种}_{1} - {P.}_{2} \cdot {一种}_{2}$

${问：}_{1} = {一种}_{1} \cdot {V.}_{3.}$

${问：}_{2} = {一种}_{2} \cdot {V.}_{3.}$

在哪里

问：_1，问：₂	分别通过A端口和B端口的流量(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
F_3.	杆力(通过变量)
V._3.	杆速度(横向变量)

这个模型可能要复杂得多，例如，它可以解释摩擦力、流体压缩性、运动部件的惯性等等。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，您可以通过使用Foundation库中的电阻管块开始开发您的系统，它只考虑摩擦损失。在开发的后期阶段，您可能需要考虑流体可压缩性。然后你可以用液压管道块替换它，可用Simscape液体™块库，或者，如果您还需要考虑流体惯性，即使使用分段管道块，也取决于您的应用程序。这种建模原则称为增量建模。

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的特征，一个是Through变量，一个是Across变量。由于这些变量密切相关，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指向端口B，则意味着Through变量(电视)是正的，如果它从A“流”到B，并且跨变量被确定为AV = AV_一种–AV_B.,在那里AV._一种和AV._B.是元素节点电位，或者换句话说，分别是端口A和B处该变量的值。

这种变量方向的方法有以下好处:

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为跨和通过变量指定可变极性就足够了。
让您将面向图形理论应用于网络分析和设计。

作为变量方向规则的一个例子，让我们考虑理想力源块。在这个模块中，就像在许多其他机械模块中一样，端口C与源参考点(case)相关联，端口R与杆相关联。

物体的正方向是从C口到R口，这意味着这个力是正的，如果它作用于C口到R口的方向，就会导致连接在R口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——代表物理连接并基于物理网络方法关联物理变量的非定向端口(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．你用物理连接线连接保存端口，不同于正常的Simulink线路。万博1manbetx根据物理网络方法，物理连接线没有内在的方向性，代表能量流的交换。

保存端口只能连接到相同类型的其他保存端口。
将保存端口连接在一起的物理连接线是无方向性的线，它们携带物理变量(如前所述，跨变量和通变量)而不是信号。不能将物理线路连接到Simulink端口或物理信号端口。万博1manbetx
两个直接连接的保存端口必须具有相同的跨变量值(如压力或角速度)。
您可以将物理连接线进行分支。当您这样做时，直接相互连接的组件将继续共享相同的跨变量。沿着物理连接线传递的任何Through变量(如流量或扭矩)被分支连接的多个组件分割。如何划分Through变量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。你用普通的连接线连接它们，类似于Simulink信号连接。万博1manbetxSimscape框图中使用物理信号端口代替Simulink输入和输出端口，以提高计算速度，避免代数循环问题。万博1manbetx物理信号可以有与之相关的单位。在块对话框中指定单元和参数值，Simscape软件在解决物理网络时执行必要的单元转换操作。

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．