8.工程系统建模与仿真

Simscape描述的电容、电感
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电容与电感
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数学模型
8.1.5 Simscape语言入门
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建立 后缀名ssc Simscape程序
Simscape语言描述的模型步骤
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引导语句：由component、domain关键词引导 对话框参数定义语句：用parameters模块定义该模块 对话框变量参数和物理量单位，要求用户输入这4 个参数及其单位。 变量声明语句：由variables关键词引导 初始设置与参数验证子函数：function setup首先检 测输入的变量值是不是正数，如果不是则给出错误 信息。 模型方程定义：由equations引导，描述数学方程
磁模块组
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磁元件子模块组Magnetic Elements
Ø 磁阻模块、电磁转换模块、磁阻力模块、 变磁阻模块
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磁输入源 Magnetic Sources
Ø 磁通输入源、磁动势源、可控输入源
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磁传感器 Magnetic Sensors
Ø 磁通传感器、磁动势传感器
热学模块组
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热元件模块组 Heat Element
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SimElectronics不是最好最专业的电子线路 仿真工具，考虑将Spice模型嵌入仿真模型 三种嵌入方法
Ø 免费工具
! http://ave.dee.isep.ipp.pt/jcarlos/matlab ! 不足之处：只能整体翻译
Ø 第三方工具SLSP (Simulink Spice Interface)
数字端子线路仿真举例
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例
Ø 用两种方法可以分别建立仿真模型 Ø 模型1: c7mdig1.mdl Ø 模型2: c7mdig2.mdl
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例：译码线路仿真
Ø 输入信号：4路二进制输入信号 Ø BCD码译码用7段发光二极管LED显示 Ø 采用Gauges模块集 Ø 仿真模型：c7mled.mdl
8.1 物理系统建模仿真模块集 Simscape简介
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专业建模
Ø 电路系统可以根据Kirchhoff定律 Ø 简单机械运动可以根据Newton运动定律
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主要内容
Ø Simscape简介 Ø Simscape基础模块库简介 Ø 两类信号及其相互转换 Ø Simscape模块定义语言入门 Ø 复杂电路网络建模与仿真
Utilities： Simulink模块和物理信号直接相 互转换的模块
Ø PS-Simulink Converter Ø Simulink-PS Converter
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仿真参数设置模块、双向连接模块和连接 端口模块
电路建模与仿真
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电路图 Simulink模型 c7mele1.mdl 数值解和解析解 的比较
第8章
工程系统建模与仿真
第8章 工程系统建模与仿真
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更复杂的工程系统当然可以从底层建模， 但非专业人士很难建模，可以采用现成专 业工具直接建模仿真 建模方便、仿真结果可靠 主要内容
Ø 物理系统建模仿真模块集Simscape简介 Ø 电气系统模块集简介 Ø 电子线路及其仿真 Ø 电机与拖动系统仿真 Ø 机械系统建模与仿真
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Simulink仿真模型： c7moa1.mdl 添加输入、输出端子 新模型：c7moa2.mdl 线性化处理
8.3.3 数字电子线路仿真
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采用Leabharlann BaiduimElectronics建模：
Ø CMOS、触发器模块 Ø 采用这样的模块考虑动态过程
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理想模块建模：
Ø 逻辑门采用逻辑与位模块组模块 Ø 触发器采用Simulink Extras中触发器模块 Ø 采用这样的模块只考虑逻辑的变化，不考虑动 态过程
Ø 其中包含Spice语言支持模块的嵌入
8.3.2 模拟电子线路仿真举例
三极管放大线路 ! Simulink仿真 模型：c7mtri1.mdl ! 三极管元件内部参数 ! 输入信号为三角波 ! Simulink仿真 模型：c7mtri2.mdl ! 周期信号发生
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运算放大器线路建模与仿真
8.3.4 电力电子系统仿真
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晶闸管整流电路
Ø 晶闸管常用通用电桥模块 Ø 触发器常用同步六脉冲发生器模块 Ø 仿真模型：c7ma2d.mdl
8.3.4 电力电子系统仿真
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带有输出负载的系统仿真
Ø Simulink模型：c7ma2d2.mdl Ø 观察不同触发角下的整流效果
8.3.5 将Spice模块嵌入 Simulink仿真模型
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译码真值表
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译码器真值表输入
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信号类型转换模块 启动仿真过程，观察译码显示结果
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例：控制与通信中常用的M-序列
Ø 伪随机二进制序列 PRBS
Ø Simulink仿真模型：c7mflip.mdl Ø 仿真结果由stairs()函数绘制
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例：控制与通信中常用的M-序列
Ø 伪随机二进制序列 PRBS
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8.1.2 Simscape简介
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Simscape是MathWorks公司开发的全新的多 领域面向对象的物理建模工具 Simscape模块集
Ø 电、磁、力、热、液等在内的基础模块库 Ø 电子线路与系统模块集（SimElectronics） Ø 动力传动系统模块集（SimDriveLine） Ø 机械系统模块集（SimMechanics） Ø 液压系统模块集（SimHydraulics）
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电气系统模块集 SimPowerSystems
多领域物理建模
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允许用户像组装实际硬件系统那样把相应的模 块组装起来，构造出整个的仿真系统 系统的数学模型在组装过程中自动建立起来 Simscape及相关模块集是Simulink在物理模型 仿真层次上进行的有意义的尝试 在建立模型时，无需对相关领域的背景知识和 数学模型等有深入的了解，可以对自己不熟悉 领域的研究对象进行直观建模和仿真分析 Simscape语言允许用MATLAB语言扩展元件库
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集成电路模块组 Integrated Circuits
Ø 各种运算放大器模块（比较器、有限增益运算放大器、 有限带宽运算放大器）、逻辑元件组、定时器模块、各 种CMOS逻辑元件、触发器 Ø 理想逻辑元件：Simulink Extras和Simulink数学模块组
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无源电子元件组 Passive Devices 附加模块组：
Ø 传导性热传递模块、对流性热传递模块、 辐射传热模块、热质量模块
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输入、输出模块组
Ø 理想热流源模块、理想温度源模块、理想 热流传感器、理想温度传感器模块
液压、气动模块组
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液压模块组
Ø 液压孔模块、气动阻性管、线性流体阻力、 液压-机械转换器、液压舱、液压滑阀舱等， 液压压力源、液压流速源、液压流速传感器 模块、液压压力传感器
Ø SimElectronics模块集简介 Ø 模拟电子线路仿真举例 Ø 数字电子线路仿真举例 Ø 电力电子系统仿真 Ø 将Spice模块嵌入Simulink仿真模型
8.3.1 SimElectronics模块集简介
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半导体元件模块组 Semiconductor Devices
Ø 二极管、PND和NPN型三极管、结型场效应管、绝缘栅 双极型晶体管、MOS场效应管
8.1.3 Simscape基础模块库简介
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基础模块库Foundation Library
Ø 电模块组Electrical Ø 力模块组Mechanical Ø 液压模块组Hydraulic Ø 气动模块组Pneumatic Ø 磁模块组Magnetic Ø 热模块组Thermal Ø 与物理信号转换的模块组Physical Signals
电模块组
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电元件 Electrical Elements
Ø 电阻、电感、电容、互感器、变压器、变阻器 等电路元件 Ø 二极管、 运算放大器和旋转器等电子元件 Ø 机电转换器模块
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电输入源 Electrical Sources
Ø 直流交流、受控电源、电流源、电压源、接地
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电传感器 Electrical Sensors：电流表电压表
电路仿真举例
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利用SimPowerSystems同样可以建模
Ø 比Simscape基础模块库麻烦 Ø Simulink模型：c7mele2.mdl
Ø 必需添加powergui模块
电路仿真举例
Ø 电源由受控电源取代则构造出c7mele3.mdl Ø 提取传递函数矩阵
电力电子子模块组
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! http://www.bausch-gall.de/prodss.htm
Ø SimElectronics下工具
Spice模型的翻译与嵌入
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三极管放大电路Spice程序：c7mtri2.cir
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起始语句替换成
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模型翻译语句 仿真模型：c7mtri3.mdl 采用自动翻译的优势
Ø 可以对更复杂的Spice程序直接翻译，嵌入 Simulink框图 Ø 增加了Spice模型的可重用性 Ø 扩展了Simulink对电子线路的仿真能力
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电机子模块组：
Ø 直流机、异步机、 同步机、步进电机
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应用模块组
Ø 电机拖动模块组、柔性交流输电系统模块组、 分布式资源库等
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附加模块组
Ø 包括检测模块、离散检测模块、控制模块、离 散控制、相位测定等模块组
8.3 电子线路及其仿真
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SimElectronics从MATLAB 2008b开始提供 早期版本连三极管也不能仿真 主要内容
8.1.6 复杂电路模型的化简
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电路图
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L=7, Simulink建模
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线性模型（等效电阻）提取
8.2 电气系统模块集简介
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电气系统仿真模块集
Ø Power Systems Blockset，现SimPowerSystems Ø powerlib打开模块集 Ø 图形用户界面模块powergui，必需放置
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电源子模块组
Ø 直流和交流电源、受控电流源、电压源、三相 电源、三相可编程电源、电池模块
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检测元件子模块组
Ø 检测端口，如电流表、电压表和阻抗表， Ø 该组中还包括各种其他扩展的子模块组
电路元件子模块组
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电阻、电容、电感、各种变压器、传输线、 断路器模块 还提供了各种电气元件的三相版本 只提供了串并联R-L-C 单个电阻、电感、电容可以如下设置
主要模块
Ø 二极管、晶闸管模块、 可关断可控硅、 场效 应管和绝缘栅二极管等模块。 Ø 每个模块均有一个m输出端口，从该端口可以 得出模块内部所有的信号，该信号可以直接连 接到Simulink的输出模块上 Ø 通用电桥模块是实用模块，可以仿真整流器和 逆变器
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可以直接用于电力电子线路仿真
电机模块组、 应用模块组、附加模块组
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8.4 电机与拖动系统仿真
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直流电机双闭环控制调速系统
Ø 底层建模不易：机械方程、电方程 Ø 通常简化成线性模型，不精确 Ø 采用专业建模工具可以用一个模块表示电机， 更精确、更方便、更省事
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本节主要内容
Ø 直流电机拖动系统仿真 Ø 交流电机拖动仿真
力学模块组
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机构库：齿轮箱、杠杆机构、轮轴机构 平动元件库：理想平动质量模块、平动摩 擦力模块、 阻尼平动模块、平动弹簧模块 和平动硬停模块、机械平动参考点 转动元件库：转动惯量、摩擦力模块、弹 簧、阻尼模块和硬停 输入源库：力、转矩、角速度、速度 传感器库：理想的力、转动、转矩、平动 传感器
8.1.1 传统框图建模方法的局限性
例1 电路图 ! 3个回路，由 Kirchhoff定律 可以直接建立 起如下方程
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弹簧阻尼机械系统模型
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由Newton定律可以得出 简单系统易于建模，复杂系统需要专业工具 Simscape和Simulink引入的多领域物理建模 理念是解决这样问题的正确方法
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气动模块组
Ø 气动孔模块、隔热杯、气动阻性管、气动-机 械转换器、气动舱、 旋转气动滑阀舱、气 动压力源、气动流速源及可变源、气动质量热流传感器模块、气动压力-温度传感器
8.1.4 两类信号及其相互转换
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两类信号
Ø 常用的Simulink信号 Ø 物理模型对应的物理信号（PS 信号）
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