Simscape


Hauptmerkmale

  • Einzige Umgebung für die Simulation von physikalischen Mehrdomänen-Systemen mit Regelungsalgorithmen in Simulink®
  • Physikalische Modellierungsblöcke, die mehr als 10 physikalische Domänen abdecken, einschließlich mechanischer, elektrischer, hydraulischer und Zweiphasen-Flüssigkeiten
  • Auf MATLAB® basierende Simscape™ Sprache, die die textbasierte Erstellung von physikalischen Modellierungskomponenten, Domänen und Bibliotheken ermöglicht.
  • Symbolische Gleichungsreduzierung und Solver-Technologie für Systeme von Differentialgleichungen (DAEs, differential algebraic equations), einschließlich des Umgangs mit Ereignissen
  • Spezielle Solver-Technologie für eine Echtzeit-Simulation und Hardware-in-the-Loop (HIL)-Prüfungen
  • Physikalische Einheiten für Parameter und Variablen, wobei alle Umwandlungen von Einheiten automatisch erfolgen
  • Möglichkeit, solche Modelle zu simulieren, die Blöcke von Simscape Add-On-Produkten verwenden, ohne dass diese Produkte käuflich erworben werden müssen
  • Unterstützung der C-Code-Generierung (mit Simulink Coder™)

Mehrdomänen-Schemen

Simscape™ Produkte bieten eine natürliche und effiziente Methode für die Zusammenstellung des mathematischen Modells des physikalischen Systems. Durch Erstellung eines Mehrdomänen-Schemas, das auf physikalischen Verbindungen beruht, ermöglichen Ihnen die Produkte, das Systemdesign zu variieren, ohne die Gleichungen auf Systemebene abzuleiten und zu implementieren.

Mehrdomänen-Schemen

Modellieren mit physikalischen Verbindungen

Komponenten von Simscape stellen physikalische Elemente dar, z. B. Pumpen, Motoren und Operationsverstärker. Leitungen in Ihrem Modell, die diese Komponenten verbinden, entsprechen physikalischen Verbindungen im reellen System, über die Strom übertragen wird. Dieser Ansatz ermöglicht es Ihnen, die physikalische Struktur eines Systems anstatt der zugrundeliegenden mathematischen Prinzipien zu beschreiben. Elektrische, mechanische, hydraulische und weitere physikalische Verbindungen sind in Ihrem Mehrdomänen-Schema durch Leitungen dargestellt, deren Farbe die physikalische Domäne anzeigt. Sie können direkt erkennen, welche Systeme sich in Ihrem Modell befinden und wie sie miteinander verbunden sind.

ABB, Deltamarin und VTT-Optimierung von Schiffsenergieströmen über Simscape  (User Story) Engineers reduced testing costs by tens of thousands of euros, optimized multiple subsystems within the ship, decreased fuel use, and improved energy recapture.

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Simscape-Produktfamilie

Die Simscape-Produktfamilie besteht aus sechs Produkten, die eine Vielzahl von Anwendungen abdecken. Sie können jede Gruppe von Simscape-Add-On-Produkten mit der Simscape-Plattform kombinieren, um physikalische Mehrdomänensysteme zu modellieren. Zu den Add-On-Produkten gehören zusätzliche erweiterte Blöcke und Analysemethoden.

Simscape-Produktfamilie.
Die Simscape-Produktfamilie, im Simulink Library Browser (links) angezeigt. Diese Produkte bieten hunderte von Komponenten (Beispiele oben rechts) und erweiterte Analyse-Tools, einschließlich einer 3D-Animation von Simscape Multibody (unten rechts).

Erstellen von Modellen

Sie können Simscape-Modelle durch die Zusammenstellung von Komponenten in einem Schema erstellen. Es werden viele Komponentenmodelle bereitgestellt und Sie können diese anpassen oder Ihre eigene Blockbibliothek erstellen. Sie können auch Funktionen in MATLAB und Simulink verwenden, um viele Modellkonstruktionsaufgaben zu automatisieren.

Erstellen von Modellen

Grundlagenbibliotheken

Simscape stellt Bibliotheken von Komponenten zur Verfügung und deckt damit mehr als zehn verschiedene physikalische Domänen ab. Grundelemente werden in jeder Domäne angegeben, z. B. mechanische Federn, elektrische Widerstände, hydraulische Öffnungen, pneumatische Kammern und Flüssigkeitsbehälter. Sie können diese Elemente kombinieren, um komplexere Komponenten zu modellieren, z. B. Elektromotoren, Hydraulikventile und andere Komponenten, die mehrere physikalische Domänen umfassen.

Vintecc gestaltet die Sammelmaschine mit mehreren Achsen mithilfe von Simscape  (User Story) Vintecc verified 90% of its control system design before hardware was available, shortened its development schedule by months, and implemented new features within days.

Die Simscape Grundlagenbibliothek.
Die Simscape Grundlagenbibliothek ist im Simulink Library Browser (links) abgebildet. Sie enthält hunderte von Komponenten in vielen Domänen (Beispielblöcke, rechts).

Modellierungs-Editor

Mithilfe des Modellierungs-Editors von Simulink können Sie Ihr Modell effizient konstruieren. Sie können durch die zahlreichen enthaltenen Komponenten navigieren, indem Sie den Namen der Komponente eingeben. Im Editor wird Ihnen eine Liste von Komponenten angezeigt, die für die physikalische Domäne Ihrer letzten Verbindung charakteristisch sind. Über weitere Funktionen können Sie das Klicken und Ziehen, die für die Konstruktion Ihres Modells erforderlich sind, reduzieren.

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Automatisierung von Modelltasks

Sie können die Funktionen von MATLAB verwenden, um die Konstruktion und die Parametrisierung Ihres Modells zu automatisieren. Sie können programmatisch Blöcke hinzufügen, Verbindungen hinzufügen und Leitungen oder Blöcke löschen. Sie können MATLAB-Funktionen auch verwenden, um im Diagramm Blöcke zu lokalisieren, basierend auf einem Attribut dieses Blocks, und Parameterwerte festlegen. Mit diesen Funktionen können Sie komplexe Modelle konstruieren, Parameterwerte anpassen und Komponenten in Sekundenschnelle konstruieren.

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Erstellen von Komponenten

Die umfangreichen Bibliotheken, die von den Simscape-Produkten bereitgestellt werden, wurden eigens dafür entwickelt, Ihnen die Erstellung von benutzerdefinierten Komponenten zu erleichtern. Sie können Komponenten erstellen, die exakt zum Entwurf Ihres Systems passen und genau das richtige Ausmaß an Genauigkeit für die Analyse, die Sie durchführen möchten, erfassen.

Erstellen von Komponenten

Wiederverwendbare Assemblies

Sie können eine Gruppe von Simscape-Komponenten in einem Schema zusammenstellen und anschließend das Schema in einem Subsystem mit physikalischen Verbindungen platzieren. Mithilfe der physikalischen Verbindungen können Sie klare, konsistente Benutzeroberflächen für Ihre benutzerdefinierten Komponenten definieren, sodass Sie diese in anderen Modellen wiederverwenden können. Sie können Benutzer dieser Komponente Zugriff auf Schlüsselparameter geben, über ein Dialogfeld und einen direkten Link zur benutzerdefinierten Dokumentation, die im Browser der MATLAB-Hilfe integriert ist. Durch die einfache Wiederverwendung kann die Effizienz ’ Ihrer Entwicklungseams erhöht werden.

Über FMTC wird das hydrostatische Hybrid-Antriebssystem mit Simscape optimiert  (User Story) FMTC engineers reduced fuel use by 25%, shortened analysis time by 75%, and reduced total cost of ownership by 15%.

Parametrisierte Komponente, die von den Blöcken der Grundlagenbibliothek aus erstellt wurde.
Parametrisierte Komponente (oben links), die von den Blöcken der Grundlagenbibliothek aus (unten) erstellt wurde. Der Benutzer kann Schlüsselparameter in einem Dialogfeld (oben rechts) bearbeiten.

Simscape-Sprache

Alle Simscape-Komponenten werden mit der Simscape-Sprache definiert, die auf der Programmiersprache MATLAB basiert. Mit dieser objektorientierten Modellierungssprache können Sie Ihre eigenen Komponenten definieren und durch Parametrisierung, physikalische Verbindungen und Gleichungen, die als implizite algebraische Differenzialgleichungen dargestellt werden, vervollständigen. Mithilfe der Simscape-Sprache können Sie genau steuern, welche Effekte in Ihren Modellen erfasst werden. Hiermit können Sie den richtigen Ausgleich zwischen Wiedergabetreue und Simulationsgeschwindigkeit für das Modell finden.

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Simulieren von Modellen

Mit der Simulationstechnologie von Simscape können Sie eine Simulation in zahlreichen Ingenieuraufgaben nutzen. Sie können zum Beispiel Simscape-Modelle verwenden, um Anforderungen im Entwicklungszyklus schon früh zu verfeinern, Ihren Entwurf auf Systemebene zu optimieren und integrierte Controller ohne Hardware-Prototypen zu testen. Simscape verbessert Ihre Effizienz im gesamten Entwicklungsprozess.

Simulieren von Modellen

Gleichungsreduzierung und Solver-Technologie

Sie können sich bei Simscape darauf verlassen, dass die Gleichungen automatisch für Ihr gesamtes physikalisches System formuliert werden. Nach dem Parsen Ihres Schemas verwendet Simscape eine symbolische Manipulation und Indexreduzierung, um die mathematische Formulierung zu identifizieren, die Ihr System am effizientesten darstellt. Mit der spezialisierten Simulationstechnologie werden die algebraischen Differenzialgleichungen direkt zusammen mit dem restlichen Modell gelöst.

Toyota entwickelt ein Motormodell in Simscape zum Testen von SIL und MIL  (User Story) Toyota created a comprehensive model with thousands of equations, tested the controller under challenging edge cases, and verified control software before in-vehicle testing.


Simulation in Echtzeit

Simscape verwendet eine spezielle Simulationstechnologie, damit Ihre Simulationen in Echtzeit laufen können. Sie können sowohl explizite als auch implizite Solver konfigurieren, um die Menge der Berechnungen pro Zeitschrittgröße zu begrenzen, während Sie die erforderliche Genauigkeit beibehalten. Sie können verschiedene Solver an unterschiedlichen Teilen des gleichen Modells verwenden, um die Ausführungszeit zu minimieren. Durch diese Funktionen können Sie Ihr Simscape-Modell für das Testen von HIL, Trainingssimulatoren und andere Situationen verwenden, bei denen die Simulationsausführung mit einem Echtzeitsystem synchronisiert werden muss.


Über MATLAB aktivierte Funktionen

Mithilfe wirksamer MATLAB-Funktionen können Sie effektiv schwierige Probleme mit Ihren Simscape-Simulationen lösen. Jede Simulationsaufgabe kann mithilfe des MATLAB-Codes automatisiert werden. Optimierungsalgorithmen helfen Ihnen dabei, schnell eine optimale Gruppe an Parametern oder Komponenten für Ihren Entwurf zu identifizieren. Optimierungen und Parametersweeps können durch die parallele Ausführung Ihrer Simulationen auf mehreren Kernen oder auf einem Rechen-Cluster beschleunigt werden.


Ergebnisanalyse

Mithilfe der Simscape-Analysefunktionen können Sie die Leistung Ihres Entwurfs schnell erkunden und verbessern. Sie können diese Funktionen sogar auch dazu verwenden, sicherzustellen, dass Ihr Simscape-Modell über die richtige Menge an Details verfügt, die Sie für Ihre Aufgabe benötigen.

Analyzing_Results

Simulationsergebnisse erkunden

Mithilfe des Explorers für Ergebnisse in Simscape können Sie schnell die Simulationsergebnisse für Ihr Simscape-Modell erkunden, einschließlich variabler Werte und der Zeitplanung von Ereignissen. Sie können direkt von Diagrammen der Ergebnisse zum Modell navigieren (Blöcke und individuelle Gleichungen), um die Ursachen des Verhaltens, das Sie sehen, zu untersuchen. Mithilfe des MATLAB-Codes können Sie jede Analyse automatisieren, einschließlich zeit-, frequenz- und ereignisbasierter Analysen.

Carnegie Energy baut mithilfe von Simscape ein Wellenkraftwerk  (User Story) Engineers used simulation to estimate components’ loads, gained crucial insights into system behavior, and accelerated sensitivity studies via parallel computing.

Explorer für Ergebnisse in Simscape zum Erkunden aller Simulationsergebnisse aus Ihrem Simscape-Modell.
Explorer für Ergebnisse in Simscape (rechts) zum Erkunden aller Simulationsergebnisse aus Ihrem Simscape-Modell (links). Sie können zwischen den schematischen und den Simulationsergebnissen vor- und zurück navigieren.

Messen der Modell-Komplexität

Zur Identifizierung von berechnungsintensiven Teilen Ihres Modells können Sie die Komplexität Ihres Modells messen, in Mengen wie Variablen, Gleichungen, die Ereignisse auslösen können, und Beschränkungen. Dies hilft Ihnen dabei, zu bestimmen, ob es wahrscheinlich ist, dass Ihre Änderungen die Leistung des Modells während der Simulation verbessern. Der Viewer für Simscape-Statistiken ist direkt mit dem Modell (Blöcke und Variablen) verbunden, damit Sie die Modellgenauigkeit besser anpassen können.

Der Viewer für Simscape-Statistiken zur Messung der Komplexität eines Simscape-Modells zeigt weiterhin verfügbare und entfernte Variablen und andere Statistiken an.
Der Viewer für Simscape-Statistiken (rechts) zur Messung der Komplexität eines Simscape-Modells (links) zeigt weiterhin verfügbare und entfernte Variablen und andere Statistiken an. Sie können direkt zur Quelle (Block oder Gleichung) im Modell navigieren.

Über Simulink aktivierte Funktionen

Mithilfe der Simulink-Funktionen können Sie schwierige Probleme der Regelungsentwicklung durch Verwendung von Simscape-Modellen lösen. Eine hochentwickelte Linearisierung und automatische Techniken zur Optimierung der Regler helfen Ihnen dabei, komplexe Regelstrategien anzuwenden und schnell Regler-Verstärkungen zu finden, mithilfe derer die Ziele hinsichtlich Stabilität und Reaktionszeiten erreicht werden können. Mithilfe von Profiling- und Advisor-Tools können Engpässe in Ihrer Simulation erkannt werden und Ihr Modell kann verbessert werden.


Konvertierung in C-Code

Außerdem können Sie Simscape-Modelle mithilfe von Simulink Coder in C-Code konvertieren. Durch die Konvertierung von Simscape-Modellen in C-Code können diese für Aufgaben wie z. B. HIL-Testen und Optimierung verwendet werden, bei denen Batch-Simulationen durchgeführt werden. Konvertierung in C-Code ermöglicht außerdem das Freigebengeschützter Modelle.

Konvertierung in C-Code

Testen ohne Hardware-Prototypen

Simscape-Modelle ermöglichen Ihnen das Testen eingebetteter Steueralgorithmen und Controller-Hardware ohne die Verwendung von Hardware-Prototypen. Zusätzlich zu Software-in-the-Loop (SIL) und Prozessor-in-the-Loop (PIL)-Tests können Sie durch Konvertieren Ihrer Simscape-Modelle in C-Code Hardware-in-the-Loop (HIL)-Tests durchführen. Dadurch können Sie eingebettete Steuerungen ausprobieren (ohne dabei irgendwelche Geräte oder Mitarbeiter zu gefährden) und somit die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass Ihr System sich wie angegeben verhält, wenn der Controller an das tatsächliche System angeschlossen wird.

Volvo CE entwickelt den Human-in-the-Loop-Simulator mit Simscape  (User Story) Volvo Construction Equipment tested new concepts for construction equipment, reduced the number of prototypes by 30-50%, and resolved field issues faster.

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Ausführen der Batch-Simulationen

Viele technische Aufgaben, wie Optimierungen und Parametersweeps machen das Ausführen mehrere Simulationssätze notwendig. Die Konvertierung Ihres Simscape-Modells in C-Code ermöglicht die effiziente Ausführung dieser Aufgaben. Sie können einzelne Simulationen beschleunigen und Batches von Simulationen parallelüber mehrere Prozessoren oder verteilt über ein Rechen-Cluster ausführen.


Freigeben von Modellen

Durch Simscape können Sie Ihre erworbene Software effizient nutzen, wenn Sie Modelle freigeben, die Simscape-Add-On-Produkte verwenden. Außerdem bietet es Methoden zum Freigeben von Modellen bei gleichzeitigem Schutz Ihres geistigen Eigentums.

Freigeben von Modellen

Zugriff auf Funktionen in Simscape-Add-On-Produkten

Bei Verwendung von Simscape Editing Mode können Simscape-Benutzer viele Aufgaben auf Modellen ausführen, die Simscape-Add-On-Produkte verwenden, auch wenn Sie diese nicht erworben haben. Diese Aufgaben umfassen Anzeige, Simulation und Ändern von Parameterwerten im Modell. Ihr Team kann folglich hochentwickelte Komponenten und Funktionen aus der gesamten Simscape-Produktfamilie nutzen, ohne dass jeder Ingenieur eine Lizenz für jedes Simscape-Add-On-Produkt erwerben muss.

Arbeiten mit Simscape-Modellen
Aufgabe Modellentwickler
(Käufe Simscape und Simscape-Add-on-Produkte)
Modellbenutzer
(Käufe Simscape)
Simulieren
Protokolldaten und Plotergebnisse
Numerische Parameter ändern
Code mit Simulink Coder generieren

Simscape Multibody-Animationen anzeigen

Zugriff auf PowerGUI Funktionen und Einstellungen

Blockparametrierungsoptionen ändern

 

Physikalischen Verbindungen herstellen oder trennen

 

Freigeben von geschützten Modellen

Sie können bei gleichzeitigem Schutz Ihres geistigen Eigentums Simscape-Modelle für andere Benutzer freigeben. Sie können benutzerdefinierte Komponenten schützen, die mit der Simscape-Sprache sowie Subsystemen, die Simscape-Blöcke enthalten, definiert wurden. Das Freigeben dieser Modelle ermöglicht es anderen Benutzern, Simulationen auszuführen, Parameter zu variieren und diese in C-Code zu konvertieren, verhindert jedoch, dass diese die ursprüngliche Implementierung sehen.


Simscape in Forschung und Lehre

MATLAB, Simulink und Simscape werden an vielen führenden Universitäten verwendet. Lehrkräfte können die Modellierung und Simulationen mit einer 3D-Visualisierung verwenden, um Studenten mit realistischen Beispielen einzubeziehen und das Theoriewissen lebhaft zu gestalten. Mithilfe der Simulation können Studenten Prototypen in einer virtuellen Umgebung erstellen, wodurch sie ermutigt werden, neue Entwürfe auszuprobieren und den gesamten Parameterbereich zu erkunden. Mithilfe der Simulation können sie ihre Entwürfe für Forschungsprojekte und Studentenwettbewerbe optimieren. Da diese Produkte auch häufig in Industriebranchen wie der Automobilindustrie, der Luftfahrt und der Robotik verwendet werden, sind Studenten, die gerade Ihren Abschluss gemacht haben und Erfahrung mit MATLAB, Simulink und Simscape haben, bei Arbeitgebern beliebt.

Erfahren Sie mehr darüber, wie Sie Studenten für Modellierung und Simulation begeistern.

Die Marquette University nimmt Simscape in den Lehrplan auf  (User Story) Students acquire engineering communication skills and are motivated with real-world challenges. Graduates are prepared for their careers.

Simscape in Forschung und Lehre