MathWorks Simscape 在学术研究中的应用
主要特性

与Simulink® 控制算法在同一环境下仿真多域物理系统
物理建模模块，涵盖 10 个以上物理域，包括机械、电气、液压和两相流
基于 MATLAB® 的 Simscape™ 语言，支持使用文本定义物理建模组件、域和库
符号方程降阶以及适用于微分代数方程 (DAE) 组的求解技术，包括事件处理
用于实时仿真和硬件在环 (HIL) 测试的专业求解方法
参数和变量都有物理单位，并自动进行单位转换
可以仿真使用 Simscape 附加产品模块的模型，而无需购买这些产品
（利用 Simulink Coder™）支持生成 C 代码
多域原理图

Simscape™ 产品提供了一个自然、高效方法来构造物理系统的数学模型。通过物理连接来创建多域原理图，这些产品可让您改变系统设计而无需推导和实现系统级方程。

共享模型
使用物理连接建模

Simscape 组件代表物理元件，如泵、电机和运算放大器。模型组件之间的连线与实际系统的物理连接对应，表示能量传递。通过这种方法，您描述的是系统的物理结构，而非底层的数学原理。电子、机械、液压及其他物理连接在多域原理图上使用不同颜色线条表示它们的物理领域。您可以直接看到哪些系统存在于您的模型中，以及这些系统之间是如何相互连接的。

ABB, Deltamarin, and VTT Simulate and Optimize Ship Energy Flows
ABB、Deltamarin 和 VTT 都利用 Simscape 来优化船舶能量流 Engineers reduced testing costs by tens of thousands of euros, optimized multiple subsystems within the ship, decreased fuel use, and improved energy recapture.

深入了解图片库（4 张图像）
Simscape 产品系列

Simscape 产品系列包括涵盖众多应用程序的六大产品。您可以将任意一组 Simscape 附加产品与 Simscape 平台结合，为多域物理系统建模。这些附加产品包括高级模块和分析方法。

Simscape™
Simscape Driveline™
Simscape Electronics™
Simscape Fluids™
Simscape Multibody™
Simscape Power Systems™
simscape_fig5
Simscape 产品系列在 Simulink 库浏览器中显示（左）。这些产品提供了上百个组件（示例在右上角）和高级分析工具，包括 Simscape Multibody 的 3D 动画（右）。
编译模型

您可以通过将各组件装配成原理图来创建 Simscape 模型。提供了许多组件模型，您可以自定义这些模型或者创建自己的模块库。也可以使用 MATLAB 和 Simulink 中的功能来自动执行许多模型构造任务。

编译模型
Foundation 库

Simscape 提供的组件库覆盖了十个以上不同的物理领域。每个领域都提供了基本元件，如机械弹簧、电阻器、液压孔、气动室和流体贮存器。您可以组合这些元件，为更复杂的组件建模，如电机、液压阀以及涵盖多个物理领域的其他组件。

Vintecc Develops PLC System for Multi-Axle Harvesting Machine Using Model-Based Design
Vintecc 利用 Simscape 为多轴收割机建模 Vintecc verified 90% of its control system design before hardware was available, shortened its development schedule by months, and implemented new features within days.
simscape_fig6
Simscape Foundation 库，见 Simulink 库浏览器中的图示（左）。它为各物理域提供了上百个组件（示例模块，右）。
建模编辑器

Simulink 建模编辑器可帮助您高效构造模型。您可以通过输入组件名称来浏览提供的上百个组件。该编辑器为您提供了适用于您上次连接的物理组件列表。其他功能减少了您构造模型所需要的点击和拖曳的工作量。

深入了解图片库（2 张图像）
自动执行建模任务

您可以使用 MATLAB 的功能来自动构造和参数化您的模型。您可以通过编程来添加模块、添加连接以及删除线条或模块。也可以利用 MATLAB 函数，根据模块属性在图中定位模块并设置参数值。通过这些功能，您可以在数秒内构造复杂模型、调整参数值并配置组件。

深入了解图片库（2 张图像）
创建组件

Simscape 产品所提供的丰富组件库是专门设计，用来帮助您创建自定义组件的。您可以创建与您的系统设计完全符合的组件，只描述分析任务所需要的模型细节。

Thermal Systems Modeling Consulting Services
MathWorks 咨询工程师协助您为您的应用程序开发自定义的模块库。
创建组件
可重用装配件

您可以将一组 Simscape 组件装配成原理图，然后将此图放入具有物理连接端口的子系统。通过物理连接，您可以为自定义组件定义清晰、一致的界面，您可以在其他模型中重用它们。您可以让此组件的用户通过对话框来访问参数，并将所链接的自定义文档集成到 MATLAB 帮助浏览器。重用的方便性可以提高工程团队的工作效率。

FMTC Designs and Optimizes a Hybrid Hydrostatic Drivetrain with Model-Based Design
FMTC 利用 Simscape 优化了混合液力动力总成系统 FMTC engineers reduced fuel use by 25%, shortened analysis time by 75%, and reduced total cost of ownership by 15%.
simscape_fig11
使用 Foundation 库模块（下）建立的参数化组件（左上角）。用户可以在对话框（右上角）中编辑主要参数。
Simscape 语言

所有 Simscape 组件都可以利用 Simscape 语言进行定义，该语言是基于 MATLAB 编程语言。通过这种面向对象的建模语言，您可以定义自己的自定义组件，包括参数化、物理连接端口以及以隐式 DAE 表示的方程。通过 Simscape 语言，您可以精确指定您的模型中需要考虑哪些影响。因此您可以在模型逼真度和仿真速度之间进行权衡。
 

深入了解图片库（4 张图像）
仿真模型

Simscape 仿真技术可让您在各种各样的工程任务中利用仿真。例如，您可以使用 Simscape 模型在开发周期的早期细化需求，优化系统级设计，以及测试嵌入式控制器而无需硬件原型。Simscape 可提高您在整个开发过程中的工作效率。

仿真模型
方程降阶和求解技术

您可以依赖 Simscape，自动提取您的整个物理系统方程。在原理图解析后，Simscape 使用符号运算和指数还原来确定最有效代表您系统的数学形式。专用仿真技术将DAE方程组与模型剩余部分一起直接求解。

丰田使用高精度发动机模型和SIL+M前置开发发动机控制系统
Toyota 使用 Simscape 开发发动机模型用于 SIL 和 MIL 测试 Toyota created a comprehensive model with thousands of equations, tested the controller under challenging edge cases, and verified control software before in-vehicle testing.
实时仿真

Simscape 利用专用仿真技术让您的仿真可实时运行。您可以同时配置显式和隐式求解器，限制单位时间步长的运算量，同时保持您需要的精度。您可以对同个模型的不同部分使用不同的求解器，以最大程度减少执行时间。这些功能可让您将 Simscape 模型用于 HIL 测试、训练仿真器，以及其他仿真执行必须与实时系统同步的情况。

MATLAB 支持的功能

通过 MATLAB 的强大功能，您可以利用 Simscape 仿真有效解决具有挑战性的问题。利用 MATLAB 代码，可以自动执行任何仿真任务。优化算法可帮助您快速确认适合您的设计的最佳参数集或组件集。通过在多核或计算群集上并行运行仿真，可以加速优化和参数扫描。

分析结果

Simscape 分析功能可让您快速探索和改进您设计的性能。您可以使用这些功能来确保 Simscape 模型包含适合您任务的细节量。

分析结果
深入了解仿真结果

通过 Simscape Results Explorer，您可以快速深入了解 Simscape 模型的仿真结果，包括变量值和事件计时。您可以直接从结果图跳转到模型（模块和个别方程）以研究您所看到的行为的原因。通过 MATLAB 代码，您可以自动进行任意分析，包括基于时间、频率和事件的分析。

MathWorks User Stories
Carnegie Energy 利用 Simscape 设计了波能发电厂 Engineers used simulation to estimate components’ loads, gained crucial insights into system behavior, and accelerated sensitivity studies via parallel computing.
simscape_fig16
适用于深入了解 Simscape 模型（左）的所有仿真结果的 Simscape Results Explorer（右）。您可以在原理图和仿真结果之间进行来回跳转。
衡量模型复杂度

要确认模型的计算密集部分，您可以量化模型的复杂度，如变量数、可能触发事件的方程数以及约束条件数。它们可帮助您确定您的更改是否可能提高模型仿真性能。Simscape Statistics Viewer 直接与模型（模块和变量）链接，可帮助您调整模型逼真度。

simscape_fig17
用于衡量 Simscape 模型（左）复杂度的 Simscape Statistics Viewer（右），它显示保留的变量、消除的变量及其他统计信息。您可以直接追溯到模型中的源头（模块或方程）。
Simulink 支持的功能

Simulink 功能可让您利用 Simscape 模型解决具有挑战性的控制设计问题。高级线性化和自动控制调整技术可帮助您应用复杂的控制策略，并快速找到满足鲁棒性和响应时间目标的控制器增益。分析及顾问工具可确定仿真中的瓶颈，并帮助您改善模型。

转换为 C 代码

您可以利用 Simulink Coder 将 Simscape 模型转换为 C 代码。将 Simscape 模型转换为 C 代码，可用于 HIL 测试和需要运行很多次仿真的优化任务中。转换为 C 代码依然支持共享模型保护。

转换为 C 代码
测试无需硬件模型

有了 Simscape 模型，您可以测试嵌入式控制算法和控制器硬件，而无需使用硬件原型。除了软件在环 (SIL) 和处理器在环 (PIL) 测试外，将 Simscape 模型转换为 C 代码还可让您运行硬件在环 (HIL) 测试。因此，您可以在不危及设备和人员的情况下测试嵌入式控制器，并且在您将控制器连接到真实系统时，增加系统按预期运行的成功率。

Volvo Construction Equipment Streamlines Product Development with a Real-Time, Human-in-the-Loop Simulator
Volvo CE 利用 Simscape 开发了人员在环仿真器 Volvo Construction Equipment tested new concepts for construction equipment, reduced the number of prototypes by 30-50%, and resolved field issues faster.

深入了解图片库（2 张图像）
运行批量仿真

许多工程任务，如优化和参数扫描，都需要运行多组仿真。将 Simscape 模型转换为 C 代码可让这些任务更高效执行。您可以加速单词仿真，以及将批量仿真发布到多个处理器上或者计算群集。

共享模型

Simscape 可帮助您在共享使用 Simscape 附加产品的模型时有效使用购买的软件。它还提供了共享模型的方法，同时保护您的知识产权。

共享模型
访问 Simscape 附加产品中的功能

利用Simscape 编辑模式，即使没有购买附加产品，Simscape 用户也可以使用含 Simscape 附加产品的模型完成各种分析任务。这些任务包括模型查看、模型仿真和更改参数值。因此，您的团队可以充分利用整个 Simscape 产品系列中提供的高级组件和功能，而不需要让每个工程师都购买每个 Simscape 附加产品的许可证。

  使用 Simscape 模型 
任务 模型开发人员
（购买 Simscape 和 Simscape 附加产品） 模型用户
（购买 Simscape）
仿真  
记录数据并绘制结果图  
更改数值参数  
利用 Simulink Coder 生成代码  
查看 Simscape Multibody 动画  
访问 PowerGUI 函数和设置  
更改模块参数化选项  
进行或断开物理连接  
共享受保护的模型

您可以在保护知识产权的同时与其他用户共享 Simscape 模型。您可以保护利用 Simscape 语言定义的自定义组件及包含 Simscape 模块的子系统。共享这些模型可让其他用户运行仿真、改变参数并将其转换为 C 代码，但是不能查看模型内容。

Simscape 在学术研究中的应用

许多领先的大学都在应用 MATLAB、Simulink 和 Simscape。教育工作者可以将建模和仿真与 3D 可视化 配合使用，以让学生能够接触到实例，实践课堂理论。通过仿真，学生可以在虚拟环境中制作原型，从而鼓励他们试验新的设计，探究整个参数空间。仿真可让学生们优化研究项目和学生竞赛中的设计。由于这些产品在各个行业中也得到了广泛的应用，如汽车、航天和机器人行业，具有 MATLAB、Simulink 和 Simscape 经验的毕业生是非常受雇主欢迎的。