Simscape

Aus SystemPhysik
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Simscape ist eine proprietäre Sprache von Mathworks zur Modellbildung und Simulation komplexer Systeme mit hydraulischen, elektrischen, mechanischen und thermischen Komponenten. Diese auf Matlab basierende Sprache erlaubt eine Formulierung von Komponenten oder ganzen Bibliotheken mittels normalen Gleichungen. Die Semantik von Simscape basiert auf Modelica und/oder VHDL-AMS.

Die auf dem zugeordneten Energiestrom basierende Idee der domainspezifischen, akausalen Verbindungselementen (Ports oder Konnektoren) hat eine verblüffende Ähnlichkeit mit dem Karlsruher Physikkurs. Die Modellierungsmethode, die man auch bei Modelica und VHDL-AMS wiederfindet, orientiert sich sehr stark an der Physik der dynamischen Systeme. Ohne Übertreibung kann die Systemphysik als theoretische Basis all dieser Sprache bezeichnet werden.

Basis

In jedem Zweig der Physik können zwei Grössen identifiziert werden, deren Produkt einen Energiestrom ergibt. Die Potenzialgrösse ϕ nennt man oft Across Varable, die Stromgrösse I Through Variable. Definiert man Verbindungen (Ports) mit je einem Paar solcher Grössen, lassen sich verschiedene Elemente zu ganzen Netzwerken zusammenfügen. Beim Zusammenfügen von zwei oder auch mehreren Ports zu einem Knoten (Node) werden automatisch folgende Gleichungen formuliert

Potenzialgleichung: [math]\varphi_1=\varphi_2=\varphi_3=..[/math]
Knotensatz: [math]\sum_i I_i=0[/math]

Die Potenzialgrössen werden im Gegensatz zum Maschensatz nur lokal verarbeitet. Zudem ist in den Ports keine Richtung vorgegeben (akausale Ports). Einzelne Elemente können eine beliebige Zahl von Ports aufweisen, die zu verschiedenen Zweigen der Physik gehören.

Simscape unterscheidet zwischen den folgenden Variablenpaaren

Port Type Across Variable Through Variable
Electrical Voltage Current
Hydraulic Pressure Flow rate
Mechanical rotational Angular velocity Torque
Mechanical translational Translational velocity Force
Pneumatic Pressure and temperature Mass flow rate and heat flow
Thermal Temperature Heat flow

Die ersten vier Paare gehorchen den Regeln des Karlsruher Physikkurses. Ihr Produkt beschreibt einen zugeordneten Energiestrom. Um diese Regel fortzusetzen müsste man in der Pneumatik den Massenstrom durch den Volumenstrom ersetzen. In der Thermodynamik wäre die Entropie statt die Wärme als Energieträger einzusetzen. Ein Mangel, den ¨Modelica in der Version 3 beseitigt hat, ist die fehlende Unterscheidung zwischen leitungsartigem und [ükonvektiv|konvektivem] Transport.

Bibliotheken

Die Basisbibliotheken von Simscape enthalten Basiselemente und einfache Komponenten aus folgenden Gebieten:

  • eindimensionale Translation
  • Rotation mit einem Freiheitsgrad
  • elektrische Netzwerke
  • Hydraulik
  • Pneumatik
  • Thermodynamik