Многорукий Шива: четыре способа моделировать электрику в Simscape Electrical

Много служб на свете есть,

Их вообще не перечесть…

Представьте, что вы закончили технический вуз… Впрочем, если вы читаете эту статью, то это наверняка так и есть. А раз вы закончили технический вуз, то можно уверенно утверждать, что вам там показывали Matlab и даже, возможно, Simulink. Уверенность, кстати, не голословная – даже если не брать в расчёт пиратские трофейные версии, у всех более-менее крупных вузов есть вполне официальные лицензии (просто об этом никто не знает, и все по привычке идут на торренты). Если Simulink вам понравился, то рано или поздно наступает момент, когда вы открываете для себя моделирование физических систем, то есть Simscape. А если к тому же в названии вашей специальности/кафедры/факультета есть буква «Э», то моделировать вы будете что-нибудь такое, где бегают электроны, а омы упорно сопротивляются тому, чтобы амперы пропихивали через них вольты – иначе говоря, электрику.

И вот тут выясняется, что в Simscape аж целых четыре библиотеки со словом electrical в названии:

Foundation Library -> Electrical

Electrical -> Electronics and Mechatronics

Electrical -> Power Systems

Electrical -> Specialized Power Systems

Названия привожу по версии R2018b; в последние годы они несколько менялись, но, если у вас версия старше, по тексту статьи сможете понять, о чём именно идёт речь.

Итак, кто, как говориться, есть ху?

Foundation Library -> Electrical

Что это: базовая библиотека.

Для кого: для всех и для каждого, а также неэлектриков.

Когда использовать: в простых схемах либо в системных моделях, где неважны эффекты низших порядков.

Входит в состав Simscape «минимальной комплектации». Изначально задумывалась для реализации только основных, именно что базовых схем: грубо говоря, воплощение закона Ома. Ведь, строго говоря, в первом приближении любую электрическую схему можно собрать из резисторов, катушек и конденсаторов; в крайнем случае, можно добавить ещё диод и взаимную индуктивность, и можно собирать схемы для конструктора «Юный электрик».

Однако даже и в этой простой (вроде как) библиотеке есть пара-другая интересных блочков. В пассивных элементах можно найти переменный резистор, резистор с тепловой характеристикой (об этом чуть ниже), гиратор и мемристор (сможете без Википедии сказать, что это за звери такие? Во-от, а они тут есть). В источниках лежат ИТУТ, ИНУТ, ИТУН и ИНУН (это не семейка гренландских троллей, а Источник Тока/Напряжения, Управляемый Током/Напряжением).

О тепловом резисторе скажем пару слов отдельно. Дело в том, что основа основ Simscape – это интеграция эффектов из разных дисциплин. Мы ведь в жизни редко видим эффекты только, например, гидравлические или тепловые, обязательно какую-то комбинацию. Ну там, зажгли плиту (химия), нагрели чайник (теплотехника), чайник засвистел (акустика), с него сорвало крышку (пневматика), крышка улетела в окно (механика) и так далее. Так и моделировании – электричество, как правило, нужно с чем-то комбинировать. Для этого и нужен тепловой резистор (электрика плюс теплотехника), а также вращательный и линейный электромеханические преобразователи (электрика плюс механика).

Отличительная черта всех блоков этой библиотеки – относительно малое количество параметров. Да, все базовые на месте, но тонких настроек нет. Но для её целей это и не нужно: с помощью Foundation Library строятся скорее функциональные схемы, а не принципиальные.

Electrical -> Electronics and Mechatronics

Что это: слаботочка, она же электроника.

Для кого: для схемотехников и примкнувших к ним приводчиков.

Когда использовать: в слаботочных схемах с логикой и транзисторами.

Мехатроника – это, как учит нас Википедия, область науки и техники, соединяющая в себе электронику и точную механику. Точная же механика – это механика, цель которой состоит не в совершении работы, а в получении информации. В соответствии с этим определением и формируется набор блоков в библиотеке Electronics and Mechatronics.

От электроники здесь довольно продвинутая схемотехника, причём уже более высокого уровня абстракции, чем транзисторы-резисторы: в разделе Integrated Circuits можно найти все основные «кирпичики» аналоговой схемотехники. Причём, в отличие от базовой библиотеки, здесь уже у элементов появляются настройки «неидеальности» – например, у операционного усилителя будет вполне конкретный конечный коэффициент усиления, а у компаратора есть задержка сигнала. Довольно неплох набор логических схем: имеется RS-триггер, таймер и даже триггер Шмитта.

От механики же – раздел Actuators&Drivers, и здесь действительно не столько электропривод, сколько актуаторы: шаговый двигатель, пьезоэлектрический двигатель, BLDC (вентильный двигатель), а также специфические исполнения вроде сервопривода в сборе или задатчика углового положения. Ну и, конечно, драйверы ко всем этим моторам не нужно собирать вручную – они лежат тут же рядом.

Довольно любопытно сравнить разделы Passive Devices и Semiconductor Devices с базовой библиотекой. Невооружённым глазом видно, что набор «основных» блоков вырос не меньше чем вдвое. Одних резисторов четыре штуки: просто резистор, потенциометр, варистор и даже диффузионный резистор (это такой, который формируют прямо на поверхности кристалл кремния в микросхемах). Да и в полупроводниках уже не один сиротливый диод, а целое семейство: MOSFET, IGBT, JFET и прочие полупроводники в разных вариантах. Кстати, сравните два диода: сверху диод из базовой библиотеки, снизу – из Electronisc&Mechatronics. Чувствуете разницу? Во втором случае можно задать не один десяток параметров, и даже указать несколько ВАХ (в зависимости от температуры).

Не отстаёт и раздел датчиков: не ограничиваемся током и напряжением, а измеряем всё подряд – хоть тепло термопарой, хоть движение датчиком расстояния. Помните, мы говорили, что Simscape хорошо интегрирует в себе модели из разных дисциплин? Вот ещё один тому пример. Вообще в специализированных библиотеках иной раз попадаются весьма экзотические блоки. Вот и тут, например, в числе источников есть не только солнечная ячейка, но и элемент Пельтье.

Во второй части статьи посмотрим на оставшиеся библиотеки: Power Systems и Specialized Power Systems (бывшая SimPowerSystems). Не переключайте канал, оставайтесь с нами!