カスタム コンポーネントとカスタム ライブラリの作成

この例では、車両の暖房、換気、および空調 (HVAC) システムにおける湿り空気の流れをモデル化します。車室は、外部環境と熱を交換する湿り空気のボリュームとして表されます。湿り空気は、再循環フラップ、送風機、蒸発器、ブレンド ドア、およびヒーターを経由して流れた後に車室に戻ります。再循環フラップは、車室から吸気するか外部環境から吸気するかを選択します。ブレンダー ドアは、流れをヒーター周辺に迂回させて温度を制御します。

この例では、圧力、温度、湿度、オゾン (O3) を制御して快適かつ安全な機内環境を維持する、航空機の環境制御システム (ECS) をモデル化します。冷却と除湿はエア サイクル マシン (ACM) によって行われますが、この ACM は逆ブレイトン サイクルとして動作し、加圧された高温エンジン抽気空気から熱を除去します。高温抽気空気の一部は、温度を調節するために、ACM の出力と直接混合されます。加圧は、機内の流出バルブによって維持されます。このモデルでは、ECS の作動が高温の地上条件から低温の巡航条件に移り、低温の地上条件に戻る様子をシミュレートします。

この例では、プロトン交換膜 (PEM) 燃料電池スタックをカスタム Simscape™ ブロックでモデル化する方法を示します。PEM 燃料電池では、水素と酸素を消費して水蒸気を生成することにより発電します。カスタム ブロックは膜電極接合体 (MEA) を表し、一方はアノード気体流、もう一方はカソード気体流に用いる、2 つの別々の湿り空気ネットワークに接続されています。

この例では、プロトン交換膜 (PEM) 水電解槽をカスタム Simscape™ ブロックでモデル化する方法を示します。PEM 電解槽では、電力を消費して水を水素と酸素に分解します。カスタム ブロックは膜電極接合体 (MEA) を表し、熱流体ネットワークと 2 つの別々の湿り空気ネットワークに接続されています。熱流体ネットワークで給水、アノード湿り空気ネットワークで酸素の流れ、カソード湿り空気ネットワークで水素の流れをモデル化しています。

この例では、Simscape™ のサンプル ライブラリ Capacitors_lib の使用方法を説明します。モデルはサンプル ライブラリのコンポーネントを使用して作成されます。回路は 0.05 A の定電流源でウルトラコンデンサを充電し、負荷に対して電流パルスを供給します。ウルトラコンデンサは、電流源からの直接供給よりもはるかに大きな電流の供給を可能にします。ライブラリには、忠実度が異なる複数のコンデンサ モデルが含まれており、性能の低下と非線形性の影響を調べることができます。

この例では、集中定数伝送線路モデルを説明します。これは単一の T 型セグメントを定義するカスタム Simscape™ コンポーネントで構築されています。このモデルでは、長さが各 0.1 m の 50 個のセグメントが連結され、長さ 5 m の同軸ケーブルがモデル化されます。シミュレーション結果から、伝送遅延を観測できます。

この例では、カスタム熱流体ブロックを使用して基本的なエンジン冷却システムをモデル化する方法を示します。固定容量型ポンプは冷却回路に水を通します。エンジンからの熱は冷却液によって吸収され、ラジエーターを通じて放散されます。システム温度はサーモスタットによって制御されます。これにより、温度がしきい値を上回っている場合にのみ、水流がラジエーターに向けられます。

この例では、ブレイトン サイクルに基づくガス タービンの補助動力装置 (APU) をモデル化します。Compressor ブロックと Turbine ブロックは、Simscape™ Foundation Gas ライブラリに基づいたカスタム コンポーネントです。システムへの動力入力は燃焼器への熱注入によって表され、実際の燃焼化学はモデル化されません。タービンからの動力がコンプレッサーを駆動するように、単一のシャフトでコンプレッサーとタービンが連結されています。APU は、排気流をさらに膨張させて出力動力を生成するフリー タービンです。

この例では、ランキン サイクルに基づく蒸気タービン システムをモデル化します。サイクルには過熱および再加熱が含まれており、それぞれが高圧タービンと低圧タービンでの凝縮を防ぎます。サイクルには再生もあり、抽気蒸気を密閉型給水加熱器に通すことによって水を温め、サイクル効率を向上させます。

この例では、Simscape™ のサンプル ライブラリ ElectroChem_lib の使用方法を説明します。モデルでは、Fe3+ イオンが還元されて Fe2+ になり、Pb が酸化されて Pb2+ になることで化学エネルギーが放出されます。Pb が酸化されて Pb2+ になるときに 2 つの電子が交換されるため、鉛イオンのモル流量は鉄イオンの半分です。Pb ソースの化学ポテンシャルは固体なので、慣例としてゼロとされます。

この例では、等価回路コンポーネントの非線形方程式を実装するために、Simscape™ 言語を使って鉛蓄電池をモデル化する方法を説明します。この方法を使用すると、Simulink® で全体をモデル化する場合よりも簡単にモデルのコンポーネントと物理的定義方程式の関係を理解できます。方程式の定義とその検証については、次の文献を参照してください。Jackey, R. "A Simple, Effective Lead-Acid Battery Modeling Process for Electrical System Component Selection", SAE World Congress & Exhibition, April 2007, ref. 2007-01-0778

この例では、Simscape™ 言語を使用してリチウム電池をモデル化し、1 つの RC 分岐を伴う等価回路モデルの要素を実装する方法を説明します。方程式の定義とその検証は、T. Huria, M. Ceraolo, J. Gazzarri, R. Jackey. "High Fidelity Electrical Model with Thermal Dependence for Characterization and Simulation of High Power Lithium Battery Cells," IEEE International Electric Vehicle Conference, March 2012 を参照してください。

この例では、Simscape™ 言語を使用してリチウム電池をモデル化し、2 つの RC 分岐を伴う等価回路モデルの要素を実装する方法を説明します。方程式の定義とその検証は、T. Huria, M. Ceraolo, J. Gazzarri, R. Jackey. "High Fidelity Electrical Model with Thermal Dependence for Characterization and Simulation of High Power Lithium Battery Cells," IEEE International Electric Vehicle Conference, March 2012 を参照してください。

この例では、直列に接続された複数のセルで構成される電池パックのシミュレート方法を説明します。また、セルの 1 つに故障を発生させて、電池のパフォーマンスとセルの温度への影響を確認する方法についても説明します。電池パックは、配列を使用してセルのモデルを直列接続することによって、Simscape™ 言語でモデル化されます。故障状態のセルにさまざまなパラメーターを定義することによって、故障を表すことができます。

この例では、Simscape™ を使用して可変伝達遅延をモデル化する方法を説明します。Transport Delay ブロックは、入力端子と出力端子の間を移動するメディアを通した信号伝播をモデル化します。メディアの速度は変動する場合があるため、ブロックの端子を介して指定されます。端子間の距離および初期出力間の距離は定数であり、ブロック パラメーターとして指定されます。

この例では、Simscape™ Foundation Library の PS Asynchronous Sample & Hold ブロックを使用して、より複雑な動作のコンポーネントを作成する方法を説明します。このモデルでは、制御可能な PWM 電圧源が実装されます。PWM がオンの時間 (デューティ比) は物理量信号入力 u に比例します。

この例では、離散時間 Simscape™ Foundation Library の PS Counter ブロックを使用して、より複雑な動作のコンポーネントを作成する方法を説明します。このモデルでは、制御可能な PWM 電圧源が実装されます。PWM がオンの時間 (デューティ比) は物理量信号入力 u に比例します。

この例では、制御されたアクチュエータを、簡略化されたカスタムの空気圧コンポーネントを使用してモデル化する方法を説明します。圧力と温度として定義された 2 つのアクロス変数、および質量流量と熱流量として定義された 2 つのスルー変数があります。アプローチが簡略化されているということは、回路内のすべてのノードに、そのノードに関連付けられた気体体積がなければならないことを意味します。回路内の気体の物理的体積は、Constant Volume Pneumatic Chamber ブロック、Pneumatic Piston Chamber ブロックおよび Pneumatic Atmospheric Reference ブロックによって表されます。一方、Foundation Library の気体コンポーネントでは、各ノードにおけるこのような接続ルールは必要ありません。Foundation Library の気体コンポーネントを使用して空気圧システムをモデル化する、より機能的な方法については、空気圧駆動回路の例を参照してください。

この例では、Simscape™ 関数を作成して Simscape 式で数値を計算する方法、および Simscape 関数を使用してコンポーネント間でのコード再利用向上の方法を説明します。上 2 つの Simscape Component ブロック ("Use no Simscape functions" のボックス内) は、それぞれ 2 つの Simscape コンポーネント ファイルを使用して作成されています。これら 2 つのコンポーネント ファイルを比較すると、方程式の右辺の数値計算部分に類似の Simscape 式が確認できます。これは、基本的に、i の大きな振幅に対する保護を提供するための exp(i) の変更です。このような式は、標準的なダイオードのモデル化では一般的なものです。Simscape 関数を使用すると、このような式は Simscape 関数ファイル内に抽象化され、コンポーネント ファイル内での式の使用はこうした Simscape 関数の呼び出しに置き換えられます。下 2 つの Simscape Component ブロック ("Use Simscape functions" のボックス内) は、Simscape 関数を使用するコンポーネント ファイルで作成されています。

この例では、理想的なハード ストップの両端間でカートが跳ね返り、カート上で質量が自由にスライドする様子を説明します。質量とカート間の摩擦は、理想的な、モード チャートベースの Friction ブロックを使用してモデル化し、一方でハード ストップは、瞬間的なモードと entry アクションを使用してモデル化します。ハード ストップの境界にカートが衝突すると、衝撃力が上部の質量に伝播し、静的摩擦モードから動的摩擦モードに遷移して、質量が変位する原因となります。