Simscape Multibody 教程 —— 入门学习

写在前面

本文要点：

• Simscape Multibody 简介
• Simscape Multibody 入门学习的推荐学习材料和学习顺序
• 建模仿真过程中的重要知识
  • 模型的参数设置（Model Workspaces）
  • 模型求解器（Solver）的选择

对于MATLAB系列的所有产品，个人认为 最好的学习材料 都是 MathWorks 公司提供的官方文档，非常清晰，也非常详尽。本文的大部分内容也都是基于官方文档，我也极力推荐大家以阅读官方文档为先（阅读英文版更好）。但个人学习过程中感觉学习官方文档可能存在的问题是：文档特别多，不知道该从哪个页面入手，学习顺序应该怎样。所以在这里，我会对我探索后觉得比较合适的阅读学习顺序进行梳理。

我开始学习使用Simscape Multibody的契机是最近要做一个关于线状柔性体 (Deformable Linear Object) 操作控制的项目，需要首先对柔性体进行物理建模。物理建模首选当然是找一找有没有现成的仿真平台可以使用，经过调研和查找之后，发现在 Simulink 环境中有一个叫作 Simscape 的模块，其中的 Simscape Multibody 模块似乎可以达成这个目的。于是开始学习 Simscape 和 Simscape Multibody，并探索如何使用它对线状柔性体进行简单的仿真。现在这个仿真的 demo 已经基本做出来了，如何对线状柔性体进行仿真我将会在以后的文章中进行介绍，本文用来介绍一下如何入门 Simscape Multibody 模块。

对于Simulink我就不过多介绍了，进入大学，一定会使用到 MATLAB ，也一定会听说过 Simulink。Simulink 是一个超级超级强大的仿真平台，除了生孩子啥都能干（笑）。对于 Simulink 的学习，首先建议阅读 [Simulink 官方文档]（https://ww2.mathworks.cn/help/simulink/index.html），另外如果想深入学习 Simulink 作为以后安身立命的家伙事儿的话，可以阅读《Simulink仿真及代码生成技术入门到精通》书籍。

Simscape Multibody 简介

Simscape 是 Simulink 的一个模块，而 Simscape Multibody 又是 Simscape 的一个模块。其关系如下：(官方介绍)

• Simulink ： 一个模块图环境，用于多域仿真以及基于模型的设计。它支持系统级设计、仿真、自动代码生成以及嵌入式系统的连续测试和验证。Simulink 提供图形编辑器、可自定义的模块库以及求解器，能够进行动态系统建模和仿真。Simulink 与 MATLAB 相集成，这样您不仅能够在 Simulink 中将 MATLAB 算法融入模型，还能将仿真结果导出至 MATLAB 做进一步分析。
  • Simscape : 可让您在 Simulink 环境中迅速创建物理系统的模型。通过 Simscape，您可以基于物理连接直接相连模块框图建立物理组件模型。通过将基础组件依照原理图装配，为电机、桥式整流器、液压致动器和制冷系统等系统建模。Simscape 附加产品提供了更多复杂组件和分析功能。
    • Simscape Multibody : （前身为 SimMechanics）提供了适用于 3D 机械系统（例如机器人、汽车悬架、建筑设备和飞机起落架）的多体仿真环境。您可以使用表示刚体、关节、约束、力元件和传感器的模块对多体系统进行建模。Simscape Multibody 会建立整个机械系统的运动方程并进行求解。您可将完整的 CAD 装配件（包括质量、惯性、关节、约束和 3D 几何结构）导入到模型。您可在自动生成的 3D 动画中查看系统动态。Simscape Multibody 可帮助您开发控制系统并测试系统级性能。

简言之，Simscape 是以非常直观的形式对物理系统进行仿真的，而 Simscape Multibody 是其中专门用来对机械系统进行仿真。官方有一个视频简介，可以让你很直观地了解 Simscape Multibody 的作用。我感觉，它区别于 Simscape 基础模块的一个重要内容就是，它可以在三维空间进行仿真，并且可以给出渲染后的三维系统。

注： 我现在使用的 MATLAB 版本是 R2019b（最新版），在我学习的过程中发现，像 Simscape Multibody 这种比较新的工具模块，更新是比较多的。我之前用的是 R2018a，发现其中很多内容和最新的官方文档都不完全一样（例如选项的位置，机械部件的种类等）。所以，在大家学习的过程中，非常建议将自己的 MATLAB 版本更新至于官方文档一致。

Simscape Multibody 入门学习

那么，如何来学习 Simscape Multibody 呢？我个人认为，以下的入门学习流程是比较合适的：

1. 通过官方文档中的例子初步了解 Simscape
2. 通过官方文档中的例子初步了解 Simscape Multibody
3. （根据需要，阅读其它的官方文档）
4. 通过官方提供的 examples 进行学习

通过例子初步了解 Simscape

既然 Simscape Multibody 是 Simscape 的一个子模块，那当然要先了解一下 Simscape 了。建议通过官方文档中的一个例子来了解：Essential Steps for Constructing a Physical Model。这个例子讲了如何建立一个质点-弹簧-阻尼（Mass-Spring-Damper）系统，并对其进行 PID 控制。这个例子非常详细，即使之前完全没有用过 Simulink，也可以根据教程进行操作，非常适合用来入门，通过例子来对 Simscape 进行形象直观的了解。

通过例子初步了解 Simscape Multibody

Simscape 基础模块大概了解一下就可以了，下面直接进入对于 Simscape Multibody 的学习。还是推荐通过官方文档中的例子来了解：Getting Started with Simscape Multibody。这个例子分四步介绍了如何从零开始，建立一个单摆的仿真模型。

通过学习该示例教程，可以简单体会 Simscape Multibody 的思想，以及建模仿真的基本流程。以后遇到更复杂的模型，都是在这种简单模型的基础上，一点点叠加构成的。所以掌握好这个例子，就可以为之后学习更复杂的例子，打下很好的基础。

注： 在跟随该教程建立了一个单摆的仿真模型后，我建议，可以直接在该模型的基础上，自己动手实践，将其升级为一个双摆模型，并进行仿真实验。以此简单检验自己的掌握程度，锻炼自己的操作水平。

（根据需要，阅读其它的官方文档）

除了 Getting Started 之外， Simscape Multibody 的官方文档 还包括很多很多的内容。但是我个人感觉，其它的内容比较细致，也比较杂。按顺序阅读是不太现实的。建议等到需要用什么功能、什么模块的时候，再按需求查阅，进行学习。在官方文档页面的右上角搜索栏，输入需要搜索的内容，可以很方便的检索到相关的文档。

通过官方提供的 examples 进行学习

官方文档的阅读是需要不断进行的，但不动手实践，没有示例支持，学习官方文档是艰涩的。Simscape Multibody 提供了很多个 Examples，个人感觉，通过这些已建立好的模型进行学习，是特别直观和有效的（就好像刷点题之后，对概念的理解会更加深入）。

点进某一个模型后，有对这个模型的简单介绍。再点击页面右上角 View MATLAB Command 图标，会显示该模型的命令，在MATLAB软件的命令行窗口中输入该命令，就可以直接大概该模型的Simulink界面。

对官方模型的每一个细节都好好研究一番，对建立自己的模型是非常有帮助的。同时，Examples 中的模型的复杂程度也是由简入繁，适合循序渐进的学习。后面的模型已经很复杂了，大家可以根据自己的情况，研究到自己觉得够用了就可以了。

自此，对于 Simscape Multibody 的入门学习基本就完成了。我学完这些内容大概用了两天时间（因为在探索怎么学，所以效率较低），相信大家的学习速度肯定会快很多。

建模仿真过程中的重要知识

下面记录一些自己在学习建模仿真过程中，觉得比较基础也比较重要，有必要展开了详细学习的内容。我也是刚刚开始探索和学习，这也是我掌握程度不断提升的过程。

这些知识的列举顺序，大概就是我在学习和实践中遇到这些问题的顺序，所以对大家应该也有些参考价值。

依然是以官方文档为最高参考资料。

模型中的参数设置

模型中肯定少不了参数，那么怎么对模型中的参数进行设置（或者说，模型中的参数是从哪里读取的）呢？

模型中的参数是存储在 model workspaces 中的。就像 MATLAB 有工作区（Base Workspaces）一样，每一个模型也有自己的工作区。model workspaces 的相关介绍: (https://ww2.mathworks.cn/help/simulink/ug/using-model-workspaces.html?lang=en)，页面下方的 Related topics 中有更详细的介绍。

关于如何更改 model workspaces 中存储的 data，参考文档：(https://ww2.mathworks.cn/help/simulink/ug/change-model-workspace-data.html?lang=en)。

求解器（Solver）的设置

系统的仿真，必然是需要微分方程的求解的。在 Simulink 中， 微分方程的求解是自动完成的，但是需要自己选择合适的求解器（Solver），并设置合适的求解器参数。

关于如何选择合适的求解器，参考文档：(https://ww2.mathworks.cn/help/simulink/gui/solver.html)。

一般来说：

1. 首先尝试 ode45
2. ode45 失败或低效，则尝试 ode15s（最适合刚性问题）
3. ode15s 难以处理的问题，可尝试 ode23t（容差较宽松的条件下，更高效）

持续学习和更新中 ……