simulink-builder

# Simulink 程序化建模技能 ## 快速开始 ### 环境要求 - Windows 系统 + MATLAB R2024a+ 已安装 - Simulink + Simscape Electrical (Specialized Power Systems) 已安装 - MATLAB MCP Server 已配置并连接 ### 工作流概览 ``` 用户输入（电路需求 + 参考图片） → 阶段1: 环境探测 → 阶段2: 参数计算 → 阶段3: 模型搭建+连线（含自动纠错） → 阶段4: 布局美化 → 阶段5: 仿真验证（含自动纠错） → 阶段6: 输出归档 ``` --- ## 阶段1：环境探测 ### 1.1 版本检测 ```matlab % 检查 Simulink 和 Simscape Electrical v = ver('simulink'); % Simulink 版本 v2 = ver('power_system'); % Simscape Electrical if isempty(v), error('Simulink 未安装'); end ``` ### 1.2 模块路径探测 核心问题：不同 MATLAB 版本的 powerlib 模块路径不同，不能硬编码。 必须用 try-add_block 方式逐个探测。 ```matlab % 模块探测表：按优先级排列候选路径 BLOCK_CANDIDATES = struct(); BLOCK_CANDIDATES.switch = {'powerlib/Power Electronics/MOSFET', ... 'powerlib/Power Electronics/IGBT', ... 'powerlib/Power Electronics/Ideal Switch'}; BLOCK_CANDIDATES.diode = {'powerlib/Power Electronics/Diode'}; BLOCK_CANDIDATES.thyristor = {'powerlib/Power Electronics/Thyristor'}; BLOCK_CANDIDATES.bridge = {'powerlib/Power Electronics/Universal Bridge'}; BLOCK_CANDIDATES.ac_source = {'powerlib/Electrical Sources/AC Voltage Source'}; BLOCK_CANDIDATES.dc_source = {'powerlib/Electrical Sources/DC Voltage Source'}; BLOCK_CANDIDATES.ctrl_vsource = {'powerlib/Electrical Sources/Controlled Voltage Source'}; BLOCK_CANDIDATES.transformer = {'powerlib/Elements/Linear Transformer'}; BLOCK_CANDIDATES.rlc = {'powerlib/Elements/Series RLC Branch'}; BLOCK_CANDIDATES.ground = {'powerlib/Elements/Ground'}; BLOCK_CANDIDATES.v_measure = {'powerlib/Measurements/Voltage Measurement'}; BLOCK_CANDIDATES.i_measure = {'powerlib/Measurements/Current Measurement'}; BLOCK_CANDIDATES.powergui = {'powerlib/powergui'}; function path = discover_block(candidates, model, temp_name) path = ''; for i = 1:length(candidates) try add_block(candidates{i}, [model '/' temp_name]); delete_block([model '/' temp_name]); path = candidates{i}; return; catch end end end ``` ### 1.3 端口结构探测 Simscape Electrical 模块有两类端口： | 端口类型 | 字段名 | 用途 | |---------|--------|------| | 物理左端口 | LConn | 电气连接（如集电极、阳极、输入端） | | 物理右端口 | RConn | 电气连接（如发射极、阴极、输出端） | | 信号输入 | Inport | 控制信号（如门极驱动、参考值） | | 信号输出 | Outport | 测量信号（如电压/电流测量值） | ```matlab ph = get_param(block_path, 'PortHandles'); n_LConn = length(ph.LConn); % 物理左端口数 n_RConn = length(ph.RConn); % 物理右端口数 n_Inport = length(ph.Inport); % 信号输入数 n_Outport = length(ph.Outport); % 信号输出数 ``` ### 1.4 参数名探测 不同版本的参数名可能不同，必须动态获取。 ```matlab p = get_param(block_path, 'DialogParameters'); available_params = fieldnames(p); % 常见参数名变化： % 变压器: 'Rm' vs 'RmLm' % 锯齿波: 'SeqTime' vs 'rep_seq_t', 'SeqVal' vs 'rep_seq_y' % 整流桥: 'PowerElectronicDevice' vs 'Device' ``` --- ## 阶段2：参数计算 ### Buck 变换器参数公式 ``` 占空比: D = V_out / V_in 电感: L = (V_in - V_out) * D / (f_sw * delta_I_L) delta_I_L = 0.2~0.4 * I_out（纹波电流系数） 电容: C = delta_I_L / (8 * f_sw * delta_V_out) delta_V_out = 0.005 * V_out（纹波电压指标） 负载电阻: R = V_out / I_out ``` ### PI 控制器初始参数 ``` Kp = 0.005 （比例增益，从小开始） Ki = 0.5 （积分增益，根据系统带宽调整） ``` ### Boost 变换器参数公式 ``` 占空比: D = 1 - V_in / V_out 电感: L = V_in * D / (f_sw * delta_I_L) 电容: C = I_out * D / (f_sw * delta_V_out) ``` --- ## 阶段3：模型搭建 + 连线 ### 3.1 创建模型框架 ```matlab new_system(model_name); open_system(model_name); set_param(model_name, 'StopTime', '0.3', 'Solver', 'ode23tb', 'MaxStep', '1e-5'); add_block(BLOCK_CANDIDATES.powergui{1}, [model '/powergui']); set_param([model '/powergui'], 'SimulationMode', 'discrete', 'SampleTime', '1e-6'); ``` ### 3.2 核心约束 1. 不要用 Simulink 子系统封装 Simscape 物理连接。 子系统的 In1/Out1 是信号端口，不支持 LConn/RConn 物理端口。 所有 Simscape Electrical 模块必须放在模型顶层。 2. 同一个物理端口不能有多条连线。 如需重新连线，必须先删除旧线或删除冲突模块。 3. 接地模块（Ground）不要随意添加。 powergui 会提供电气参考点，多余接地会导致连线冲突。 ### 3.3 Buck 变换器连线模板 ``` 电力连线（物理端口 LConn/RConn）： DC+(Rectifier/RConn1) ──→ IGBT/LConn1 [DC+到开关管集电极] IGBT/RConn1 ──────────→ I_sense/LConn1 [开关管E极到电流传感器] I_sense/RConn1 ───────→ L_out/LConn1 [电流传感器到电感] L_out/RConn1 ────────→ C_out/LConn1 [电感到输出电容(+)] C_out/RConn1 ────────→ DC-(Rectifier/RConn2) [电容(-)到DC-] D_fw/LConn1 ─────────→ DC-(Rectifier/RConn2) [续流二极管阳极到DC-] D_fw/RConn1 ─────────→ IGBT/RConn1 [续流二极管阴极到E极] C_out/LConn1 ────────→ R_load/LConn1 [负载并联] C_out/RConn1 ────────→ R_load/RConn1 C_out/LConn1 ────────→ V_sense/LConn1 [电压测量并联] C_out/RConn1 ────────→ V_sense/LConn2 信号连线（Inport/Outport）： V_ref/1 ────→ Sum/1 [参考电压到误差(+)] V_sense/1 ─→ Sum/2 [反馈电压到误差(-)] Sum/1 ─────→ PI/1 [误差到PI控制器] PI/1 ──────→ CMP/1 [PI输出到比较器] Sawtooth/1 → CMP/2 [锯齿波到比较器] CMP/1 ─────→ IGBT/1 [PWM到IGBT门极(Inport)] ``` ### 3.4 Boost 变换器连线模板 ``` DC+(V_in/RConn1) ──→ L_out/LConn1 [输入到电感] L_out/RConn1 ─────→ IGBT/LConn1 [电感到IGBT集电极] IGBT/RConn1 ──────→ DC-(V_in/RConn2) [IGBT发射极到GND] D_fw/LConn1 ──────→ L_out/RConn1 [二极管阳极到电感输出端] D_fw/RConn1 ──────→ C_out/LConn1 [二极管阴极到输出电容(+)] C_out/RConn1 ─────→ DC-(V_in/RConn2) [电容(-)到GND] R_load / V_sense / 控制回路：同 Buck ``` --- ## 自动纠错机制 ### A. 阶段3 纠错（模型构建） 遇到错误时解析信息，按类型处理： ``` 错误类型 处理策略 ───────────────────────────────────────────────────── "没有名为X的参数" → 调用阶段1.4 重新探测参数名 用正确参数名重试（最多3次） "没有名为X的模块" → 调用阶段1.2 查找替代路径 无替代则报告缺失模块 "第二个端口已有信号线连接" → 删除冲突模块或旧连线后重试 注意：delete_line 语法要求精确匹配 "参数必须是 N×M 向量" → 调整参数格式 如变压器winding需要[V R L]三元素 "模型名冲突/shadowing" → 换模型名（加时间戳或序号）重试 "回调计算出错" → 参数组合不兼容，逐个参数验证 ``` 纠错上限：每步最多重试 3 次，超过则报告给用户。 ### B. 阶段5 纠错（仿真结果） ``` 问题类型 调整策略（最多5轮） ───────────────────────────────────────────── 电压误差大 (>2%) → 增大 Ki（加快积分） 检查占空比计算是否正确 检查变压器变比是否合理 纹波过大 (>2%) → 增大输出电容 C 增大电感 L 或提高开关频率 f_sw 振荡/不稳定 → 减小 Ki 增大 Kp 或降低积分增益 发散/NaN → 检查求解器（ode23tb 适合电力电子） 减小 MaxStep 检查电路拓扑是否有开路/短路 检查 powergui 采样时间 ``` --- ## 阶段4：布局美化 ### 布局原则 ``` X轴（从左到右，信号流方向）： 50~100 输入源（AC, DC 电源） 150~300 前级变换（变压器, 整流桥） 400~550 DC母线（滤波电容, 电压测量） 600~1100 功率变换器（开关管, 二极管, 电感, 电容, 负载） 600~1200 控制电路（参考值, 求和, PI, PWM, 比较器） Y轴（从上到下，按通道排列）： 30~80 powergui 80~250 通道1 功率电路 260~400 通道1 控制电路 480~650 通道2 功率电路 660~800 通道2 控制电路 880~1050 通道3 功率电路 1060~1200 通道3 控制电路 间距：通道间留 200px 空白，功率与控制间留 100px ``` ### Position 格式 ```matlab set_param([model '/block'], 'Position', [left, top, right, bottom]); % 例：宽60高40的模块放在 (600, 100) set_param([model '/block'], 'Position', [600, 100, 660, 140]); ``` --- ## 阶段5：仿真验证 ```matlab % 编译检查 set_param(model, 'SimulationCommand', 'update'); pause(3); % 运行仿真 simOut = sim(model, 'ReturnWorkspaceOutputs', 'on'); % 结果分析 Vout = simOut.Vout1; n = length(Vout); ns = round(20e-3 / mean(diff(simOut.tout))); % 最后20ms vs = Vout(end-ns:end); vm = mean(vs); vr = max(vs) - min(vs); err = abs(vm - Vref) / Vref * 100; ripple_pct = vr / Vref * 100; ``` ### 达标标准 | 指标 | 合格 | 优秀 | |------|------|------| | 稳态电压误差 | < 1% | < 0.1% | | 电压纹波 | < 2% | < 0.5% | | 动态响应时间 | < 100ms | < 50ms | --- ## 阶段6：输出归档 ``` 保存内容： 1. .slx 模型文件 → 项目目录/03_MATLAB仿真/ 2. 模型布局截图 → 项目目录/05_仿真结果图/ 3. 输出电压图 → 项目目录/05_仿真结果图/ 4. 稳态纹波图 → 项目目录/05_仿真结果图/ 5. 桌面副本 → ~/Desktop/ 截图命令： print('-sModelName', '-dpng', 'path/to/img.png') ``` --- ## 已知限制 1. 子系统不支持物理端口：所有 Simscape Electrical 模块必须在模型顶层 2. 部分版本无独立 MOSFET 模块：用 IGBT 替代（电气特性近似） 3. add_line 自动走线可能不美观：需要手动调整 Position 4. 已验证拓扑：Buck（多路）、AC→整流→DC母线 5. 待扩展拓扑：Boost、Buck-Boost、全桥逆变器、PFC、LLC 谐振 --- ## 典型使用示例 ### 示例：三路输出直流稳压电源 用户说："帮我做一个AC220V输入，输出200V/2A、110V/3A、60V/5A的多路直流稳压电源Simulink仿真" 执行流程： 1. 环境探测 → 发现 IGBT 可用但 MOSFET 不可用，用 IGBT 替代 2. 参数计算 → L=2mH/4.7mH/2.2mH, C=470uF, f_sw=20kHz 3. 创建模型 → AC→变压器→整流→DC母线→三路Buck（每路IGBT+Diode+LC+PI） 4. 布局 → 前级在左，三路垂直排列在右 5. 仿真 → 验证三路输出精度均 < 0.2% 6. 归档 → .slx + 波形图 + 桌面副本