Simulink仿真教程 1 ppt課件

第九章Simulnk動態(tài)仿真 本章主要內(nèi)容如下 9 1Simulink基本操作9 2模塊庫和系統(tǒng)仿真9 3子系統(tǒng)創(chuàng)建與封裝9 4Simulink仿真舉例 第九章Simulink動態(tài)仿真 Simulink中的 Simu 一詞表示可用于計(jì)算機(jī)仿真 而 Link 一詞表示它能進(jìn)行系統(tǒng)連接 即把一系列模塊連接起來 構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型 作為MATLAB的一個(gè)重要組成部分 Simulink由于它所具有的上述的兩大功能和特色 以及所提供的可視化仿真環(huán)境 快捷簡便的操作方法 而使其成為目前最受歡迎的仿真軟件 本章主要介紹Simulink的基本功能和基本操作方法 并通過舉例介紹如何利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)建模和仿真 第九章Simulink動態(tài)仿真 9 1Simulink基本操作利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真的步驟是 啟動Simulink 打開Simulink模塊庫打開空白模型窗口 建立Smulink仿真模型 設(shè)置仿真參數(shù) 進(jìn)行仿真 輸出仿真結(jié)果 9 1Simulink基本操作9 1 1啟動Simulink啟動Simulink 單擊MATLABCommand窗口工具條上的Simulink圖標(biāo) 或者在MATLAB命令窗口輸入simulink 即彈出圖示的模塊庫窗口界面 SimulinkLibraryBrowser 該界面右邊的窗口給出Simulink所有的子模塊庫 常用的子模塊庫有Sources 信號源 Sink 顯示輸出 Continuous 線性連續(xù)系統(tǒng) Discrete 線性離散系統(tǒng) Function Table 函數(shù)與表格 Math 數(shù)學(xué)運(yùn)算 Discontinuities 非線性 Demo 演示 等 啟動Simulink每個(gè)子模塊庫中包含同類型的標(biāo)準(zhǔn)模型 這些模塊可直接用于建立系統(tǒng)的Simulink框圖模型 可按以下方法打開子模塊庫 用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊某子模塊庫 如 Continuous Simulink瀏覽器右邊的窗口即顯示該子模塊庫包含的全部標(biāo)準(zhǔn)模塊 啟動Simulink用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊Simulink菜單項(xiàng) 則彈出一菜單條 點(diǎn)擊該菜單條即彈出該子庫的標(biāo)準(zhǔn)模塊窗口 如單擊左圖中的 Sinks 出現(xiàn) Openthe Sinks Library 菜單條 單擊該菜單條 則彈出右圖所示的該子庫的標(biāo)準(zhǔn)模塊窗口 9 1Simulink基本操作9 1 1啟動Simulink打開空白模型窗口模型窗口用來建立系統(tǒng)的仿真模型 只有先創(chuàng)建一個(gè)空白的模型窗口 才能將模塊庫的相應(yīng)模塊復(fù)制到該窗口 通過必要的連接 建立起Simulink仿真模型 也將這種窗口稱為Simulink仿真模型窗口 以下方法可用于打開一個(gè)空白模型窗口 在MATLAB主界面中選擇 File New Model 菜單項(xiàng) 單擊模塊庫瀏覽器的新建圖標(biāo) 選中模塊庫瀏覽器的 File New Model 菜單項(xiàng) 所打開的空白模型窗口如圖所示 9 1 2建立Simulink仿真模型打開Simulink模型窗口 Untitled 選取模塊或模塊組在Simulink模型或模塊庫窗口內(nèi) 用鼠標(biāo)左鍵單擊所需模塊圖標(biāo) 圖標(biāo)四角出現(xiàn)黑色小方點(diǎn) 表明該模塊已經(jīng)選中 模塊拷貝及刪除在模塊庫中選中模塊后 按住鼠標(biāo)左鍵不放并移動鼠標(biāo)至目標(biāo)模型窗口指定位置 釋放鼠標(biāo)即完成模塊拷貝 模塊的刪除只需選定刪除的模塊 按Del鍵即可 9 1Simulink基本操作9 1 2建立Simulink仿真模型模塊調(diào)整改變模塊位置 大小 改變模塊方向使模塊輸入輸出端口的方向改變 選中模塊后 選取菜單Format RotateBlock 可使模塊旋轉(zhuǎn)900 9 1 2建立Simulink仿真模型模塊參數(shù)設(shè)置用鼠標(biāo)雙擊指定模塊圖標(biāo) 打開模塊對話框 根據(jù)對話框欄目中提供的信息進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或修改 例如雙擊模型窗口的傳遞函數(shù)模塊 彈出圖示對話框 在對話框中分別輸入分子 分母多項(xiàng)式的系數(shù) 點(diǎn)擊OK鍵 完成該模型的設(shè)置 如右下圖所示 9 1 2建立Simulink仿真模型模塊的連接模塊之間的連接是用連接線將一個(gè)模塊的輸出端與另一模塊的輸入端連接起來 也可用分支線把一個(gè)模塊的輸出端與幾個(gè)模塊的輸入端連接起來 連接線生成是將鼠標(biāo)置于某模塊的輸出端口 顯一個(gè)十字光標(biāo) 按下鼠標(biāo)左鍵拖動鼠標(biāo)置另一模塊的輸入端口即可 分支線則是將鼠標(biāo)置于分支點(diǎn) 按下鼠標(biāo)右鍵 其余同上 連接線 左鍵 分支線 右鍵 9 1 2建立Simulink仿真模型模塊文件的取名和保存選擇模型窗口菜單File Saveas后彈出一個(gè) Saveas 對話框 填入模型文件名 按保存 s 即可 說明 模塊的修改 調(diào)整 連接通常只能在仿真模型窗口中進(jìn)行 不要直接對模塊庫中的模塊進(jìn)行修改或調(diào)整 9 1Simulink基本操作9 1 3系統(tǒng)仿真運(yùn)行Simulink模型窗口下仿真步驟打開Simulink仿真模型窗口 或打開指定的 mdl文件 設(shè)置仿真參數(shù) 在模型窗口選取菜單 Simulation Parameters 彈出 SimulationParameters 對話框 設(shè)置仿真參數(shù) 然后按 OK 即可 說明 若不設(shè)置仿真參數(shù) 則采用Simulink缺省設(shè)置 9 1Simulink基本操作9 1 3系統(tǒng)仿真運(yùn)行Simulink模型窗口下仿真步驟仿真運(yùn)行和終止 在模型窗口選取菜單 Simulation Start 仿真開始 至設(shè)置的仿真終止時(shí)間 仿真結(jié)束 若在仿真過程中要中止仿真 可選擇 Simulation Stop 菜單 也可直接點(diǎn)擊模型窗口中的 或 啟動 或停止 仿真 9 1Simulink基本操作9 1 3系統(tǒng)仿真運(yùn)行MATLAB命令窗口下的仿真運(yùn)行在Matlab命令窗口下可直接運(yùn)行一個(gè)已存在的Simulink模型 t x y sim model timespan option ut 其中 t為返回的仿真時(shí)間向量 x為返回的狀態(tài)矩陣 y為返回的輸出矩陣 model為系統(tǒng)Simulink模型文件名 timespan為仿真時(shí)間 option為仿真參數(shù)選擇項(xiàng) 由simset設(shè)置 ut為選擇外部產(chǎn)生輸入 ut T u1 u2 un 說明 上述參數(shù)中 若省略timespan option ut則由框圖模型的對話框SimulationParameters設(shè)置仿真參數(shù) back 9 2模塊庫和系統(tǒng)仿真9 2 1Simulink模塊庫Sources庫也可稱為信號源庫 該庫包含了可向仿真模型提供信號的模塊 它沒有輸入口 但至少有一個(gè)輸出口 雙擊圖標(biāo)即彈出該庫的模塊圖 在該圖中的每一個(gè)圖標(biāo)都是一個(gè)信號模塊 這些模塊均可拷貝到用戶的模型窗里 用戶可以在模型窗里根據(jù)自己的需要對模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置 但不可在模塊庫里進(jìn)行模塊的參數(shù)設(shè)置 Sources庫SineWave 產(chǎn)生幅值 頻率可設(shè)置的正弦波信號 雙擊圖標(biāo) 認(rèn)定該模塊已拷貝到用戶模型窗 以下均如此 彈出正弦波的參數(shù)設(shè)置框圖 圖中參數(shù)為Simulink默認(rèn)值 用戶可根據(jù)需要對這些參數(shù)重新設(shè)置 幅值 頻率為2 基準(zhǔn)為0 5 其波形如下圖所示 Sources庫Step 產(chǎn)生幅值 階躍時(shí)間可設(shè)置的階躍信號 雙擊圖標(biāo) 彈出階躍信號的參數(shù)設(shè)置框圖 圖中參數(shù)為Simulink默認(rèn)值 當(dāng)設(shè)置幅值為0 8 階躍時(shí)間為1秒時(shí) 階躍波形如下圖所示 9 2 1Simulink模塊庫Sinks庫該庫包含了顯示和寫模塊輸出的模塊 雙擊即彈出該庫的模塊圖 數(shù)字表 顯示指定模塊的輸出數(shù)值 X Y繪圖儀用同一圖形窗口 顯示X Y坐標(biāo)的圖形 需先在參數(shù)對話框中設(shè)置每個(gè)坐標(biāo)的變化范圍 當(dāng)X Y分別為正 余弦信號時(shí) 其顯示圖形如下 9 2 1Simulink模塊庫Sinks庫 示波器 顯示在仿真過程產(chǎn)生的信號波形 雙擊該圖標(biāo) 彈出示波器窗如右圖所示 Sinks庫示波器屬性對話框 設(shè)置Y軸個(gè)數(shù) 設(shè)置顯示的時(shí)間范圍 選擇軸的標(biāo)注方法 確定顯示頻度 每隔n 1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示一次 確定顯示點(diǎn)的時(shí)間間隔 缺省為0表示連續(xù)顯示 示波器屬性對話框General頁 Sinks庫示波器屬性對話框 例9 1 示波器應(yīng)用示例 Simulink仿真模型如左圖所示 示波器輸入為3 Y軸個(gè)數(shù)為3 右圖為該示波器顯示的三路輸入信號的波形 9 2 1Simulink模塊庫Continuous庫該庫包含描述線性函數(shù)的模塊 雙擊即彈出下圖 微分環(huán)節(jié) 其輸出為其輸入信號的微分 如下圖為輸入斜坡信號時(shí)微分環(huán)節(jié)的輸出 Continuous庫 積分環(huán)節(jié) 其輸出為其輸入信號的積分 雙擊該模塊 彈出積分器的參數(shù)對話框 可設(shè)置積分器的復(fù)位 積分上限和下限等 當(dāng)設(shè)置為信號下跳過零復(fù)位 積分器限幅為 5時(shí) 積分器對諧波輸入的輸出如圖所示 9 2 1Simulink模塊庫Continuous庫 分子分母為多項(xiàng)式形式的傳遞函數(shù) 雙擊該模塊 彈出傳遞函數(shù)的參數(shù)對話框 設(shè)置框圖中的參數(shù)后 該傳遞函數(shù)顯示如下 9 2 1Simulink模塊庫Continuous庫 零極點(diǎn)增益形式的傳遞函數(shù) 雙擊該模塊 彈出傳遞函數(shù)的參數(shù)對話框 設(shè)置框圖中的參數(shù)后 該傳遞函數(shù)顯示如下 9 2 1Simulink模塊庫Math庫該庫包含描述一般數(shù)學(xué)函數(shù)的模塊 雙擊即彈出右圖 該庫中模塊的功能就是將輸入信號按照模塊所描述的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)計(jì)算 并把運(yùn)算結(jié)果作為輸出信號輸出 9 2 1Simulink模塊庫Math庫 加法器 該模塊為求和裝置 求和器形狀 輸入信號個(gè)數(shù)和符號可設(shè)置 如右邊框圖 若設(shè)置如框圖 則模塊顯示為 9 2 1Simulink模塊庫Math庫 符號函數(shù) 該模塊的輸出為輸入信號的符號 下圖為對正弦信號經(jīng)符號運(yùn)算后的波形 Math庫 實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù) 右圖為該函數(shù)的參數(shù)設(shè)置框 點(diǎn)擊函數(shù)設(shè)置的下拉窗口 可選擇所需要的函數(shù) 選定函數(shù)后 該模塊圖標(biāo)將顯示所選函數(shù) 如選擇 Square 則模塊圖標(biāo)變?yōu)?9 2 1Simulink模塊庫Signals Systems庫 信號分路器 將混路器輸出的信號依照原來的構(gòu)成方法分解成多路信號 信號匯總器將多路信號依照向量的形式混合成一路信號 9 2 2Simulink環(huán)境下的仿真運(yùn)行仿真參數(shù)對話框點(diǎn)擊Simullink模型窗simulation菜單下的Parameters命令 彈出仿真參數(shù)對話框如右圖所示 它共有5頁 用得較多的主要是Solver頁和WorkspaceI O頁 Solver頁Simulationtime 仿真時(shí)間 設(shè)置Starttime 仿真開始時(shí)間 和Stoptime 仿真終止時(shí)間 可通過頁內(nèi)編輯框內(nèi)輸入相應(yīng)數(shù)值 單位 秒 另外 用戶還可以利用Sinks庫中的Stop模塊來強(qiáng)行中止仿真 Solver頁Solveroptions 仿真算法選擇 分為定步長算法和變步長算法兩類 定步長支持的算法可在Fixedstepsize編輯框中指定步長或選擇auto 由計(jì)算機(jī)自動確定步長 離散系統(tǒng)一般默認(rèn)地選擇定步長算法 在實(shí)時(shí)控制中則必須選用定步長算法 變步長支持的算法如圖9 16所示 對于連續(xù)系統(tǒng)仿真一般選擇ode45 步長范圍使用auto項(xiàng) 圖9 15定步長算法 圖9 16變步長算法 Solver頁ErrorTolerance 誤差限度 算法的誤差是指當(dāng)前狀態(tài)值與當(dāng)前狀態(tài)估計(jì)值的差值 分為Relativetolerance 相對限度 和Absolutetolerance 絕對限度 通?？蛇xauto Outputoptions 輸出選擇項(xiàng) 有Refineoutput 細(xì)化輸出 Produceadditionaloutput 產(chǎn)生附加輸出 Producespecifiedoutputonly 只產(chǎn)生指定輸出 WorkspaceI O頁這個(gè)頁面的作用是定義將仿真結(jié)果輸出到工作空間 以及從工作空間得到輸入和初始狀態(tài) Loadfromworkspace 勾選相應(yīng)方框表明從工作空間獲得輸入或初始狀態(tài) 若勾選Input 則工作空間提供輸入 且為矩陣形式 輸入矩陣的第一列必須是升序的時(shí)間向量 其余列分別對應(yīng)不同的輸入信號 WorkspaceI O頁這個(gè)頁面的作用是定義將仿真結(jié)果輸出到工作空間 以及從工作空間得到輸入和初始狀態(tài) Savetoworkspace 勾選相應(yīng)方框表明保存輸出到MATLAB工作空間 time和output為缺省選中的 即一般運(yùn)行一個(gè)仿真模型后 在MATLAB工作空間都會增加兩個(gè)變量tout yout 變量名可以設(shè)置 Saveoptions 存儲選項(xiàng) 存儲數(shù)據(jù)到工作空間的格式 可選數(shù)組 構(gòu)架數(shù)組 包含時(shí)間數(shù)據(jù)的構(gòu)架數(shù)組 Simulink中的LTIViewer在Simulink中建立的仿真模型也可直接輸入到LTIViewer中進(jìn)行分析 具體方法如下 在Simulink模型窗建立起仿真模型 線性系統(tǒng) 點(diǎn)擊Simulink模型窗上的 Tool Linearanalysis 在彈出的界面中將輸入輸出接點(diǎn)分別復(fù)制到仿真模型的輸入和輸出 圖9 19仿真模型的輸入輸出接點(diǎn) Simulink中的LTIViewer再次點(diǎn)擊SIMULINK模型窗上的Tool Linearanalysis 打開LTIViewer仿真界面 點(diǎn)擊該界面上Simulink GetLinearizedModel選項(xiàng) 即畫出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線 表明SIMULINK中的仿真模型已和LTIViewer相連接 因此可利用LTIViewer對該系統(tǒng)進(jìn)行分析 圖9 20LTIViewer獲取模型窗中模型 圖9 21LTIViewer繪制的階躍響應(yīng)曲線 Simulink中的LTIViewer如果在Simulink模型窗對已輸入到LTIViewer中的模型進(jìn)行了修改 應(yīng)重復(fù)步驟 3 重新裝入模型 并刪除掉舊模型 方法是點(diǎn)擊LTIViewer仿真界面上的 Edit Deletesystems 在彈出的對話框中 進(jìn)行模型的刪除 如圖9 22所示 圖9 22模型的刪除 back 9 3子系統(tǒng)創(chuàng)建與封裝在建立的Simulink系統(tǒng)模型比較大或很復(fù)雜時(shí) 可將一些模塊組合成子系統(tǒng) 這樣可使模型得到簡化 便于連線 可提高效率 便于調(diào)試 可生成層次化的模型圖表 用戶可采取自上而下或自下而上的設(shè)計(jì)方法 將一個(gè)創(chuàng)建好的子系統(tǒng)進(jìn)行封裝 也就是使子系統(tǒng)象一個(gè)模塊一樣 例如可以有自己的參數(shù)設(shè)置對話框 自己的模塊圖標(biāo)等 這樣就使子系統(tǒng)使用起來非常方便 9 3子系統(tǒng)創(chuàng)建與封裝9 3 1子系統(tǒng)的創(chuàng)建通過子系統(tǒng)模塊來建立子系統(tǒng)在Simulink庫瀏覽器 有一個(gè)子系統(tǒng) Subsystems 的庫模塊 有的版本在Signals Systems子庫里 點(diǎn)擊該圖標(biāo)即可看到不同類型的子系統(tǒng)模塊 通過子系統(tǒng)模塊來建立子系統(tǒng)下面以PID控制器子系統(tǒng)創(chuàng)建 說明子系統(tǒng)的創(chuàng)建過程 將子系統(tǒng)庫模塊中的Subsystem模塊復(fù)制到模型窗 如圖9 23 雙擊該圖標(biāo)即打開該子系統(tǒng)的編輯窗口 如圖9 24 圖9 23子系統(tǒng)模塊復(fù)制到模型窗 圖9 24原始子系統(tǒng)模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)型窗 PID控制器子系統(tǒng)創(chuàng)建過程 將組成子系統(tǒng)的模塊填加到子系統(tǒng)編輯窗口 將模塊按設(shè)計(jì)要求連接 PID控制器子系統(tǒng)創(chuàng)建過程 設(shè)置子系統(tǒng)各模塊參數(shù) 可以是變量 修改in1和out1模塊下面的標(biāo)簽 關(guān)閉子系統(tǒng)的編輯窗口 返回模型窗口 修改子系統(tǒng)的標(biāo)簽 PID 該P(yáng)ID子系統(tǒng)即可作為模塊在構(gòu)造系統(tǒng)模型時(shí)使用 PID控制器子系統(tǒng)創(chuàng)建過程 設(shè)置子系統(tǒng)各模塊參數(shù) 可以是變量 修改in1和out1模塊下面的標(biāo)簽 關(guān)閉子系統(tǒng)的編輯窗口 返回模型窗口 修改子系統(tǒng)的標(biāo)簽 PID 該P(yáng)ID子系統(tǒng)即可作為模塊在構(gòu)造系統(tǒng)模型時(shí)使用 9 3子系統(tǒng)創(chuàng)建與封裝9 3 1子系統(tǒng)的創(chuàng)建組合已存在的模塊來建立子系統(tǒng)如果現(xiàn)有的模型已經(jīng)包含了需要轉(zhuǎn)化成子系統(tǒng)的模塊 就可以通過組合這些模塊的方式建立子系統(tǒng) 步驟如下 確定需建立Subsystem的模型 被選中的均標(biāo)記有黑塊 圖9 27圈選欲建子系統(tǒng)的模塊 組合已存在的模塊來建立子系統(tǒng)點(diǎn)擊模型窗Edit菜單下的CreateSubsystem命令 則所選定的模型組合自動轉(zhuǎn)化成子系統(tǒng) 雙擊該圖標(biāo) 可打開該子系統(tǒng)窗口 改寫輸入輸出符號 關(guān)閉子系統(tǒng)編輯窗口 設(shè)置子系統(tǒng)標(biāo)簽 則系統(tǒng)模型如下圖所示 9 3子系統(tǒng)創(chuàng)建與封裝9 3 2子系統(tǒng)的封裝子系統(tǒng)可以建立自己的參數(shù)設(shè)置對話框 以避免對子系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)模塊分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)置 因此在子系統(tǒng)建立好以后 需對其進(jìn)行封裝 子系統(tǒng)封裝的基本步驟如下 設(shè)置好子系統(tǒng)中各模塊的參數(shù)變量 定義提示對話框及其特性 定義被封裝子系統(tǒng)的描述和幫助文檔 定義產(chǎn)生模塊圖標(biāo)的命令 9 3子系統(tǒng)創(chuàng)建與封裝9 3 2子系統(tǒng)的封裝設(shè)置子系統(tǒng)參數(shù)變量 將原子系統(tǒng)中的常數(shù)改為變量 其中飽和環(huán)節(jié)的上 下限分別設(shè)為au ab 需打開該環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置框 9 3 2子系統(tǒng)的封裝產(chǎn)生提示對話框選擇需要封裝的子系統(tǒng) 從模型窗口的Edit菜單選擇MaskSubsystem命令 即彈出封裝編輯器 產(chǎn)生提示對話框該編輯器分為四頁 MATLAB6 5版 Icon 圖標(biāo) 頁P(yáng)arameters 參數(shù)頁 Initialiation 初始化 頁Documentation 文檔 頁其中對于子系統(tǒng)封裝最關(guān)鍵的是Parameters項(xiàng) 用于設(shè)置參數(shù)變量及其類型等 9 3 2子系統(tǒng)的封裝產(chǎn)生提示對話框Parameters頁 Add Delete Up Down 提示符 變量名 直接輸入變量名 變量的類型為數(shù)值 變量的數(shù)值可在線調(diào)節(jié) 產(chǎn)生提示對話框假定子系統(tǒng) Nonlinearsystem 的參數(shù)變量名已由封裝編輯器全部輸入 雙擊該子系統(tǒng)圖標(biāo) 即彈出如圖所示子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置框圖 如圖所示逐欄輸入與變量所對應(yīng)的參數(shù) 即完成對該子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置 9 3子系統(tǒng)創(chuàng)建與封裝9 3 3條件子系統(tǒng)使能子系統(tǒng)該子系統(tǒng)當(dāng)使能端控制信號為正時(shí) 系統(tǒng)處于 允許 狀態(tài) 否則為 禁止 狀態(tài) 使能 控制信號可以為標(biāo)量 也可以為向量 當(dāng)為標(biāo)量信號時(shí) 只要該信號大于零 子系統(tǒng)就開始執(zhí)行 當(dāng)為向量信號時(shí) 只要其中一個(gè)信號大于零 也 使能 子系統(tǒng) 例9 3 積分分離式PID控制器 這種PID控制器可以讓控制器中的積分項(xiàng)在系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)投入運(yùn)行 以提高穩(wěn)態(tài)精度 而在系統(tǒng)響應(yīng)處于瞬態(tài)過程