第九講 Simulink交互式方針集成環(huán)境.ppt

Simulink交互式仿真集成環(huán)境,第九講,1.引導(dǎo),SIMULINK是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。在SIMULINK提供的圖形用戶界面GUI上，只要進(jìn)行鼠標(biāo)的簡(jiǎn)單拖拉操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型。它外表以方塊圖形式呈現(xiàn)，且采用分層結(jié)構(gòu)。從建模角度講，這既適于自上而下（Top-down）的設(shè)計(jì)流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件），又適于自下而上（Bottum-up）逆程設(shè)計(jì)。從分析研究角度講，這種SIMULINK模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)，而且能讓用戶清晰地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。,1.1Simulink入門,1.2SIMULINK庫(kù)瀏覽器界面,1.3SIMULINK模型窗的組成,2模型的創(chuàng)建,2.1SIMULINK模型是什么系統(tǒng)：被研究系統(tǒng)的Simulink方框圖信源：可以是常數(shù)、正弦波、階梯波等信號(hào)源信宿：可以是示波器，圖形記錄儀等,2.2模塊操作,模塊的選定模塊的復(fù)制模塊的移動(dòng)模塊的刪除改變模塊大小模塊的旋轉(zhuǎn)模塊名的操作模塊的陰影效果,2.3向量化模塊和標(biāo)量擴(kuò)展,【例1】演示“示波”模塊的向量顯示能力。,【例2】演示“求和”模塊的向量處理能力：輸入擴(kuò)展【例3】演示“增益”模塊的向量處理能力：參數(shù)擴(kuò)展,2.4信號(hào)線操作,產(chǎn)生連線信號(hào)線的分支和折曲信號(hào)線寬度顯示彩色顯示信號(hào)線插入模塊信號(hào)線標(biāo)識(shí)（label）,3常用的Source庫(kù)信源,Clock（連續(xù)）仿真時(shí)鐘Constant恒值輸出FromFile從文件讀數(shù)據(jù)FromWorkspace從工作內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)SignalGenerator信號(hào)發(fā)生器SineWave正弦波輸出Step階躍輸出,【例4】如何調(diào)用MATLAB工作空間中的信號(hào)矩陣作為模型輸入。本例所需的輸入為,sourec0825_1.mfunctionTU=source0825_1(T0,N0,K)t=linspace(0,K*T0,K*N0+1);N=length(t);u1=t(1:(N0+1).2;u2=(t(N0+2):(2*N0+1)-2*T0).2;u3(1:(N-(2*N0+2)+1)=0;u=u1,u2,u3;TU=t,u;,模塊的參數(shù)設(shè)置：雙擊模塊S08025_1，彈出“FromWorkspace”,設(shè)置對(duì)話框在“Data”欄中填寫TU在指令窗口中，運(yùn)行以下指令：TU=source0825_1(1,100,4);,4常用的Sink庫(kù)信宿,Display數(shù)值顯示Scope示波器Stop終止仿真ToFile將數(shù)據(jù)保存為文件ToWorkspace將數(shù)據(jù)寫成矩陣XYGraph顯示x-y圖形,示波器（1）示波器的用途（2）示波器窗的工具條（3）示波器縱坐標(biāo)范圍的手工設(shè)置（4）示波器橫坐標(biāo)的設(shè)置（5）把示波器數(shù)據(jù)送入MATLAB工作空間（6）多信號(hào)顯示區(qū)設(shè)置（7）設(shè)置為游離示波器,5仿真的配置,5.1解算器參數(shù)的設(shè)置（Solver）,5.2仿真數(shù)據(jù)的輸入輸出設(shè)置（WorkspaceI/O）,6連續(xù)系統(tǒng)建模,6.1積分模塊的功用,仿真結(jié)果說(shuō)明：在仿真啟動(dòng)時(shí)，積分器從0開(kāi)始對(duì)0.5t進(jìn)行積分，當(dāng)復(fù)位信號(hào)t-5=0瞬間，積分器被重置為0。此后對(duì)0.5t進(jìn)行積分。因此信號(hào)滿足：,6.2積分模塊直接構(gòu)造微分方程求解模型,【例5】假設(shè)從實(shí)際自然界（力學(xué)、電學(xué)、生態(tài)等）或社會(huì)中，抽象出有初始狀態(tài)為0的二階微分方程，,是單位階躍函數(shù)。本例演示如何用積分器直接構(gòu)作求解該微分方程的模型。,求解步驟,（1）改寫微分方程把原方程改寫為（2）利用Simulink庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)模塊構(gòu)作模型,（3）保存在Matlab工作空間中的數(shù)據(jù)示波器模塊項(xiàng)工作空間存放構(gòu)架數(shù)組Toworkspace模塊以選定的矩陣方式項(xiàng)工作空間存放數(shù)組x_t模型窗的I/O頁(yè)，以tout,xout名稱存放數(shù)據(jù)在工作空間下面演示如何利用示波器數(shù)據(jù)ScopeData繪制出所需的圖形,clftt=ScopeData.time;xx=ScopeData.signals.values;xm,km=max(xx);plot(tt,xx,r,LineWidth,4),holdonplot(tt(km),xm,b.,MarkerSize,36),holdoffstrmax=char(最大值,t=,num2str(tt(km),x=,num2str(xm);text(6.5,xm,strmax),xlabel(t),ylabel(x),6.3傳遞函數(shù)模塊,假設(shè)初始狀態(tài)為0，U(t)是單位階躍對(duì)方程兩邊施行l(wèi)aplace變換，得：,6.4狀態(tài)方程模塊和單位脈沖輸入的生成,【例6】假設(shè)式中的輸入函數(shù)是單位脈沖函數(shù)，研究該系統(tǒng)的位移變化。本例演示：（A）狀態(tài)方程模塊的使用；（B）脈沖函數(shù)的生成方法。令，則微分方程可寫為：可寫出下列狀態(tài)方程：,單位脈沖函數(shù)的表示,數(shù)學(xué)定義：考慮因素：脈沖寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于被研究系統(tǒng)的最快動(dòng)態(tài)模式（如特征根的實(shí)部）脈沖寬度不能太小本系統(tǒng)特征根的實(shí)部絕對(duì)值為0.1,幅度M=100。即：,7.非線性系統(tǒng),Simulink包含了許多非典型的非線性模塊，如間隙性非線性模塊Backlash，繼電器非線性模塊Relay，死區(qū)非線性模塊Deadzone等。,7.1建立非線性仿真模型的基本考慮,【例7】物理背景：如圖所示噴射動(dòng)力車的定位控制問(wèn)題，要求設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，目標(biāo)是：當(dāng)車輛的位移和速度為正時(shí)，控制器點(diǎn)燃右發(fā)電機(jī)；當(dāng)車輛的位移和速度為負(fù)時(shí)，控制器點(diǎn)燃左發(fā)動(dòng)機(jī)，直至車輛靜止在坐標(biāo)原點(diǎn)。,求解步驟,（1）根據(jù)車輛的動(dòng)態(tài)方程，構(gòu)作基本仿真模型在阻力不計(jì)的前提下，又設(shè)噴射力F=1,車輛的質(zhì)量m=5初始條件,基本仿真模型,（2）為觀察仿真時(shí)間進(jìn)程，引入仿真時(shí)鐘顯示（3）為模仿“車輛速度與位移小于某域值時(shí)被認(rèn)為控制目標(biāo)達(dá)到”，引入仿真終止環(huán)節(jié)本例中，假設(shè)：時(shí)，認(rèn)為控制目標(biāo)達(dá)到，終止仿真。（4）為模仿“符號(hào)切換的非瞬間性”，本例采用“定步長(zhǎng)”Solver解算器。（5）為便于分析接近原點(diǎn)時(shí)的顫振現(xiàn)象，通過(guò)模型窗I/O設(shè)置保存仿真數(shù)據(jù)。,完整的仿真模型,（6）保存數(shù)據(jù)的利用和分析為了看清接近原點(diǎn)時(shí)的振顫chatter現(xiàn)象，利用保存數(shù)據(jù)tout和xout畫出相軌跡的指令,subplot(1,2,1),plot(xout(:,2),xout(:,1)gridon,axis(-0.2,1,-1,0.2),axissquarexlabel(fontsize14位移),ylabel(fontsize14速度),subplot(1,2,2),plot(xout(:,2),xout(:,1)gridon,axis(-0.1,0.05,-0.05,0.1),axissquare,7.2任意非線性函數(shù)模塊及其應(yīng)用,Fcn函數(shù)模塊表達(dá)式符合C語(yǔ)言格式，執(zhí)行的是標(biāo)量運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果就是模塊的輸出；模塊輸入是標(biāo)量時(shí)，必須用u變量名，輸入為向量時(shí)，必須用u1，u2等向量元素名表達(dá)式引用的其他標(biāo)量形式參量必須存放于Matlab基本空間中,【例8】轎車沿直線山坡路向前行駛。要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的比例放大器，使轎車能以指定的速度運(yùn)動(dòng)。本例演示：（A）仿真系統(tǒng)的創(chuàng)建。（B）非線性模塊的使用。（C）任意函數(shù)模塊的應(yīng)用。(D)體現(xiàn)“自下而上”的建模方式。（1）轎車的運(yùn)動(dòng)方程：,Fe是引擎動(dòng)力：,Fw是空氣阻力：,Fh是重力分量：,行使轎車動(dòng)力學(xué)仿真模型,（2）比例控制及其仿真模型利用簡(jiǎn)單的比例控制，工作原理是：根據(jù)期望速度和實(shí)際速度之差產(chǎn)生“指令”驅(qū)動(dòng)Fc。數(shù)學(xué)模型是：圖中ScIn-和SaIn+分別是比例控制器模型的期望速度和實(shí)際速度輸入口模塊，而FcOut是“指令”驅(qū)動(dòng)力輸出口模塊,受控轎車的完整仿真模型,8子系統(tǒng)的創(chuàng)建、裝幀及受控執(zhí)行,如果被研究的系統(tǒng)比較復(fù)雜，那么直接用基本模塊構(gòu)成的模型就比較龐大，模型中的信息主要流向就不容易辨認(rèn)，若把整個(gè)模型按實(shí)現(xiàn)功能或?qū)?yīng)物理器件的存在劃分成塊，將有利于整個(gè)系統(tǒng)的概念抽象。,8.1簡(jiǎn)裝子系統(tǒng)及其應(yīng)用,1.創(chuàng)建簡(jiǎn)裝子系統(tǒng)的“先有內(nèi)容后套包裝”法,2.創(chuàng)建簡(jiǎn)裝子系統(tǒng)的“先有包裝后置內(nèi)容”法,（1）在新建模型窗中復(fù)制包括子系統(tǒng)模塊在內(nèi)的所有標(biāo)準(zhǔn)模塊（2）在subsystem標(biāo)準(zhǔn)模塊里面“裝入”轎車動(dòng)態(tài)模型和比例控制器模型（3）對(duì)模型窗中進(jìn)行各模塊的連接,8.2精裝子系統(tǒng),在簡(jiǎn)裝子系統(tǒng)所在的窗口中，點(diǎn)亮該簡(jiǎn)裝子系統(tǒng)，然后再在窗口菜單條中選取Edit:Masksubsystem，利用裝楨編輯器為未來(lái)的參數(shù)對(duì)話窗設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)、模塊描述和幫助文字、用戶自定義的圖形標(biāo)識(shí)。如果需要對(duì)已經(jīng)生成的精裝子系統(tǒng)重新加以裝楨，編