控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

1、2021-6-131 5.15.1 Simulink 建模的基礎(chǔ)知識建模的基礎(chǔ)知識 nSimulink 簡介簡介 nSimulink 下常用模塊簡介下常用模塊簡介 nSimulink 下其他工具箱的模塊組下其他工具箱的模塊組 2021-6-132 5.1.1 5.1.1 Simulink Simulink 簡介簡介 控制系統(tǒng)仿真研究的一種很常見的要求是通過控制系統(tǒng)仿真研究的一種很常見的要求是通過 計(jì)算機(jī)得出系統(tǒng)在某信號驅(qū)動下的時間響應(yīng)，從中計(jì)算機(jī)得出系統(tǒng)在某信號驅(qū)動下的時間響應(yīng)，從中 得出期望的結(jié)論。得出期望的結(jié)論。 對線性系統(tǒng)來說，可以按照第對線性系統(tǒng)來說，可以按照第4章介紹的方法，章介紹的

2、方法， 對于更復(fù)雜的系統(tǒng)來說，對于更復(fù)雜的系統(tǒng)來說，Simulink 環(huán)境就是解決這環(huán)境就是解決這 樣問題的理想工具樣問題的理想工具，它提供了各種各樣的模塊，允它提供了各種各樣的模塊，允 許用戶用框圖的形式搭建起任意復(fù)雜的系統(tǒng)，從而許用戶用框圖的形式搭建起任意復(fù)雜的系統(tǒng)，從而 對之進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真。對之進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真。 2021-6-133 n輸入輸入 open_system ( simulink ) 命令將打開模型命令將打開模型 庫，庫中還有下一級的模塊組，如連續(xù)模塊組、庫，庫中還有下一級的模塊組，如連續(xù)模塊組、 離散模塊組和輸入輸出模塊組等，用戶可以用雙離散模塊組和輸入輸出模塊組等，用戶可以

3、用雙 擊的方式打開下一級的模塊組，尋找及使用所需擊的方式打開下一級的模塊組，尋找及使用所需 要的模塊。要的模塊。 n單擊單擊 MATLAB 命令窗口工具欄中的命令窗口工具欄中的Simulink 圖圖 標(biāo)，也可以打開標(biāo)，也可以打開 Simulink 模塊瀏覽器窗口。模塊瀏覽器窗口。 2021-6-134 5.1.2 Simulink 5.1.2 Simulink 下常用模塊簡介下常用模塊簡介 1. 輸入模塊組輸入模塊組 Sources 2. 輸出池模塊組輸出池模塊組 sbf Sinks 3. 連續(xù)系統(tǒng)模塊組連續(xù)系統(tǒng)模塊組 Continuous 4. 離散系統(tǒng)模塊組離散系統(tǒng)模塊組 Discrete

4、 5. 非線性模塊組非線性模塊組 Discontinuities 6. 數(shù)學(xué)函數(shù)模塊組數(shù)學(xué)函數(shù)模塊組 Math Operations 7. 查表模組塊查表模組塊 Look-up Tables 8. 用戶自定義函數(shù)模塊組用戶自定義函數(shù)模塊組 User-defined Functions 9. 信號模塊組信號模塊組 Signal Routing 10. 信號屬性模塊組信號屬性模塊組 Signal Attributes 2021-6-135 5.1.3 5.1.3 Simulink Simulink 下其他工具箱的模塊組下其他工具箱的模塊組 除了上述的各個標(biāo)準(zhǔn)模塊組之外，隨著除了上述的各個標(biāo)準(zhǔn)模塊組

5、之外，隨著 MATLAB 工具箱安裝的不同，還有若干工工具箱安裝的不同，還有若干工 具箱模塊組和模塊集具箱模塊組和模塊集 ( blockset ) ，其他模其他模 塊組如下圖所示。塊組如下圖所示。 2021-6-136 2021-6-137 5.25.2 Simulink 建模與仿真建模與仿真 nSimulink 建模方法簡介建模方法簡介 n仿真算法與控制參數(shù)選擇仿真算法與控制參數(shù)選擇 nSimulink 在控制系統(tǒng)仿真研究中的應(yīng)在控制系統(tǒng)仿真研究中的應(yīng) 用舉例用舉例 2021-6-138 5.2.1 Simulink 5.2.1 Simulink 建模方法簡介建模方法簡介 【例例5-15-1

6、】考慮圖考慮圖5-165-16中給出的典型非線性反饋系中給出的典型非線性反饋系 統(tǒng)框圖，其中控制器為統(tǒng)框圖，其中控制器為 PI PI 控制器，其模型為控制器，其模型為: : 2021-6-139 由于系統(tǒng)中含有非線性環(huán)節(jié)，所以這樣的系由于系統(tǒng)中含有非線性環(huán)節(jié)，所以這樣的系 統(tǒng)不能用第統(tǒng)不能用第 4 章中給出的線性系統(tǒng)方法進(jìn)行精確章中給出的線性系統(tǒng)方法進(jìn)行精確 仿真，而建立起系統(tǒng)的微分方程模型，用第仿真，而建立起系統(tǒng)的微分方程模型，用第 2 章章 中介紹的方法去求解也是件很煩瑣的事，如果哪中介紹的方法去求解也是件很煩瑣的事，如果哪 步出現(xiàn)問題，則仿真結(jié)果就可能出現(xiàn)錯誤。圖步出現(xiàn)問題，則仿真結(jié)果就

7、可能出現(xiàn)錯誤。圖 5- 16: 2021-6-1310 Simulink 是解決這樣問題的最有效的是解決這樣問題的最有效的 方法，可以用下面的步驟搭建此系統(tǒng)的仿方法，可以用下面的步驟搭建此系統(tǒng)的仿 真模型：真模型： n 打開模型編輯窗口； n 復(fù)制相關(guān)模塊； n 修改模塊參數(shù)； n 模塊連接； n 系統(tǒng)仿真研究。 2021-6-1311 5.2.2 5.2.2 仿真算法與控制參數(shù)選擇仿真算法與控制參數(shù)選擇 選中選中 Simulink 模型窗口的模型窗口的 Simulation 菜單項(xiàng)，菜單項(xiàng)， 其中的其中的 Configuration Parameters 菜單項(xiàng)允許用戶設(shè)菜單項(xiàng)允許用戶設(shè) 置

8、置 仿真控制參數(shù)：仿真控制參數(shù)： 2021-6-1312 2021-6-1313 2021-6-1314 仿真控制參數(shù)仿真控制參數(shù) options 可以通過可以通過 simset( ) 函數(shù)函數(shù) 來設(shè)置，其調(diào)用格式為來設(shè)置，其調(diào)用格式為: 除了用除了用 Simulation 菜單啟動系統(tǒng)仿真的進(jìn)程外，菜單啟動系統(tǒng)仿真的進(jìn)程外， 還可以調(diào)用還可以調(diào)用 sim( ) 函數(shù)來進(jìn)行仿真分析，該函數(shù)函數(shù)來進(jìn)行仿真分析，該函數(shù) 的調(diào)用格式為的調(diào)用格式為: 2021-6-1315 5.2.3 Simulink 5.2.3 Simulink 在控制系統(tǒng)在控制系統(tǒng) 仿真研究中的應(yīng)用舉例仿真研究中的應(yīng)用舉例 【例

9、例5-25-2】非線性微分方程的框圖求解非線性微分方程的框圖求解 考慮例考慮例2-2- 3434中給出的中給出的 方程，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為方程，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為: : 2021-6-1316 這樣的微分方程在這樣的微分方程在 Simulink 下也可以搭建相應(yīng)下也可以搭建相應(yīng) 的仿真模型，從而進(jìn)行仿真。如下圖所示：的仿真模型，從而進(jìn)行仿真。如下圖所示： 2021-6-1317 這樣用下面的語句就可以繪制出各個狀態(tài)變量這樣用下面的語句就可以繪制出各個狀態(tài)變量 的時間響應(yīng)曲線，如圖的時間響應(yīng)曲線，如圖 2021-6-1318 2021-6-1319 2021-6-1320 【例例5-35-3】考慮例考慮

10、例 4-19 4-19 中介紹的多變量系統(tǒng)階躍響中介紹的多變量系統(tǒng)階躍響 應(yīng)仿真問題。由于含有時間延遲，所以不可能直接應(yīng)仿真問題。由于含有時間延遲，所以不可能直接 用用 feedback( )feedback( )函數(shù)構(gòu)造閉環(huán)系統(tǒng)模型，所以在例函數(shù)構(gòu)造閉環(huán)系統(tǒng)模型，所以在例 4-19 4-19的仿真中采用了的仿真中采用了 近似的方法將時間延遲近近似的方法將時間延遲近 似為二階傳遞函數(shù)的形式進(jìn)行仿真的，然而仿真的似為二階傳遞函數(shù)的形式進(jìn)行仿真的，然而仿真的 精度到底如何當(dāng)時無法驗(yàn)證。精度到底如何當(dāng)時無法驗(yàn)證。 有了有了 Simulink Simulink 這樣的工具，就可以容易地建立這樣的工具，

11、就可以容易地建立 起精確的仿真模型，如圖起精確的仿真模型，如圖 2021-6-1321 2021-6-1322 回顧例4-19中利用 近似得出的結(jié)果，可以利 用 step( ) 函數(shù)的特殊調(diào)用格式求出其在每一路階躍 信號單獨(dú)作用下的階躍響應(yīng)近似解 2021-6-1323 2021-6-1324 2021-6-1325 2021-6-1326 直接用 Simulink 模型進(jìn)行仿真，則可以容易地 得出該系統(tǒng)分別在兩路階躍單獨(dú)作用下階躍響應(yīng) 的精確解，并將解析解和近似解在同一坐標(biāo)系下 繪制出來，如下圖所示。 2021-6-1327 【例例5-45-4】計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真 考慮

12、如下圖所示經(jīng)典考慮如下圖所示經(jīng)典 的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模型，其中，控制器模型是離散模型，采的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模型，其中，控制器模型是離散模型，采 樣周期為樣周期為 秒，秒，ZOH ZOH 為零階保持器，而受控對象模型為連續(xù)為零階保持器，而受控對象模型為連續(xù) 模型，假設(shè)受控對象和控制器都已經(jīng)給定。模型，假設(shè)受控對象和控制器都已經(jīng)給定。 其中 ，對這樣的系統(tǒng)來說，直接寫成微分方程形 式再進(jìn)行仿真的方法是不可行的，因?yàn)槠渲屑扔羞B續(xù)環(huán)節(jié)， 又有離散環(huán)節(jié)，不可能直接寫出系統(tǒng)的微分方程模型。 2021-6-1328 解決這樣的系統(tǒng)仿真問題也是 Simulink 的強(qiáng)項(xiàng)， 由給出的控制系統(tǒng)框圖，可以容易地繪制出系

13、統(tǒng) 的 Simulink 仿真框圖，如下圖所示。 2021-6-1329 2021-6-1330 2021-6-1331 2021-6-1332 2021-6-1333 這時離散控制器的傳遞函數(shù)模型為: 這些語句能夠得出和 Simulink 完全一致的結(jié)果， 且分析格式更簡單，但也應(yīng)該注意到其局限性，因 為該方法只能分析線性系統(tǒng)，若含有非線性環(huán)節(jié)則 無能為力，而 Simulink 求解則沒有這樣的限制。 2021-6-1334 2021-6-1335 2021-6-1336 2021-6-1337 2021-6-1338 2021-6-1339 2021-6-1340 2021-6-1341

14、建立了仿真模型之后，就可以給出下面 MATLAB 命令，對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并得出該時變系統(tǒng)的 階躍響應(yīng)曲線，如圖所示。 2021-6-1342 2021-6-1343 2021-6-1344 Simulink仿真框圖如下：仿真框圖如下： 2021-6-1345 2021-6-1346 2021-6-1347 2021-6-1348 2021-6-1349 2021-6-1350 2021-6-1351 5.35.3 非線性系統(tǒng)分析與仿真非線性系統(tǒng)分析與仿真 分段線性的非線性環(huán)節(jié)分段線性的非線性環(huán)節(jié) 非線性系統(tǒng)的極限環(huán)研究非線性系統(tǒng)的極限環(huán)研究 非線性系統(tǒng)的線性化非線性系統(tǒng)的線性化 2021-6

15、-1352 .1分段線性的非線性環(huán)節(jié)分段線性的非線性環(huán)節(jié) 2021-6-1353 2021-6-1354 2021-6-1355 2021-6-1356 2021-6-1357 2021-6-1358 2021-6-1359 2021-6-1360 2021-6-1361 2021-6-1362 2021-6-1363 5.3.2 5.3.2 非線性系統(tǒng)的極限環(huán)研究非線性系統(tǒng)的極限環(huán)研究 2021-6-1364 2021-6-1365 2021-6-1366 2021-6-1367 2021-6-1368 2021-6-1369 2021-6-1370 5.3.3 5.3.3

16、非線性系統(tǒng)的線性化非線性系統(tǒng)的線性化 2021-6-1371 2021-6-1372 2021-6-1373 2021-6-1374 2021-6-1375 2021-6-1376 2021-6-1377 2021-6-1378 2021-6-1379 2021-6-1380 2021-6-1381 2021-6-1382 2021-6-1383 2021-6-1384 5.4 5.4 子系統(tǒng)與模塊封裝技術(shù)子系統(tǒng)與模塊封裝技術(shù) n 子系統(tǒng)概念及構(gòu)成方法子系統(tǒng)概念及構(gòu)成方法 n 模塊封裝方法模塊封裝方法 n 模塊集構(gòu)造模塊集構(gòu)造 2021-6-1385 5.4.1 5.4.1 子系統(tǒng)概念及構(gòu)成方

17、法子系統(tǒng)概念及構(gòu)成方法 2021-6-1386 2021-6-1387 2021-6-1388 2021-6-1389 5.4.2 5.4.2 模塊封裝方法模塊封裝方法 2021-6-1390 2021-6-1391 2021-6-1392 2021-6-1393 2021-6-1394 2021-6-1395 2021-6-1396 2021-6-1397 2021-6-1398 2021-6-1399 2021-6-13100 2021-6-13101 2021-6-13102 2021-6-13103 2021-6-13104 5.4.3 5.4.3 模塊集構(gòu)造模塊集構(gòu)造 2021-6-

18、13105 2021-6-13106 2021-6-13107 blkStruct.Name = sprintf(PID Controln blkStruct.OpenFcn = pidblock; % 這個變量指向模塊集文件名 blkStruct.MaskDisplay = disp(PIDnBlockset); % 模塊顯示 2021-6-13108 5.5 5.5 Simulink中的中的M-函數(shù)函數(shù) 和和S-函數(shù)及其應(yīng)用函數(shù)及其應(yīng)用 nM-函數(shù)模塊的基本結(jié)構(gòu)函數(shù)模塊的基本結(jié)構(gòu) nS-函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)函數(shù)的基本結(jié)構(gòu) n用用 MATLAB 編寫編寫S-函數(shù)舉例函數(shù)舉例 nS-函數(shù)的封裝函數(shù)的

19、封裝 2021-6-13109 5.5.1 M-5.5.1 M-函數(shù)模塊的基本結(jié)構(gòu)函數(shù)模塊的基本結(jié)構(gòu) 2021-6-13110 function y=satur_non(x) if abs(x)=3, y=2*sign(x); else, y=2/3*x; end 2021-6-13111 5.5.2 5.5.2 S-函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)函數(shù)的基本結(jié)構(gòu) 2021-6-13112 2021-6-13113 2021-6-13114 2021-6-13115 2021-6-13116 2021-6-13117 2021-6-13118 2021-6-13119 5.5.3 5.5.3 用用 MATLAB 編寫編寫S-函數(shù)舉例函數(shù)舉例 2021-6-13120 2021-6-13121 2021-6-13122 2021-6-13123 2021-6-1