MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用

1、.專業(yè)整理 .例 2-1已知一個(gè)系統(tǒng)的微分方程為：dx1x2dtdx2u5x1dt其中，狀態(tài)變量初始條件x1 (0) x2 (0) 0 ，輸入 u 為階躍函數(shù) ，要求利用 SIMULINK 對系統(tǒng)建立仿真模型 ，并繪制時(shí)域響應(yīng)曲線 。在利用 SIMULINK 創(chuàng)建模型之前 ，先把微分方程進(jìn)行拉普拉斯變換，得到每個(gè)微分方程的傳遞函數(shù) ，即用傳遞函數(shù)的形式表示系統(tǒng)。x21x11ssStepIntegratorIntegrator1Scope5Gain連接信號之后的系統(tǒng)模型圖exam2_1系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)曲線.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .例 7-9一個(gè)控制系統(tǒng)由5 個(gè)子系統(tǒng)組成 ，組成結(jié)構(gòu)如下圖G1(s)G

2、2(s)Y(s)G4(s)R(s)G3(s)H(s)各子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)分別為：G1 (s)s25s1 ， G2 (s)4( s 6)， G3 (s)10 ，G4 (s)s1， H ( s) 0.12s215s6( s 2)(s20)s 10s23s6試在 MATLAB 中分別用仿真模塊建模和仿真命令編程兩種方法進(jìn)行仿真，并繪制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖 。首先在 Simulink 環(huán)境下將所需要的仿真模塊連接起來，并將各模塊的參數(shù)設(shè)置好。s+54s+242s2+15s+6s2+22s+40Transfer FcnTransfer Fcn2s+1Steps2+3s+610Transfer Fcn3Sc

3、opes+10AddTransfer Fcn10.1H系統(tǒng)的仿真模型圖exam7_9.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .系統(tǒng)的階躍響應(yīng)MATLAB 程序如下 ：%control system simulationclear all;clc;num1=1 5 1;den1=2 15 6;G1=tf(num1,den1);z=-6;p=-2;-20;k=4;G2=zpk(z,p,k);G3=tf(10,1 10);num4=1 1;den4=1 3 6;G4=tf(num4,den4);H=0.1;Gf=(G1*G2+G3)*G4;G=feedback(Gf,H);GG=tf(G);step(G);.學(xué)習(xí)幫

4、手 .專業(yè)整理 .%axis(0 10 0 0.35)grid on程序運(yùn)行后得到的階躍響應(yīng)曲線如圖所示。Step Response0.350.30.250.2edutilpmA0.150.10.05000.511.522.533.54Time (sec)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)程序運(yùn)行結(jié)果為 ：Zero/pole/gain:12 (s+0.3845) (s+1) (s+2.199) (s+7.054) (s+18.45)-(s+19.99) (s+9.88) (s+7.077) (s+1.993) (s+0.4234) (s2+ 3.137s + 6.217)Transfer function:12

5、s5 + 349 s4 + 2699 s3 + 6654 s2 + 5612 s + 1320.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .-s7+ 42.5 s6+ 628.7 s5+ 4227 s4+ 1.441e004 s3+ 2.788e004 s2+2.684e004 s + 7332從結(jié)果可以看出 ，采用仿真模塊建模實(shí)現(xiàn)仿真的方法與采用仿真命令實(shí)現(xiàn)仿真的方法得到的仿真結(jié)果是完全相同的。采用哪一種方法進(jìn)行仿真，可以根據(jù)實(shí)際情況而定。一般說來，采用仿真模塊建模實(shí)現(xiàn)仿真的方法更簡單、方便，但采用仿真命令實(shí)現(xiàn)仿真的方法更靈活。利用輸出模塊分析利用 SIMULINK 輸出模塊進(jìn)行仿真結(jié)果分析輸出有以下幾種方法：

6、觀察輸出軌跡 ；以文件形式輸出 ；直接顯示數(shù)據(jù)輸出 ；用表盤和量計(jì)顯示輸出；進(jìn)行數(shù)字信號處理 、分析輸出 。1觀察輸出軌跡 信號輸入到 Scope 模塊或 XY Graph( 相軌跡示波器 )模塊觀察輸出軌跡 。.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .sin(t)XY Graphsin(2t)圖 exam2_21 將輸出信號寫入返回變量，并利用 MATLAB 命令繪圖在仿真結(jié)束后 ，在 MATLAB 工作空間自動生成兩個(gè)變量tout 和 yout ，分別返回時(shí)間矢量和各個(gè)輸出端子的仿真結(jié)果。執(zhí)行 plot(tout,yout)得圖示結(jié)果 。1x21x1ss1Out1StepIntegratorIntegra

7、tor15Gain圖 exam2_23.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .0.40.350.30.250.20.150.10.050012345678910 使用 ToWorkspace 模塊把輸出寫入到MATLAB 工作空間 ，然后通過 MATLAB 的繪圖命令繪制輸出軌跡 。1x21x1simoutssStepIntegratorIntegrator1To Workspace5x1GainStepIntegratorIntegrator1To Workspace圖 exam2_252. 以文件形式輸出仿真結(jié)果Gainuntitled.matTo File利用輸出模塊中的To file 模塊可以將仿真

8、結(jié)果以Mat 文件的格式直接保存到數(shù)據(jù)文件中。3. 直接顯示數(shù)據(jù)輸出.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .4. 表盤和量計(jì)顯示輸出Dials & Gauges5. 信號處理 、分析輸出DSP 模塊、SIMULINK Extra 模塊sin(t)AddPower SpectralDensitysin(2t)圖 exam2_29.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .2.5 子系統(tǒng)隨著研究的系統(tǒng)越來越大，越來越復(fù)雜 ，直接使用基本的SIMULINK 模塊創(chuàng)建的系統(tǒng)模型會十分龐大 ，而且信號的傳輸方向也會變得十分不明顯。為了簡化模型以及增加它的可讀性，可以將一些獨(dú)立功能的模塊化分成一組，構(gòu)成子系統(tǒng) 。子系統(tǒng)的創(chuàng)建使用

9、子系統(tǒng)不僅可以使仿真模型中顯示的模塊數(shù)量減少，便于讀圖 ，而且還建立了層次化的仿真模型框圖 ，子系統(tǒng)模塊在一個(gè)層次，組成各個(gè)子系統(tǒng)的模塊在另外一個(gè)層次。.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .創(chuàng)建子系統(tǒng)的方法有兩種：一種是利用模型中已經(jīng)存在的模塊創(chuàng)建子系統(tǒng)；另一種是通過向子系統(tǒng)模塊加入新的模塊創(chuàng)建子系統(tǒng)。1. 通過已有模塊創(chuàng)建子系統(tǒng)1s1KpIntegrator1In1GainOut1Adddu/dtDerivative圖 exam2_331In1Out11In1Out1Subsystem1In1Out11In1Out1PID Controller通過比例 、微分、積分模塊創(chuàng)建 PID 控制器子系統(tǒng)的具體步

10、驟： 選中組成 PID 控制器的所有模塊 ； 執(zhí)行 Edit/Createsubsystem 命令，則會把已經(jīng)選中的模塊裝入一個(gè)名為subsystem的模塊中 。2. 通過子系統(tǒng)模塊創(chuàng)建子系統(tǒng).學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .SimulinkCommon Used BlocksSubsystem復(fù)制一個(gè) Subsystem 模塊到仿真模型窗口 ，然后雙擊該模塊 ，產(chǎn)生一個(gè)模型窗口 ，最后利用創(chuàng)建 SIMULINK 仿真模型的方法把子系統(tǒng)包含的所有模塊復(fù)制到其中，對其進(jìn)行信號連接。創(chuàng)建 PID 控制器子系統(tǒng)的具體過程：子系統(tǒng)的封裝利用前面介紹的方法創(chuàng)建子系統(tǒng)，到達(dá)了簡化模型 、提高模型可讀性的目的。但是

11、這樣建立的子系統(tǒng)要從MATLAB 工作空間直接獲取變量 ，與 SIMULINK 模塊庫中的基本模塊還有很大差別 ，存在著不少缺陷 。 因此，需要對所創(chuàng)建的子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，進(jìn)一步完善子系統(tǒng) 。所謂子系統(tǒng)的封裝技術(shù)就是將對應(yīng)的子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)隱藏起來。這樣在訪問此子系統(tǒng)模塊時(shí)就只出現(xiàn)一個(gè)參數(shù)設(shè)置對話框，只要將所需要的變量參數(shù)輸入到對話框中即可。實(shí)際上，SIMULINK 的基本模塊也是子系統(tǒng)封裝后得到的，所以子系統(tǒng)封裝之后與基本模塊是一致的。子系統(tǒng)的封裝過程如下： 選中已創(chuàng)建的子系統(tǒng) ,在仿真模型窗口的菜單欄執(zhí)行Edit/Mask subsystem命令，將會打開 Mask Editor 對話框 。

12、.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 . 利用封裝編輯器可以實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)對話框的設(shè)計(jì)。需要設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括子系統(tǒng)的圖形標(biāo)示、變量參數(shù)以及模塊描述和幫助信息。 關(guān)閉封裝編輯器 ，則得到了新建的封裝之后的子系統(tǒng)模塊。1. 封裝編輯器 Icon 選項(xiàng)卡 Mask type 文本框：可以任意填寫 ，它接受中 、英文輸入 。 Drawing commands( 圖形標(biāo)示命令 )文本框 ：對封裝后的子系統(tǒng)進(jìn)行圖形標(biāo)識 。 可以使用 plot 命令繪制圖形 ，可以使用 disp 命令在子系統(tǒng)的圖標(biāo)上寫入字符串名稱 ，可以使用image 函數(shù)進(jìn)行圖像顯示 。 Icon frame( 標(biāo)識邊框 )：設(shè)置模塊圖標(biāo)是否有邊框 ，

13、Visible or Invisible 。 Icon transparency(標(biāo)識透明 )： Opaque or Transparent。默認(rèn)值 Opaque ：圖標(biāo)上的.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .圖形會將子系統(tǒng)模塊的端口信息覆蓋。 Icon rotation ：Fixed or Rotates.默認(rèn)值 Fixed，表示在旋轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模塊時(shí)，圖標(biāo)不會隨之旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)。Rotates ，則表示在旋轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模塊時(shí)，圖標(biāo)會隨之旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)。 Drawing coordinates(units): Autoscal Pixels e Normalized.默認(rèn)的格式 Autoscale Ini

14、tialization 選項(xiàng)卡在進(jìn)行子系統(tǒng)模塊封裝時(shí)，最重要的一步就是設(shè)計(jì)子系統(tǒng)模塊變量參數(shù)設(shè)置對話框，這需要在 Initialization選項(xiàng)卡中完成 ，可以對封裝子系統(tǒng)模塊的參數(shù)設(shè)置對話框進(jìn)行變量參數(shù)的提示與設(shè)置的設(shè)計(jì) 。Initializationcommands ，用于定義生成封裝子系統(tǒng)模塊過程中所需要的變量。例如，封裝系統(tǒng)模塊過程中如果使用MATLAB 的 plot 繪制模塊圖標(biāo) ，在此可以定義所需要的變量。 Documentation選項(xiàng)卡.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .Documentation選項(xiàng)卡提供給用戶編寫封裝子系統(tǒng)模塊的性質(zhì)說明和幫助信息。Mask typeBlock de

15、scriptionBlock help2. 封裝實(shí)例 ： PID 控制器子系統(tǒng)模塊封裝 模塊顯示 “PID Controller ”：在 Drawing commands中輸入 disp( PID Controller ) 。.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .1PID Controller1In1Out1PID Controller 在 Parameters( 以前版本在 Initialization中)選項(xiàng)卡中設(shè)計(jì)封裝后子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對話框，PID 控制器需要傳遞的變量參數(shù)有3 個(gè)，單擊 Add 按鈕 3 次，即生成 3 個(gè)需要傳遞變量的位置。 在 Documentation選項(xiàng)卡中 ，為 PID

16、控制器子系統(tǒng)模塊添加文字說明。.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .條件執(zhí)行子系統(tǒng)在 simulink 模塊庫中 ， Enable 模塊和 Trigger 模塊是比較特殊的模塊 ，如果把這樣的模塊放到某個(gè)子系統(tǒng)中 ，該子系統(tǒng)會在給定的控制信號的控制下執(zhí)行 ，這樣的子系統(tǒng)稱為條件執(zhí)行子系統(tǒng) (conditionally executed subsystem)。1. Enabled subsystemEnabledsubsystem 只有控制信號為正時(shí) ，才執(zhí)行子系統(tǒng) ，否則禁止執(zhí)行 。 實(shí)際上，它.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .就是數(shù)字電路中的電平觸發(fā)。當(dāng)它處于禁止?fàn)顟B(tài)時(shí) ，為了保持系統(tǒng)輸出的連續(xù)性，它也有信號輸

17、出 。 用戶可以選擇繼續(xù)保持禁止前的信號輸出，也可以將子系統(tǒng)強(qiáng)制復(fù)位再指定輸出值。 SimulinkPorts & SubsystemsEnabled SubsystemIn1Out1EnableEnabled11SubsystemIn1Out1 設(shè)置 Enable 模塊參數(shù)的方法 ：首先雙擊 Enable 模塊，然后進(jìn)行設(shè)置 held or reset 。TriggeredSubsystem 通過選通 show output port復(fù)選框以設(shè)置是否允許系統(tǒng)輸出使能控制信號。 Enabled subsystem的 Out1 模塊，設(shè)置 Enabled subsystem在禁止?fàn)顟B(tài)下的

18、輸出信號。.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .在 Output when disabled 中，如果選擇 held ，則在禁止?fàn)顟B(tài)下的輸出將保持禁止前的狀態(tài)值；如果選擇 reset ，則子系統(tǒng)被強(qiáng)制復(fù)位 ，并且此時(shí)的輸出需要在 Initial Output 中設(shè)置。 使用 Enable subsystem模塊實(shí)現(xiàn)半波整流系統(tǒng)的仿真。半波整流系統(tǒng)在輸入信號為正時(shí)，輸出原信號 ，否則輸出為零 。In1Out1Sine WaveEnabledScopeSubsystem圖 exam2_45.學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .2. Triggered subsystemTriggeredsubsystem是在觸發(fā)信號發(fā)生的瞬間執(zhí)行子系統(tǒng)，然后保持子系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，直到下一個(gè)觸發(fā)信號到來。EnabledSubsystem SimulinkPorts & SubsystemsTriggered SubsystemIn1Out1TriggerTriggered11Subsy