第七章Simulink仿真

1、第七章 Simulink仿真仿真 自動化與電氣工程學院許春磊第七章 Simulink仿真仿真 71 Simulink基礎 72 Simulink模型操作和仿真系統(tǒng)設置 73 系統(tǒng)建模實例 74 仿真系統(tǒng)中的子系統(tǒng) Simulink是MATLAB軟件的一個軟件包，能夠對動力學系統(tǒng)進行建模、仿真以及各種分析。Simulink仿真模擬支持完全的圖形化界面。 Simulink提供了圖形用戶界面，使得構建模型變的更直觀、簡單，只需要鼠標的點擊與拖放。Simulink模塊是分層次結構的，為用戶尋找需要的模塊提供了方便，提高了工作效率。所以Simulink是MATLAB軟件一個非常重要的組成部分。 7.1

2、Simulink基礎基礎 1.啟動Simulink的兩種方法： a.通過點擊工具欄 “ ” 圖標啟動； b.在MATLAB命令窗口輸入simulink然后點擊回車鍵啟動。 打開的Simulink Library Browser 2. Simulink模塊庫瀏覽器模塊庫瀏覽器名稱描述Commonly Used Blocks常用模塊庫Continuous連續(xù)信號模塊庫Discontinuities不連續(xù)信號模塊庫Discrete離散信號模塊庫Logic and Bit Operations邏輯和位操作模塊庫Lookup Tables查表模塊庫Math Operations數學運算模塊庫Model

3、Verification模型確認模塊庫Model-Wide Utilities模型工具模塊庫Ports & Subsystems端口和子系統(tǒng)模塊庫Signal Attributes信號貢獻模塊庫Signal Routing信號傳輸模塊庫Sinks信號接收器模塊庫Sources信號源模塊庫User-Defined Functions用戶定義函數模塊庫Additional Math & Discrete附加數學和離散模塊庫3. Commonly Used Blocks模塊庫模塊庫常用模塊庫中模塊常用模塊庫中模塊模塊名稱描述Bus Creator母線產生器Bus Selector母線

4、選擇器Constant常數Data Type Conversion數據類型轉換Delay延遲Demux拆分信號Discrete-Time Integrator離散時間積分器Gain增益Ground接地In1輸入Integrator積分器Logical Operator邏輯算符Mux合并信號Out1輸出Product相乘Relational Operator關系算符Saturation飽和度Scope示波器Subsystem子系統(tǒng)Sum求和Switch開關Terminator終端Vector Concatenate矢量連接4. Simulink模型窗口模型窗口 模型窗口含有菜單欄、工具欄、編輯框

5、和狀態(tài)欄等部分5. Simulink建模仿真示例建模仿真示例 例例7.1 用Simulink模擬正弦信號產生與輸出。 創(chuàng)建Simulink的步驟： (1) 創(chuàng)建新模型界面 (2) 添加正弦信號產生模塊和波形顯示模塊 (3) 模塊屬性設置 (4) 運行仿真系統(tǒng)正弦信號模塊屬性設定正弦信號模塊屬性設定示波器屬性設置窗口示波器屬性設置窗口系統(tǒng)運行結果系統(tǒng)運行結果練一練 如何產生余弦信號？ 如何產生振幅為3的余弦信號？ 如何產生振幅為3、周期為4的余弦信號？例例7.2 用用Simulink模擬模擬chirp信號和正弦信號疊加的信號輸出信號和正弦信號疊加的信號輸出。Sine Wave模塊屬性設置Chir

6、p Signal模塊屬性設置屬性設置窗口示波器屬性設置示波器結果圖練一練 仿真正弦信號與chirp信號相乘的波形圖，示波器同時觀察三個波形。 例7.3 現有一待顯示圖形函數為 現需要在同一示波器中分別顯示 ， 和 曲線。212( )2*sinxf xxesin x212xe( )f x作業(yè)： 請借助Simulink工具完成將攝氏度轉換為華氏度，公式如下：9325fcTT7.2 Simulink模型操作和仿真系統(tǒng)設置模型操作和仿真系統(tǒng)設置 7.2.1 Simulink模型操作模型操作 操作模塊操作模塊 操作連線操作連線 7.2.2 Simulink仿真系統(tǒng)設置仿真系統(tǒng)設置 例例7.4 借助積分器

7、求微分方程 其中 為單位階躍函數。0.20.40.2 ( )xxxu t( )u t0.2 ( )0.40.2xu txx 方法1： 解：將微分方程改寫為73 系統(tǒng)建模實例系統(tǒng)建模實例0.2 ( )0.40.2xu txx圖形窗口屬性設置最終仿真結果 % EXAMP070031 % (從工作空間加載數據). t=simout.x.Time(:); %輸入信號標線為x x=simout.x.Data(:); % (在變量x中尋找最大值). xm,km=max(x); % (繪制最終結果圖形). plot(t,x) hold on % (標注x的最大值位置). plot(t(km),xm,ro,m

8、arkersize,15,linewidth,2); hold off grid on title(仿真結果)方法2： 解：傳輸函數20.20.20.4ss 方法3：狀態(tài)空間模型 G=tf(0.2,1 0.2 0.4) G1=ss(G)試一試 借助Simulink仿真求解微分方程 初始條件為210(1)10sin(2 )xxxxt(0)2,(0)2xx ，。 210sin(2 ) 10(1)xtxxx 例7.5 用Simulink創(chuàng)建系統(tǒng),求解非線性微分方程 其初始值為 ， 繪制函數的波形。2(32)44xxxxx(0)2,(0)0 xx 例7.6 力-質量系統(tǒng)，要拉動一個箱子（拉力f=1N)

9、，箱子質量為M(1kg)，箱子與地面存在摩擦力(b=0.4N(/m/s),其大小與車子的速度成正比。 其運動方程式為xMxbf 拉力作用時間為2s，建構的模型為 例7.7 下圖所示簡單的單擺系統(tǒng),假設桿的長度為L,且質量不計,鋼球的質量為m.單擺的運動可以以線性的微分方程式來近似,但事實上系統(tǒng)的行為是非線性的,而且存在粘滯阻尼,假設粘滯阻尼系數為bkg/ms-1. 選取b=0.03,g=9.8,L=0.8,m=0.3,所構建的模型 mLbLmgsin 單擺系統(tǒng)的運動方程式為 24. 0024. 0sin94. 2 1 . 0sin25.12Integrator初始狀態(tài)為0Integrator1

10、初始狀態(tài)為1創(chuàng)建Simulink仿真系統(tǒng)模型步驟如下：(1) 將Sources模塊庫中Signal Generator模塊拖入模型窗口；將Continuous模塊庫中State-Space模塊拖入模型窗口；將Sinks模塊庫中Scope模塊拖入模型窗口。(2) 連線，設置模塊屬性。Signal Generator模塊，Wave form設置為square，Amplitude設置為25；State-Space模塊，Parameters A設置為-1/0.02, -0.3/0.02; 0.3/0.0001, -0.000005/0.0001，B設置為1/0.02; 0，C設置為0, 1，D設置為0

11、，Initial conditions設置為1, 10。結果如圖7.40所示。(3) 將上面仿真系統(tǒng)模型保存為EXAMP07006，Stop time設置為2秒。作業(yè)： 請借助Simulink工具完成下面動力學系統(tǒng)仿真411( )cos(2)cos(6)cos(10)925x tttt7.4 仿真系統(tǒng)中的子系統(tǒng)仿真系統(tǒng)中的子系統(tǒng) 7.4.1 創(chuàng)建子系統(tǒng)創(chuàng)建子系統(tǒng) 當用戶創(chuàng)建一些模塊能夠實現某些特定功能，想把這些模塊變成子系統(tǒng)。操作步驟如下： (1) 將需要放到子系統(tǒng)中的所有模塊都選中； (2) 選擇菜單/Diagram/Subsystem & model Referecence/Cre

12、ate Subsystem from Selection命令，或者單擊鼠標右鍵，在彈出菜單中選擇Create Subsystem from Selection命令，子系統(tǒng)建立。 通過Subsystem模塊創(chuàng)建子系統(tǒng)，可以按照下面步驟： (1) 打開Simulink模塊庫，將Ports & Sybsystems模塊庫中Subsystem模塊拖入模型窗口； (2) 雙擊Subsystem模塊，打開Subsystem窗口； (3) 把要組合的模塊拖入Subsystem窗口內，然后在窗口中加入Inport模塊表示從子系統(tǒng)外部到內部的輸入，加入Output模塊表示從子系統(tǒng)內部到外部的輸出，把這些

13、模塊按順序連接起來，子系統(tǒng)建立。 例例7.9 PID控制器是在自動控制中經常使用的模塊，在工程應用中其標準的數字模型為 其中采用了一階環(huán)節(jié)來近似純微分動作，為保證有良好的微分近似的效果，一般選 。試建立PID控制器的模型并建立子系統(tǒng)。1( )(1) ( )1/dpidT sU sKE sTsT s N10N 借助Simulink創(chuàng)建PID控制器模型步驟如下：(1) 將Sources模塊庫中In1模塊拖入模型窗口；將Sinks模塊庫中Out1模塊拖入模型窗口；將Math Operations模塊庫中Grain模塊和Add模塊拖入模型窗口；將Continuous模塊庫中2個Transfer Fcn

14、模塊拖入模型窗口。(2) 連線，設置各個模塊屬性。Gain模塊，Gain屬性設置為Kp；Transfer Fcn模塊，Parameters中Denominator coefficients設置為Ti 0；Transfer Fcn1模塊，Parameters中Numerator coefficients設置為Td 0，Denominator coefficients設置為Td/N 1；Add模塊，List of signs設置為+。創(chuàng)建子系統(tǒng)有兩種方法，方法一步驟如下：(1) 按住shift鍵，通過鼠標選中Gain模塊、Transfer Fcn模塊、Transfer Fcn1模塊和Add模塊；(

15、2) 單擊鼠標右鍵打開懸掛菜單，選中Create subsystem from selection命令，子系統(tǒng)建立；也可以借助快捷鍵ctrl+G創(chuàng)建子系統(tǒng)。方法二步驟如下：(1) 將Ports & Subsystems模塊庫中拖入建模窗口；(2) 雙擊Subsystem模塊，打開子系統(tǒng)窗口；(3) 將Math Operations模塊庫中Grain模塊和Add模塊拖入模型窗口；將Continuous模塊庫中2個Transfer Fcn模塊拖入模型窗口；(4) 連線，設置各個模塊屬性。Gain模塊，Gain屬性設置為Kp；Transfer Fcn模塊，Parameters中Denomin

16、ator coefficients設置為Ti 0；Transfer Fcn1模塊，Parameters中Numerator coefficients設置為Td 0，Denominator coefficients設置為Td/N 1；Add模塊，List of signs設置為+。子系統(tǒng)建立。7.4.2 子系統(tǒng)的條件執(zhí)行子系統(tǒng)的條件執(zhí)行 1. 使能子系統(tǒng) 例例7.10 利用使能子系統(tǒng)構成一個正弦半波整流器創(chuàng)建子系統(tǒng)步驟如下：(1) 打開Simulink Library Browser窗口，創(chuàng)建一仿真模型；(2) 將Sources模塊庫中Sine Wave模塊拖入模型窗口；將Ports &

17、 Subsystems中的Enabled Subsystem模塊拖入模型窗口；將Sinks模塊庫中Scope模塊拖入模型窗口；(3) 連線，設置模塊屬性。Scope模塊，Number of axes設置為2。設置Stop time為20秒。2. 觸發(fā)子系統(tǒng)觸發(fā)子系統(tǒng) 觸發(fā)事件由系統(tǒng)內觸發(fā)模塊對話框定義，有4種觸發(fā)事件形式可以選擇： (1) rising：觸發(fā)信號以增長的方式穿越0時，子系統(tǒng)開始接收輸入值； (2) falling：觸發(fā)信號以減小的方式穿越0時，子系統(tǒng)開始接收輸入值； (3) either：每當觸發(fā)信號穿越0時，子系統(tǒng)開始接收輸入值； (4) function-call：這種觸發(fā)

18、方式必須和S函數配合使用。 Trigger模塊參數設置對話框中，有Show output port復選框，表示是否為Trigger模塊添加一個輸出端口，用來輸出控制信號。選中后，下面參數Output data type被激活，在這里的輸出控制信號的類型，含有auto、int8和double類型。例例7.11 利用觸發(fā)子系統(tǒng)獲取零階保持的采樣信號實例創(chuàng)建模型步驟如下：(1) 將Sources模塊庫中Pulse Generator模塊和Sine Wave模塊拖入建模窗口；將Sinks模塊庫中Scope拖入建模窗口；將Ports & Subsystems模塊庫中Triggered Subsy

19、stem模塊拖入模型窗口。(2) 連線，模塊屬性設置。Pulse Generator模塊，Period設置為1，Pulse Width設置為50；Scope模塊，Number of axes設置為3，y軸的顯示范圍定義為-1.5到1.5，背景設計顏色設置為白色，線條都設置為黑色；其它屬性及其它模塊輸定都采用默認值。(3) 雙擊Triggered Subsystem模塊，打開觸發(fā)子系統(tǒng)窗口，在In1模塊和Out1模塊之間添加一個Slider Gain模塊，所有屬性都采用默認值。Stop time設置為20秒。7.4.3 封裝子系統(tǒng)封裝子系統(tǒng) 封裝子系統(tǒng)的創(chuàng)建步驟為：(1) 創(chuàng)建仿真系統(tǒng)模型；(2) 創(chuàng)建子系統(tǒng)；(3) 在選中子系統(tǒng)情況下，通過菜單/Diagram/Mask/Create Mask命令或者快捷組合鍵ctrl+M，打開屬性設置窗口，可以設置封裝子系統(tǒng)的參數屬性、模塊描述、幫助說明等，完成子系統(tǒng)封裝。例例7.12 封裝子系統(tǒng)創(chuàng)建創(chuàng)建封裝子系統(tǒng)步驟如下：(1) 將Sources模塊庫中2個In1模塊