第5章 SIMULINK仿真

1、第第 5 章章 SIMULINK仿真仿真2022-3-2712022-3-272第五章第五章 MATLAB的的SIMULINK仿真仿真 SIMULINK是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分是一個進行動態(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、多任務線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務、多任務離散事件系統(tǒng)。離散事件系統(tǒng)。 在在 SIMULINK 提供的圖形用戶界面提供的圖形用戶界面GUI上，只要進行上，只要進行鼠標的簡單拖拉操作就可構(gòu)造出復雜的仿真模型。它鼠標的簡單拖拉操作就可構(gòu)造

2、出復雜的仿真模型。它外表以方塊圖形式呈現(xiàn)，且采用分層結(jié)構(gòu)。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（從建模角度講，這既適于自上而下（Top-down）的設的設計流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件），計流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件），又適于自下而上（又適于自下而上（Bottum-up） 逆程設計。逆程設計。2022-3-273MATLAB的的SIMULINK仿真仿真 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)的動態(tài)細節(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。 在 SIMUL

3、INK 環(huán)境中，用戶將觀察到現(xiàn)實世界中非線性因素和各種隨機因素對系統(tǒng)行為的影響。 在 SIMULINK 環(huán)境中，用戶可以在仿真進程中改變感興趣的參數(shù)，實時地觀察系統(tǒng)行為的變化。2022-3-274MATLAB的的SIMULINK仿真仿真 在在MATLAB 7.0 版中，可直接在版中，可直接在 SIMULINK 環(huán)境中運環(huán)境中運作的工具包很多，已覆蓋通信、控制、信號處理、作的工具包很多，已覆蓋通信、控制、信號處理、DSP、電力系統(tǒng)等諸多領域，所涉內(nèi)容專業(yè)性極強。電力系統(tǒng)等諸多領域，所涉內(nèi)容專業(yè)性極強。 本講由淺入深地講述本講由淺入深地講述 SIMULINK 對各種數(shù)學、工程問對各種數(shù)學、工程問題

4、的建模、仿真和分析的基本方法，采用題的建模、仿真和分析的基本方法，采用“算例算例”作作為主體，配以適量的歸納性表述。為主體，配以適量的歸納性表述。2022-3-275模型的創(chuàng)建和模型文件模型的創(chuàng)建和模型文件SIMULINK 模型是什么？模型是什么？SIMULINK 模型有以下幾層含義：模型有以下幾層含義： 在視覺上表現(xiàn)為直觀的方框圖；在視覺上表現(xiàn)為直觀的方框圖； 在文件上則是擴展名為在文件上則是擴展名為 mdl 的的ASCII代碼；代碼； 在數(shù)學上表現(xiàn)為一組微分方程或差分方在數(shù)學上表現(xiàn)為一組微分方程或差分方程；程； 在行為上則模擬了實際系統(tǒng)的動態(tài)特性在行為上則模擬了實際系統(tǒng)的動態(tài)特性 。202

5、2-3-276 SIMULINK SIMULINK 模型通常包含三種模型通常包含三種 “組件組件”： 信源（信源（ SourcesSources）：）：可以是常數(shù)、時鐘、白噪聲、正可以是常數(shù)、時鐘、白噪聲、正弦波、階梯波、掃頻信號、脈沖生成器、隨機數(shù)產(chǎn)生弦波、階梯波、掃頻信號、脈沖生成器、隨機數(shù)產(chǎn)生器等信號源；器等信號源； 系統(tǒng)（系統(tǒng)（ SystemSystem）：）：即指被研究系統(tǒng)的即指被研究系統(tǒng)的 SIMULINK SIMULINK 方方框圖；框圖； 信宿信宿（ Sink Sink）：）：可以是示波器、圖形記錄儀等?？梢允鞘静ㄆ?、圖形記錄儀等。 對于具體的對于具體的 SIMULINK SI

6、MULINK 模型而，不一定完全地包含這模型而，不一定完全地包含這三大組件。例如：研究初始條件對系統(tǒng)影響就不必包三大組件。例如：研究初始條件對系統(tǒng)影響就不必包含信源組件。含信源組件。2022-3-277SIMULINK 模型的創(chuàng)建模型的創(chuàng)建 創(chuàng)建模型文件；創(chuàng)建模型文件； 選擇對象；選擇對象； 模塊的操作；模塊的操作； 連線的操作；連線的操作； 對模型的注釋；對模型的注釋； 創(chuàng)建子系統(tǒng)；創(chuàng)建子系統(tǒng)； 仿真的配置仿真的配置 ； 保存模型；保存模型； 仿真和結(jié)果分析。仿真和結(jié)果分析。2022-3-278仿真運行仿真運行 使用菜單進行仿真使用菜單進行仿真 設置仿真參數(shù)和選擇求解器設置仿真參數(shù)和選擇求解

7、器 通過選擇菜單通過選擇菜單 Simulation 下的下的 Parameters 菜單項，用菜單項，用來設置仿真參數(shù)和選擇求解器。其中有三個頁面管理來設置仿真參數(shù)和選擇求解器。其中有三個頁面管理這些仿真參數(shù)。這些仿真參數(shù)。 在在 Solver 頁面，設置開始和停止時間，選擇求解器和頁面，設置開始和停止時間，選擇求解器和指定求解器（指定求解器（solver）的參數(shù)，另外還可以選擇一些輸?shù)膮?shù)，另外還可以選擇一些輸出選項。出選項。 在在 Solver options 中，中， SIMULINK 模型的仿真涉及到模型的仿真涉及到一組常微分方程（一組常微分方程（ODEs）的數(shù)值積分。如果模型是連的數(shù)

8、值積分。如果模型是連續(xù)系統(tǒng)，使用續(xù)系統(tǒng)，使用ode45方法方法；如果模型不是連續(xù)系統(tǒng)，使如果模型不是連續(xù)系統(tǒng)，使用用discrete方法。方法。2022-3-279仿真運行仿真運行 在在 Workspace I/O Workspace I/O 頁面，管理對頁面，管理對 MATLAB MATLAB 工作空間工作空間的輸入和輸出。的輸入和輸出。 在在 Diagnostics Diagnostics 頁面，可以選擇在仿真期間顯示的警頁面，可以選擇在仿真期間顯示的警告信息的層次。告信息的層次。 通過命令行運行仿真通過命令行運行仿真 通過命令行運行仿真與通過菜單運行仿真相比通過命令行運行仿真與通過菜單運

9、行仿真相比 ，有如，有如下的下的 一些優(yōu)點：一些優(yōu)點： 可以不理睬模塊中的初始條件（參數(shù)可以不理睬模塊中的初始條件（參數(shù) x0 x0 ）；）； 可以定義任何外部輸入（用參數(shù)可以定義任何外部輸入（用參數(shù) ut ut ）；）；2022-3-2710仿真運行仿真運行 可以由一個可以由一個M 文件來啟動一個仿真，并且允許模塊中文件來啟動一個仿真，并且允許模塊中的參數(shù)發(fā)生改變的參數(shù)發(fā)生改變 。 用來進行仿真的命令有四個：用來進行仿真的命令有四個： 使用使用 set_param 命令：開始、停止或者繼續(xù)仿真或者命令：開始、停止或者繼續(xù)仿真或者更新模塊的方框圖。更新模塊的方框圖。 get_param 命令來

10、檢查一個仿真命令來檢查一個仿真的狀態(tài)。的狀態(tài)。 使用使用 sim 命令：啟動仿真命令；命令：啟動仿真命令； 使用使用 simset 命令：用來向命令：用來向 sim 命令產(chǎn)生或者編輯仿真命令產(chǎn)生或者編輯仿真參數(shù)和積分法屬性的命令；參數(shù)和積分法屬性的命令； 使用使用 simget 命令：可以得到選項結(jié)構(gòu)體屬性和參數(shù)。命令：可以得到選項結(jié)構(gòu)體屬性和參數(shù)。2022-3-2711SIMULINK模型窗的組成 L 工具條工具條：最左邊9個圖標實現(xiàn)標準的Windows操作。其余圖標含義如下： 打開庫瀏覽器 模型瀏覽器單雙窗外形切換 展現(xiàn)當前系統(tǒng)的父系統(tǒng) 打開調(diào)試器 仿真的啟動或繼續(xù) 暫停（在仿真執(zhí)行過程中

11、出現(xiàn)） 結(jié)束仿真 顯示庫連接 觀察封裝子系統(tǒng)2022-3-2712如何調(diào)用MATLAB工作空間中的信號矩陣作為模型輸入。本例所需的輸入為 （1）編寫一個產(chǎn)生信號矩陣的）編寫一個產(chǎn)生信號矩陣的M函數(shù)文件函數(shù)文件function TU=source82_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;elseTtTTttTttu200)2()(222022-3-2713（2）構(gòu)造簡單

12、的接收信號用的實驗模型）構(gòu)造簡單的接收信號用的實驗模型 2022-3-2714（3）模塊的參數(shù)設置）模塊的參數(shù)設置 雙擊S82_1，在對話框中的Data中填寫TU（4）在指令窗中，運行以下指令，在）在指令窗中，運行以下指令，在MATLAB工作空間中產(chǎn)生工作空間中產(chǎn)生TU信號矩陣信號矩陣。TU=source82_1(1,100,4);（5）選中模型窗菜單選中模型窗菜單【Simulation：Start】，】，示波器呈現(xiàn)圖右圖信號。示波器呈現(xiàn)圖右圖信號。2022-3-2715復位積分器的功用示例 ttttdtttdttf5055 . 0505 . 0)(從實際抽象出初始狀態(tài)為0的二階微分方程 ，

13、是單位階躍函數(shù)。本例演示如何用積分器直接構(gòu)搭求解該微分方程的模型。 )(2 .04 .02 .0tuxxx )(tu2022-3-2717利用存放在MATLAB工作空間中的仿真數(shù)據(jù)所繪制的曲線Clftt=ScopeData.time;%為書寫簡單，把構(gòu)架域的時間數(shù)據(jù)另賦給為書寫簡單，把構(gòu)架域的時間數(shù)據(jù)另賦給ttxx=ScopeData.signals.values;%目的同上。目的同上。xm,km=max(xx);plot(tt,xx,r,LineWidth,4);hold onplot(tt(km),xm,b.,MarkerSize,36);hold offstrmax=char(最大值最大

14、值,t = ,num2str(tt(km),x = ,num2str(xm);text(6.5,xm,strmax),xlabel(t),ylabel(x)2022-3-2718利用存放在MATLAB工作空間中的仿真數(shù)據(jù)所繪制的曲線0510152000.10.20.30.40.50.60.70.80.9最 大值 t = 4.9144 x = 0.80152tx2022-3-2719直接利用傳遞函數(shù)模塊求解方程 2022-3-2721利用使能子系統(tǒng)實現(xiàn)半波整流的仿真模型 Band-Limited White Noise（限帶白噪聲限帶白噪聲）Chirp Signal（掃頻信號掃頻信號）Clock

15、（時鐘時鐘）Constant（常量）常量）Digital Clock（數(shù)字時鐘數(shù)字時鐘） Discrete Pulse Generator（離散脈沖生成器離散脈沖生成器）From Workspace（從工作空間讀取數(shù)據(jù)從工作空間讀取數(shù)據(jù)）From File（從文件讀數(shù)據(jù)從文件讀數(shù)據(jù)）Pulse Generator（脈沖生成器脈沖生成器）Ramp（傾斜）傾斜）Random Number（隨機數(shù)產(chǎn)生器隨機數(shù)產(chǎn)生器）Repeating Sequence（重復序列）重復序列）Sources 庫（續(xù)）庫（續(xù)）Signal Generator（信號發(fā)生信號發(fā)生 器器）Sine Wave（正弦波正弦波）St

16、ep（階躍階躍）Uniform Random Number（均勻分布隨機數(shù)）均勻分布隨機數(shù)）Display（顯示顯示）Scope（示波器示波器）Stop Simulation（停止仿真）停止仿真）To File（寫入文件寫入文件）To Workspace（寫到工作空間寫到工作空間）XY Graph（顯示平面圖形顯示平面圖形）Discrete 庫庫Discrete Filter（離散濾波器離散濾波器）Discrete State Space（離散狀態(tài)空間離散狀態(tài)空間）Discrete-Time Integrator（離散時間積分器離散時間積分器）Discrete Transfer Fcn（離散傳

17、遞函數(shù)離散傳遞函數(shù)）Discrete Zero-Pole（數(shù)字零極點函數(shù)數(shù)字零極點函數(shù)）First-Order Hold（一階保持）一階保持）Zero-Order Hold（零階保持零階保持）Unit Delay（單位延遲單位延遲）Continuous 庫庫Derivative（導數(shù)導數(shù)）Integrator（積分器積分器）Memory（記憶）記憶）State Space（狀態(tài)空間狀態(tài)空間） Transfer Fcn（傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)） Transport Delay（傳遞延遲傳遞延遲） Variable Transport Delay（可變傳輸延遲）可變傳輸延遲） Zero-Pole（零零-

18、極點極點） Math 庫庫Abs（絕對值絕對值）Algebraic ConstraintCombinatorial Logic（組合組合邏輯邏輯）Complex to Magnitude-Angle Complex to Real-Image Dot Product（點乘點乘）Gain（增益增益） Logical Operator（邏輯邏輯運算運算） Magnitude-Angle to Complex（）（）Math Function（數(shù)學函數(shù)數(shù)學函數(shù)）Matrix Gain（矩陣增益矩陣增益）MinMax（最大最小值最大最小值）Math 庫（續(xù)）庫（續(xù)）Product（乘積乘積）Real-

19、Image to ComplexRelational Operator（關系關系運算運算）Rounding Function（圓整函數(shù)圓整函數(shù)）Sign（符號符號） Slider Gain（滑塊增益滑塊增益） Sum（和和） Trigonometric Function（三角函數(shù)三角函數(shù)） Nonlinear 庫庫Backlash 模塊模塊Coulomb and Viscous Friction（庫侖和粘性摩擦庫侖和粘性摩擦）Dead Zone（死區(qū)）死區(qū)）Manual Switch（手動開關手動開關 ） Multiport Switch（多路轉(zhuǎn)換開關多路轉(zhuǎn)換開關） Quantizer（量化）

20、量化） Rate Limiter（限速器限速器）Relay（繼電器繼電器） Saturation（飽和）飽和）Switch（選擇開關選擇開關） Signals & Systems Signals & Systems 庫庫Bus SelectorBus Selector（總線選擇器總線選擇器）Configurable SubsystemConfigurable Subsystem（可配置子系統(tǒng)可配置子系統(tǒng)）Data Store MemoryData Store Memory（數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器）Data Store ReadData Store Read（讀數(shù)據(jù)存儲讀數(shù)據(jù)存儲） Data S