第四講SIMULINK仿真

1、第第6 6章章 SIMULINK SIMULINK 仿真仿真2022-5-9第第6 6章章 SIMULINK SIMULINK 仿真仿真6.1 SIMULINK6.1 SIMULINK的基本操作的基本操作6.2 SIMULINK6.2 SIMULINK的基本模塊的基本模塊6.3 SIMULINK6.3 SIMULINK的調(diào)試的調(diào)試6.4 simpowersystems6.4 simpowersystems及其應(yīng)用及其應(yīng)用引言引言nSIMULINK是是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系動態(tài)系統(tǒng)統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，其文件類型為建模和仿真的一個軟件包，其文件類型為.md

2、l，它，它與與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于是基于Windows的的模型化圖形輸入模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。語言的編程上。n所謂模型化圖形輸入是指所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基

3、本模塊的調(diào)用，再將它們連何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進文件進行存?。M而進行仿真與分析。行存?。?，進而進行仿真與分析。6.1 SIMULINK6.1 SIMULINK的基本操作的基本操作6.1.1 Simulink6.1.1 Simulink的啟動與退出的啟動與退出 1. Simulink1. Simulink的啟動的啟動 啟動啟動SimulinkSimulink的方法有的方法有3 3種：種： (1)(1)在在MATLABMATLAB的命令窗口直接鍵入的命令窗口直接鍵入simulinksim

4、ulink。 (2)(2)單擊單擊MATLABMATLAB命令窗口工具欄上的命令窗口工具欄上的SimulinkSimulink模塊庫瀏覽器命令模塊庫瀏覽器命令按鈕。按鈕。 (3)(3)在在MATLABMATLAB命令窗口命令窗口FileFile菜單中選擇菜單中選擇NewNew菜單項下的菜單項下的ModelModel命令。命令。2. Simulink2. Simulink的退出的退出 退出退出SimulinkSimulink，只要關(guān)閉所有模型窗口和，只要關(guān)閉所有模型窗口和SimulinkSimulink模塊庫窗口模塊庫窗口即可即可。6.1.2 Simulink6.1.2 Simulink窗口窗口

5、1.simulink1.simulink庫瀏覽器窗口庫瀏覽器窗口 2.simulink2.simulink模型構(gòu)建窗口模型構(gòu)建窗口6.1.3 Simulink6.1.3 Simulink模塊的操作模塊的操作 1. 1. 選取模塊選取模塊2. 2. 復(fù)制與刪除模塊復(fù)制與刪除模塊3. 3. 模塊外形的調(diào)整模塊外形的調(diào)整 4. 4. 模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置5. 5. 模塊的連接模塊的連接6. 6. 模塊名的處理模塊名的處理6.1.3 Simulink6.1.3 Simulink模塊的操作模塊的操作1. 選取模塊或模塊組n在Simulink模塊庫窗口內(nèi)，用鼠標左鍵單擊所需模塊圖標，圖

6、標四角出現(xiàn)黑色小方點，表明該模塊已經(jīng)選中。n2 模塊拷貝及刪除模塊拷貝及刪除q在模塊庫中選中模塊后，按住鼠標左鍵不放并移在模塊庫中選中模塊后，按住鼠標左鍵不放并移動鼠標至目標模型窗口指定位置，釋放鼠標即完動鼠標至目標模型窗口指定位置，釋放鼠標即完成模塊拷貝。成模塊拷貝。q模塊的刪除只需選定刪除的模塊，按模塊的刪除只需選定刪除的模塊，按Del鍵即可。鍵即可。3 模塊調(diào)整模塊調(diào)整n改變模塊位置、大小改變模塊位置、大?。哼x中模塊，拖至新的位置；選中：選中模塊，拖至新的位置；選中模塊進行大小的縮放。模塊進行大小的縮放。n改變模塊方向改變模塊方向使模塊輸入輸出端口的方向改變使模塊輸入輸出端口的方向改變。

7、選中模塊后，。選中模塊后，選取菜單選取菜單FormatRotateBlock，可使模塊旋轉(zhuǎn)，可使模塊旋轉(zhuǎn)900。 FormatFlipBlock，旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)18004 模塊參數(shù)設(shè)置模塊參數(shù)設(shè)置5 模塊的連接模塊的連接連接線(左鍵)分支線分支線(右鍵右鍵)6.2 Simulink6.2 Simulink的基本模塊的基本模塊SIMILINK模塊庫按功能進行分類，包括以下8類子庫：nContinuous（連續(xù)模塊）nDiscrete（離散模塊）nFunction&Tables（函數(shù)和平臺模塊）nMath（數(shù)學模塊）nNonlinear（非線性模塊）nSignals&Systems（信

8、號和系統(tǒng)模塊）nSinks（顯示模塊）nSources（輸入源模塊）1、 Math（數(shù)學模塊）（數(shù)學模塊） Sum：加減運算：加減運算Product：乘運算：乘運算Dot Product：點乘運算：點乘運算Gain：比例運算：比例運算Math Function：包括指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、求平方、開根號：包括指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、求平方、開根號等常用數(shù)學函數(shù)等常用數(shù)學函數(shù)Trigonometric Function：三角函數(shù)，包括正弦、余弦、正切：三角函數(shù)，包括正弦、余弦、正切等等MinMax：最值運算：最值運算Abs：取絕對值：取絕對值Sign：符號函數(shù)：符號函數(shù)Logical Operator：

9、邏輯運算Relational Operator：關(guān)系運算Complex to Magnitude-Angle：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為幅值和相角輸出Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角輸入合成復(fù)數(shù)輸出Complex to Real-Imag：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為實部和虛部輸出Real-Imag to Complex：由實部和虛部輸入合成復(fù)數(shù)輸出2、Signal Routing（信號通路模塊） 4、Sinks（顯示模塊或（顯示模塊或接收器模塊）接收器模塊） sinks.mdlScope：示波器。：示波器。XY Graph：顯示二維圖形。：顯示二維圖形。To Workspace：將輸

10、出寫入：將輸出寫入MATLAB的工作空的工作空間。間。To File(.mat)：將輸出寫入數(shù)據(jù)文件。：將輸出寫入數(shù)據(jù)文件。Ground：連接到?jīng)]有連接到的輸入端。：連接到?jīng)]有連接到的輸入端。Terminator：連接到?jīng)]有連接到的輸出端。：連接到?jīng)]有連接到的輸出端。Constant：常數(shù)信號。Clock：時鐘信號。From Workspace：來自MATLAB的工作空間。From File(.mat)：來自數(shù)據(jù)文件。Pulse Generator：脈沖發(fā)生器。Repeating Sequence：重復(fù)信號。Signal Generator：信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦、方波、鋸齒波及隨意波。Si

11、ne Wave：正弦波信號。Step：階躍波信號。1 Sources庫庫n也可稱為信號源庫，該庫包含了可向仿真模型提供信號的模塊。它沒有輸入口，但至少有一個輸出口。n雙擊圖標 即彈出該庫的模塊圖： 在該圖中的每一個圖標都是一個信號模塊，這些模塊均可拷貝到用戶的模型窗里。用戶可以在模型窗里根據(jù)自己的需要對模塊的參數(shù)進行設(shè)置（但不可在模塊庫里進行模塊的參數(shù)設(shè)置).nSine Wave：產(chǎn)生幅值、頻率可設(shè)置的正弦波信號。 雙擊圖標雙擊圖標 ( (認定該模塊已拷貝到用戶模型窗認定該模塊已拷貝到用戶模型窗，以下均如此以下均如此),),彈出正弦波的參數(shù)設(shè)置框圖。圖中參彈出正弦波的參數(shù)設(shè)置框圖。圖中參數(shù)為數(shù)

12、為SimulinkSimulink默認值，用戶可根據(jù)需要對這些參數(shù)默認值，用戶可根據(jù)需要對這些參數(shù)重新設(shè)置。重新設(shè)置。幅值、頻率為2，基準為0.5，其波形如下圖所示：nStep：產(chǎn)生幅值、階躍時間可設(shè)置的階躍信號。 雙擊圖標 ,彈出階躍信號的參數(shù)設(shè)置框圖。圖中參數(shù)為Simulink默認值。當設(shè)置幅值為0.8,階躍時間為1秒時，階躍波形如下圖所示：2 Sinks 庫庫 n該庫包含了顯示和寫模塊輸出的模塊。雙擊 即彈出該庫的模塊圖： ：數(shù)字表，顯示指定模塊的輸出數(shù)值。 ：X-Y繪圖儀用同一圖形窗口，顯示X-Y坐標的圖形(需先在參數(shù)對話框中設(shè)置每個坐標的變化范圍)，當X、Y分別為正、余弦信號時，其顯

13、示圖形如下： 示波器示波器:顯示在仿真過程產(chǎn)生的信號波形。雙顯示在仿真過程產(chǎn)生的信號波形。雙擊該圖標擊該圖標,彈出示波器窗如右圖所示：彈出示波器窗如右圖所示：分別管理X-Y、X和Y軸向變焦取當前窗中信號最大、最小值為縱坐標的上下限把當前軸的設(shè)置保存為該示波器的缺省設(shè)置打開示波器屬性對話框設(shè)置為浮動示波器示波器屬性對話框設(shè)置Y軸個數(shù)設(shè)置顯示的時間范圍選擇軸的標注方法確定顯示頻度(每隔n-1個數(shù) 據(jù) 點 顯 示 一 次 )確定顯示點的時間間隔(缺省 為 0 表 示 連 續(xù) 顯 示 )示波器屬性對話框General頁示波器屬性對話框示波器屬性對話框Data history頁設(shè)定緩沖區(qū)接受數(shù)據(jù)的長度,

14、勾選為缺省狀態(tài),其值為5000確定示波器數(shù)據(jù)是 否 保 存 到MATLAB工作空間。若勾選則為保存，且需確定變量名和保存格式(缺省時,不被勾選)【例6-1】示波器應(yīng)用示例。Simulink仿真模型如左圖所示，示波器輸入為3（Y軸個數(shù)為3）。右圖為該示波器顯示的三路輸入信號的波形. (a)(b)nSignals & Systems 庫庫 n ：信號分路器 。 q將混路器輸出的信號依照原來的構(gòu)成方法分解成多路信號。n ：信號匯總器 q將多路信號依照向量的形式混合成一路信號。 Simulink模型窗口下仿真模型窗口下仿真 步驟打開Simulink仿真模型窗口，或打開指定的.mdl文件;1.設(shè)

15、置仿真參數(shù)：在模型窗口選取菜單【Simulation: Parameters】,彈出 “Simulation Parameters” 對話框，設(shè)置仿真參數(shù)，然后按【OK】即可；說明說明若不設(shè)置仿真參數(shù)若不設(shè)置仿真參數(shù),則采用則采用Simulink缺省設(shè)置缺省設(shè)置.6.3 6.3 系統(tǒng)仿真運行系統(tǒng)仿真運行Simulink模型窗口下仿真模型窗口下仿真 步驟仿真運行和終止：在模型窗口選取菜單【Simulation: Start】，仿真開始，至設(shè)置的仿真終止時間，仿真結(jié)束。若在仿真過程中要中止仿真，可選擇【Simulation: Stop】菜單。也可直接點擊模型窗口中的 （或 ）啟動（或停止）仿真。

16、MATLAB 命令窗口下的仿真運行n在Matlab命令窗口可直接運行已存在的Simulink模型：nt,x,y=sim(model,timespan,option,ut)其中，t為返回的仿真時間向量； x為返回的狀態(tài)矩陣； y為返回的輸出矩陣； model為系統(tǒng)Simulink模型文件名； timespan為仿真時間；option為仿真參數(shù)選擇項，由simset設(shè)置；ut為選擇外部產(chǎn)生輸入,ut=T,u1,u2,un。說明 上述參數(shù)中，若省略timespan,option,ut則由框圖模型的對話框Simulation Parameters設(shè)置仿真參數(shù)。back1、仿真參數(shù)對話框 點擊Simul

17、link模型窗simulation菜單下的Parameters命令，彈出仿真參數(shù)對話框如右圖所示。用得較多的主要是Solver頁和Workspace I/O頁。 Solver頁頁 Simulation time（仿真時間）: 設(shè)置Start time（仿真開始時間）和Stop time（仿真終止時間）可通過頁內(nèi)編輯框內(nèi)輸入相應(yīng)數(shù)值，單位“秒”。另外，用戶還可以利用Sinks庫中的Stop模塊來強行中止仿真。6.3.2 6.3.2 仿真參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置 Solver頁頁 Solver options（仿真算法選擇）: 分為定步長算法和變步長算法兩類。定步長支持的算法可在Fixed step

18、size編輯框中指定步長或選擇auto，由計算機自動確定步長，離散系統(tǒng)一般默認地選擇定步長算法，在實時控制中則必須選用定步長算法；變步長支持的算法如圖9-16所示，對于連續(xù)系統(tǒng)仿真一般選擇ode45，步長范圍使用auto項。 圖9-15 定步長算法圖9-16 變步長算法 Solver頁頁 Error Tolerance（誤差限度）： 算法的誤差是指當前狀態(tài)值與當前狀態(tài)估計值的差值，分為Relative tolerance（相對限度）和Absolute tolerance（絕對限度），通?？蛇xauto。 Output options(輸出選擇項)：有Refine output(細化輸出）、Pro

19、duce additional output（產(chǎn)生附加輸出）、Produce specified output only（只產(chǎn)生指定輸出）。 這個頁面的作用是定義將仿真結(jié)果輸出到工作空間，以及從工作空間得到輸入和初始狀態(tài)。 Load from workspace：選則是否從工作空間獲得輸入或初始狀態(tài)。 Input：選擇工作空間提供輸入，且為矩陣形式。輸入矩陣的第一列必須是升序的時間向量，其余列分別對應(yīng)不同的輸入信號。 Workspace I/OWorkspace I/O頁頁t=(0:0.1:10);u=cos(t),sin(t);如在指令窗中輸入：且在模型窗中的模型為：Save to work

20、space：勾選相應(yīng)方框表明保存輸出到MATLAB工作空間。 time 和 output 為缺省選中的。即一般運行一個仿真模型后，在MATLAB 工作空間都會增加兩個變量tout、yout。變量名可以設(shè)置。Save options（存儲選項）：存儲數(shù)據(jù)到工作空間的格式，可選數(shù)組、構(gòu)架數(shù)組、包含時間數(shù)據(jù)的構(gòu)架數(shù)組。6.4 simpowersystems6.4 simpowersystems及其應(yīng)用及其應(yīng)用nSimpowersystems模塊nSimpowersystems仿真6.3.1 Simpowersystems模塊模塊nElectrical Sources:電源元件nElements： 線

21、路元件；Extras：附加元件庫nMachines：電機元件；Measurements：測量元件nPower Electronics:電力電子元件庫1.1 Electrical Sources:電源元件電源元件左側(cè)左側(cè)4個：個：直流電壓源直流電壓源交流電壓源交流電壓源交流電流源交流電流源三相電源三相電源右側(cè)右側(cè)3個：個：受控電壓源受控電壓源受控電流源受控電流源三相可編程電壓源三相可編程電壓源n例：ndtlb.mdl 低通濾波電路nsimrlc.mdlnsimjl.mdl， 在所示電路中在所示電路中，4,1,1,1,162431KAIRRRRVUss111001212121SSSSSS和、的穩(wěn)態(tài)

22、值。和時221I,UU求取當求取當例子例子1：電路分析：電路分析0*221SSIUBIUUA， 2121112422223210RUISRUUIRKIUISURIUsS d=solve(U1+I2*R3-U2=0,S2*IS-(U2-K*I2)/R4-I2=0,(Us-U1)/R1*S1+I2-U1/R2=0,I2,U1,U2); a=inline(d.I2) b=inline(d.U1) c=inline(d.U2)MATLAB編程求解編程求解， 例例1：Simulink的仿真求解的仿真求解在所示正弦電路中在所示正弦電路中例子例子2：正弦電路穩(wěn)態(tài)分析：正弦電路穩(wěn)態(tài)分析,1,314cos10,

23、314sin1032121RRRtUtUssHLLFCC001. 0,001. 02121，求在不同開關(guān)狀態(tài)下電路，求在不同開關(guān)狀態(tài)下電路中各點電流的穩(wěn)態(tài)值。中各點電流的穩(wěn)態(tài)值。221231232211123111132211)()1()()1(0ssUSjWLRISjWLRjWCIUSjWLRISRjWCIIISISd=solve(S1*I1+S2*I2-I3=0,I1*(1/(j*W*C1)+R1)+S1*I3*(R2+j*W*L1)-S1*US1=0,I2*(1/(j*W*C2)+R3+R2+j*W*L2)+S2*I3*(R2+j*W*L1)-S2*US2=0,I1,I2,I3)a=in

24、line(d.I1) b=inline(d.I2)c=inline(d.I3)()(,31232223231231111121322221111dtdiLRiuuSRidtdiLRiuuSRiiiidtducCSidtducCSicscs例子例子2：正弦電路暫態(tài)分析：正弦電路暫態(tài)分析用用dsolve求解，有求解，有初值條件初值條件， 例例2：Simulink的仿真求解的仿真求解 即可以觀察穩(wěn)態(tài)值，也可以觀察暫態(tài)過程。 仿真結(jié)果與算法的選擇、仿真參數(shù)的選擇和初值的設(shè)置有密切關(guān)系。 有相應(yīng)的輔助工具 Powergui進行結(jié)果分析。 n在建立的Simulink系統(tǒng)模型比較大或很復(fù)雜時，可將一些模塊組

25、合成子系統(tǒng)，這樣可使模型得到簡化，便于連線；可提高效率，便于調(diào)試；可生成層次化的模型圖表，用戶可采取自上而下或自下而上的設(shè)計方法。n將一個創(chuàng)建好的子系統(tǒng)進行封裝，也就是使子系統(tǒng)象一個模塊一樣，例如可以有自己的參數(shù)設(shè)置對話框，自己的模塊圖標等。這樣就使子系統(tǒng)使用起來非常方便。 補充補充1 子系統(tǒng)的創(chuàng)建和封裝子系統(tǒng)的創(chuàng)建和封裝通過子系統(tǒng)模塊來建立子系統(tǒng)n在Simulink庫瀏覽器，有一個子系統(tǒng)(Subsystems)的庫模塊(有的版本在Signals & Systems子庫里)，點擊該圖標即可看到不同類型的子系統(tǒng)模塊。子模塊庫MATLAB6.0 版MATLAB6.5 版補充內(nèi)容補充內(nèi)容2：

26、 SIMULINK s-function的設(shè)計的設(shè)計一、s-function的概念qs-function是一個動態(tài)系統(tǒng)的計算機語言描述，在MATLAB里，用戶可以選擇用m文件編寫，也可以用c或mex文件編寫，在這里只給大家介紹如何用m文件編寫s-function。qS-function提供了擴展Simulink模塊庫的有力工具，它采用一種特定的調(diào)用語法，使函數(shù)和Simulink解法器進行交互。qS-function最廣泛的用途是定制用戶自己的Simulink模塊。它的形式十分通用，能夠支持連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)，便于構(gòu)建復(fù)雜的、高非線性、多邏輯運算的系統(tǒng)。Simulink為用戶提供了許多

27、內(nèi)置的基本庫模塊，通過這些模塊進行連接而構(gòu)成系統(tǒng)的模型。對于那些經(jīng)常使用的模塊進行組合并封裝可以構(gòu)建出重復(fù)使用的新模塊，但它依然是基于Simulink原來提供的內(nèi)置模塊。而Simulink s-function是一種強大的對模塊庫進行擴展的新工具。二、建立m文件s-function1、使用模板文件：sfuntmp1. mq該模板文件位于MATLAB根目錄下toolbox/simulink/blocks目錄下。q模板文件里s-function的結(jié)構(gòu)十分簡單，它只為不同的flag的值指定要相應(yīng)調(diào)用的m文件子函數(shù)。比如當flag=3時，即模塊處于計算輸出這個仿真階段時，相應(yīng)調(diào)用的子函數(shù)為sys=md

28、loutputs(t,x,u)。q模板文件使用switch語句來完成這種指定，當然這種結(jié)構(gòu)并不唯一，用戶也可以使用if語句來完成同樣的功能。而且在實際運用時，可以根據(jù)實際需要來去掉某些值，因為并不是每個模塊都需要經(jīng)過所有的子函數(shù)調(diào)用。q模板文件只是Simulink為方便用戶而提供的一種參考格式，并不是編寫s-function的語法要求，用戶完全可以改變子函數(shù)的名稱，或者直接把代碼寫在主函數(shù)里，但使用模板文件的好處是，比較方便，而且條理清晰。q使用模板編寫s-function，用戶只需把s-函數(shù)名換成期望的函數(shù)名稱，如果需要額外的輸入?yún)⒘?，還需在輸入?yún)?shù)列表的后面增加這些參數(shù)，因為前面的4個參數(shù)

29、是simulink調(diào)用s-function時自動傳入的。對于輸出參數(shù)，最好不做修改。接下去的工作就是根據(jù)所編s-function要完成的任務(wù)，用相應(yīng)的代碼去替代模板里各個子函數(shù)的代碼即可。qSimulink在每個仿真階段都會對s-function進行調(diào)用，在調(diào)用時，Simulink會根據(jù)所處的仿真階段為flag傳入不同的值，而且還會為sys這個返回參數(shù)指定不同的角色，也就是說盡管是相同的sys變量，但在不同的仿真階段其意義卻不相同，這種變化由simulink自動完成。qm文件s-function可用的子函數(shù)說明如下：qmdlInitializeSizes：定義s-function模塊的基本特性

30、，包括采樣時間、連續(xù)或者離散狀態(tài)的初始條件和sizes數(shù)組。Flag=0qmdlDerivatives：計算連續(xù)狀態(tài)變量的微分方程。Flag=1qmdlUpdate：更新離散狀態(tài)、采樣時間和主時間步的要求。Flag=2qmdlOutputs：計算s-function的輸出。Flag=3qmdlGetTimeOfNextVarHit：計算下一個采樣點的絕對時間，這個方法僅僅是在用戶在mdlInitializeSizes 里說明了一個可變的離散采樣時間。Flag=4qmdlTerminate：實現(xiàn)仿真任務(wù)必須的結(jié)束。Flag=9q概括說來，建立s-function可以分成兩個分離的任務(wù)：q初始化模塊特性包括輸入輸出信號的寬度，離散連續(xù)狀態(tài)的初始條件和采樣時間。q將算法放到合適的s-function子函數(shù)中去。2、定義s-function的初始信息q為了讓Simulink識別出一個m文件s-function，用戶必須在s-函數(shù)里提供有關(guān)s-函數(shù)的說明信息，包括采樣時間、連續(xù)或者離散狀態(tài)個數(shù)等初始條件。這一部分主要是在mdlInitializeSizes子函數(shù)里完成。qSizes數(shù)組是s-functio