第5章Simulink系統(tǒng)仿真原理

1、第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理第第5章章 Simulink系統(tǒng)仿真原理系統(tǒng)仿真原理5.1 Simulink求解器概念求解器概念5.2 系統(tǒng)過零的概念與解決方案系統(tǒng)過零的概念與解決方案5.3 系統(tǒng)代數(shù)環(huán)的概念與解決方案系統(tǒng)代數(shù)環(huán)的概念與解決方案5.4 高級積分器高級積分器 5.5 仿真參數(shù)設(shè)置：高級選項(xiàng)與診斷選項(xiàng)仿真參數(shù)設(shè)置：高級選項(xiàng)與診斷選項(xiàng)第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理5.1 Simulink求解器概念 5.1.1 離散求解器 第2章中簡單介紹了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的模型及其描述，其中指出，離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為一般可以由差分方程描述。眾所周知，離散系統(tǒng)的輸入與輸出僅在離散的時(shí)刻上取值，系統(tǒng)狀態(tài)

2、每隔固定的時(shí)間才更新一次；而Simulink對離散系統(tǒng)的仿真核心是對離散系統(tǒng)差分方程的求解。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 在對純粹的離散系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，需要選擇離散求解器對其進(jìn)行求解。用戶只需選擇Simulink仿真參數(shù)設(shè)置對話框中的求解器選項(xiàng)卡中的discrete（no continuous states）選項(xiàng)，即沒有連續(xù)狀態(tài)的離散求解器，便可以對離散系統(tǒng)進(jìn)行精確的求解與仿真。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 5.1.2 連續(xù)求解器 與離散系統(tǒng)不同，連續(xù)系統(tǒng)具有連續(xù)的輸入與輸出，并且系統(tǒng)中一般都存在著連續(xù)的狀態(tài)變量。連續(xù)系統(tǒng)中存在的狀態(tài)變量往往是系統(tǒng)中某些信號的微分或積分，因此

3、連續(xù)系統(tǒng)一般由微分方程或與之等價(jià)的其它方式進(jìn)行描述。這就決定了使用數(shù)字計(jì)算機(jī)不可能得到連續(xù)系統(tǒng)的精確解，而只能得到系統(tǒng)的數(shù)字解（即近似解）。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 采用不同的連續(xù)求解器會(huì)對連續(xù)系統(tǒng)的仿真結(jié)果與仿真速度產(chǎn)生不同的影響，但一般不會(huì)對系統(tǒng)的性能分析產(chǎn)生較大的影響，因?yàn)橛脩艨梢栽O(shè)置具有一定的誤差范圍的連續(xù)求解器進(jìn)行相應(yīng)的控制。離散求解器與連續(xù)求解器設(shè)置的不同之處如圖5.1所示。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 離散求解器 連續(xù)求解器與離散求解器的區(qū)別：求解受誤差限控制 連續(xù)求解器 圖5.1 離散求解器與連續(xù)求解器設(shè)置的比較第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 由于連

4、續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)變量不能夠被精確地計(jì)算出來，因而積分的誤差值同樣也是一個(gè)近似值。通常，連續(xù)求解器采用兩個(gè)不同階次的近似方法進(jìn)行積分，然后計(jì)算它們之間的積分差值作為積分誤差。連續(xù)求解器積分誤差的計(jì)算如圖5.2所示。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 圖5.2 連續(xù)求解器積分誤差計(jì)算第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 圖5.2中h為積分步長。注意，此圖以最簡單的多邊形積分近似算法為例說明積分誤差的計(jì)算，在實(shí)際中具體的方法視連續(xù)求解器的不同而不同。如果積分誤差滿足絕對誤差或相對誤差，則仿真繼續(xù)進(jìn)行；如果不滿足，則求解器嘗試一個(gè)更小的步長，并重復(fù)這個(gè)過程。當(dāng)然，連續(xù)求解器在選擇更小步長時(shí)采用的方法也不

5、盡相同。如果誤差上限值的選擇或連續(xù)求解器的選擇不適合待求解的連續(xù)系統(tǒng)，則仿真步長有可能會(huì)變得非常小，使仿真速度變得非常慢。(用戶需要注意這一點(diǎn)。)第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 混合系統(tǒng)仿真時(shí)連續(xù)狀態(tài)求解與離散狀態(tài)求解的協(xié)調(diào)如圖5.3所示。其中h為初始步長，由于在時(shí)刻t與th之間系統(tǒng)存在著離散狀態(tài)的更新，因而連續(xù)變步長求解器將會(huì)減小步長至hnew，之后再計(jì)算積分誤差以控制求解。如果求解誤差滿足誤差范圍，則進(jìn)行下一步仿真，否則縮小時(shí)間間隔，重復(fù)此過程進(jìn)行求解仿真。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理圖5.3 連續(xù)狀態(tài)求解與離散狀態(tài)求解的協(xié)調(diào)示意圖第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理5.2

6、系統(tǒng)過零的概念與解決方案 5.1節(jié)中對Simulink的求解器進(jìn)行了較為深入的介紹。Simulink求解器固然是系統(tǒng)仿真的核心，但Simulink對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)求解仿真的控制流程也是非常關(guān)鍵的。Simulink對系統(tǒng)仿真的控制是通過系統(tǒng)模型與求解器之間建立對話的方式進(jìn)行的：Simulink將系統(tǒng)模型、模塊參數(shù)與系統(tǒng)方程傳遞給Simulink的求解器，而求解器將計(jì)算出的系統(tǒng)狀態(tài)與仿真時(shí)間通過Simulink環(huán)境傳遞給系統(tǒng)模型本身，通過這樣的交互作用方式來完成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 5.2.1 過零的產(chǎn)生 在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真過程中，所謂過零，是指系統(tǒng)模型中的信號或系統(tǒng)模塊特

7、征的某種改變。這種特征改變包括以下兩種情況： (1) 信號在上一個(gè)仿真時(shí)間步長之內(nèi)改變了符號。 (2) 系統(tǒng)模塊在上一個(gè)仿真時(shí)間步長改變了模式（如積分器進(jìn)入了飽和區(qū)段）。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 5.2.2 事件通知 在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真中，采用變步長求解器可以使Simulink正確地檢測到系統(tǒng)模塊與信號中過零事件的發(fā)生。當(dāng)一個(gè)模塊通過Simulink仿真環(huán)境通知求解器，在系統(tǒng)前一仿真步長時(shí)間內(nèi)發(fā)生了過零事件，變步長求解器就會(huì)縮小仿真步長，即使求解誤差滿足絕對誤差和相對誤差的上限要求?？s小仿真步長的目的是判定事件發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間（也就是過零事件發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)刻）。 第5章 Simulink系

8、統(tǒng)仿真原理 5.2.3 支持過零的模塊 在Simulink的模塊庫中，并非所有的模塊都能夠產(chǎn)生過零事件。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理嘿！等等我這里發(fā)生了一個(gè)事件沒問題，回頭告訴我謝謝！讓我回頭查查看何時(shí)發(fā)生的求解器系統(tǒng)模型求解器系統(tǒng)模型求解器系統(tǒng)模型圖5.4 系統(tǒng)模型與求解器之間的交互作用示意圖第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 對于不具有過零檢測的能力。如果需要對這些模塊進(jìn)行過零檢測，則可以使用信號與系統(tǒng)庫（Signals & Systems）中的Hit Crossing零交叉模塊來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)Hit Crossing模塊的輸入穿過某一偏移值（offset）時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過零事件，所以

9、它可以用來為不帶過零能力的模塊提供過零檢測的能力。 一般而言，系統(tǒng)模型中模塊過零的作用有兩種類型：一是用來通知求解器，系統(tǒng)的運(yùn)行模式是否發(fā)生了改變，也就是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是否發(fā)生改變；二是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型中其它模塊。過零信號包含三種類型：上升沿、下降沿、雙邊沿，如圖6.5所示。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 上升沿上升沿 下降沿下降沿 雙邊沿雙邊沿 0 F F R R 信號過零類型,其中F 表示下降沿、 R 表示上升沿 圖5.5 過零信號的類型第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 下面分別對這三種類型進(jìn)行簡單的介紹。 (1) 上升沿：系統(tǒng)中的信號上升到零或穿過零，或者是信號由零變?yōu)檎?(2

10、) 下降沿：系統(tǒng)中的信號下降到零或穿過零，或者是信號由零變?yōu)樨?fù)。 (3) 雙邊沿：任何信號的上升或下降沿的發(fā)生。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 5.2.4 過零的舉例過零的產(chǎn)生與關(guān)閉過零 1. 過零點(diǎn)的產(chǎn)生 【例5.1】 過零的產(chǎn)生與影響。 這里以一個(gè)很簡單的例子來說明系統(tǒng)中過零的概念以及它對系統(tǒng)仿真所造成的影響。在這個(gè)例子中，采用Functions & Tables-函數(shù)與表庫中的Function函數(shù)模塊和Math數(shù)學(xué)庫中的Abs絕對值模塊分別計(jì)算對應(yīng)輸入的絕對值。我們知道，F(xiàn)unction模塊不會(huì)產(chǎn)生過零事件，所以在求取絕對值時(shí)，一些拐角點(diǎn)被漏掉了；但是Abs模塊能夠產(chǎn)生過零事件，所

11、以每當(dāng)它的輸入信號改變符號時(shí)，它都能夠精確地得到零點(diǎn)結(jié)果。圖5.6所示為此系統(tǒng)的Simulink模型以及系統(tǒng)仿真結(jié)果。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 帶有過零檢測的能力 不帶有過零檢測 圖5.6 過零產(chǎn)生的影響第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 從仿真的結(jié)果中可以明顯地看出，對于不帶有過零檢測的Function函數(shù)模塊，在求取輸入信號的絕對值時(shí)，漏掉了信號的過零點(diǎn)（即結(jié)果中的拐角點(diǎn)）；而對于具有過零檢測能力的Abs求取絕對值模塊，它可以使仿真在過零點(diǎn)處的仿真步長足夠小，從而可以獲得精確的結(jié)果。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 2. 關(guān)閉過零 【例5.2】 過零的關(guān)閉與影響。 在【例

12、5.1】中，過零表示系統(tǒng)中信號穿過了零點(diǎn)。其實(shí)，過零不僅用來表示信號穿過了零點(diǎn)，還可以用來表示信號的陡沿和飽和。在這個(gè)例子中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸入信號由其絕對值跳變到飽和值的功能，而且跳變過程受到仿真時(shí)刻的控制。在此系統(tǒng)模型中所使用的Abs模塊與Saturation模塊都支持過零事件的產(chǎn)生，因此在系統(tǒng)的響應(yīng)輸出中得到了理想的陡沿。其中系統(tǒng)模型如圖5.8(a)所示，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5.8(b)所示。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理兩種模塊均支持過零檢測第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理使用過零檢測可以獲得很好的仿真結(jié)果 圖5.8 系統(tǒng)模型及系統(tǒng)仿真結(jié)果第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 從圖

13、5.8中可以明顯看出，使用過零檢測可以獲得很好的仿真結(jié)果，系統(tǒng)的輸出具有很好的陡沿。 在使用Simulink進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真中，其默認(rèn)參數(shù)選擇使用過零檢測的功能。如果使用過零檢測并不能給系統(tǒng)的仿真帶來很大的好處，用戶可以關(guān)閉仿真過程中過零事件的檢測功能。用戶可以在Simulation Parameters 參數(shù)設(shè)置對話框中的Advanced選項(xiàng)卡中進(jìn)行設(shè)置，以關(guān)閉過零檢測功能，然后再次對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖5.9(a)、(b)所示分別為關(guān)閉過零檢測的設(shè)置以及在關(guān)閉過零檢測后系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 關(guān)閉系統(tǒng)過零檢測后的仿真結(jié)果 飽

14、和拐角 陡沿 圖5.9 關(guān)閉系統(tǒng)過零檢測的設(shè)置和關(guān)閉過零檢測后的仿真結(jié)果 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 5.2.5 使用過零檢測的其它注意事項(xiàng) 在使用過零檢測時(shí)，用戶需要注意如下幾點(diǎn)： (1) 關(guān)閉系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置中的過零事件檢測，可以使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真速度得到很大的提高。但可能會(huì)引起系統(tǒng)仿真結(jié)果的不精確，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤結(jié)果。 (2) 關(guān)閉系統(tǒng)過零檢測對Hit Crossing零交叉模塊并無影響。 (3) 對于離散模塊及其產(chǎn)生的離散信號不需要進(jìn)行過零檢測。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 5.3 系統(tǒng)代數(shù)環(huán)的概念與解決方案系統(tǒng)代數(shù)環(huán)的概念與解決方案 5.3.1直接饋通模塊 在使用Si

15、mulink的模塊庫建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的模型時(shí)，有些系統(tǒng)模塊的輸入端口（Input ports）具有直接饋通（Direct feedthrough）的特性。所謂模塊的直接饋通，是指如果在這些模塊的輸入端口中沒有輸入信號，則無法計(jì)算此模塊的輸出信號。換句話說，直接饋通就是模塊輸出直接依賴于模塊的輸入。在Simulink中具有直接饋通特性的模塊有如下的幾種：第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理(1) Math Function數(shù)學(xué)函數(shù)模塊。(2) Gain增益模塊。(3) Product乘法模塊。(4) State-Space狀態(tài)空間模塊（其中矩陣D不為0）。(5) Transfer Fcn傳遞函數(shù)模塊

16、（分子與分母多項(xiàng)式階次相同）。(6) Sum求和模塊。(7) Zero-Pole零極點(diǎn)模塊（零點(diǎn)與極點(diǎn)數(shù)目相同）。(8) Integrator積分模塊。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 5.3.2 代數(shù)環(huán)的產(chǎn)生 在介紹完具有直接饋通特性的系統(tǒng)模塊之后，來介紹代數(shù)環(huán)的產(chǎn)生。系統(tǒng)模型中產(chǎn)生代數(shù)環(huán)的條件如下： (1) 具有直接饋通特性的系統(tǒng)模塊的輸入，直接由此模塊的輸出來驅(qū)動(dòng)。 (2) 具有直接饋通特性的系統(tǒng)模塊的輸入，由其它直接饋通模塊所構(gòu)成的反饋回路間接來驅(qū)動(dòng)。 圖5.10所示為一個(gè)非常簡單的標(biāo)量代數(shù)環(huán)的構(gòu)成。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 圖5.10 標(biāo)量代數(shù)環(huán) 第5章 Simuli

17、nk系統(tǒng)仿真原理 5.3.3 代數(shù)環(huán)的舉例與解決方案之一：直接求解系統(tǒng)方程 【例5.3】 代數(shù)環(huán)的直接求解。在圖5.11中所示的兩個(gè)系統(tǒng)模型中均存在代數(shù)環(huán)結(jié)構(gòu)，試對這兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行求解 解：為了計(jì)算求和模塊Sum的輸出，需要知道其輸入，但是其輸入恰恰包含模塊的輸出。對于此二系統(tǒng)，很容易寫出如下所示的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程： (1) 第一個(gè)系統(tǒng)模型的動(dòng)態(tài)方程：Z=1-Z，所以Z=0.5。 (2) 第二個(gè)系統(tǒng)模型的動(dòng)態(tài)方程：Z=1-Z-Z，所以Z=0.3333。 對于上述代數(shù)環(huán)，SIMULINK可以進(jìn)行正確運(yùn)算，并且在MATLAB命令窗口中，給出仿真警告。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 由 Sum

18、求和模塊與 Gain 增益模塊所構(gòu)成的代數(shù)環(huán) 圖5.11 具有代數(shù)環(huán)的系統(tǒng)模型第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 6.3.4 代數(shù)環(huán)的舉例與解決方案之二：代數(shù)約束 用戶除了可以使用Simulink內(nèi)置的代數(shù)環(huán)求解器對含有代數(shù)環(huán)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，還可以使用Math模塊庫中的代數(shù)約束Algebraic Constraint模塊對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)方程進(jìn)行求解。 使用代數(shù)約束模塊并給出約束初始值，可以方便地對代數(shù)方程進(jìn)行求解。代數(shù)約束模塊通過調(diào)整其輸出代數(shù)狀態(tài)以使其輸入F(Z)為零。其中Z為模塊的輸出狀態(tài)， F(Z)為一代數(shù)表達(dá)式，它作為模塊的輸入。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 【例5.4】

19、使用代數(shù)約束求解代數(shù)環(huán)。 在如圖6.12所示的系統(tǒng)模型中代數(shù)約束模塊的輸出分別為代數(shù)狀態(tài)Z1、Z2。 Z1、Z2分別通過反饋回路作為代數(shù)約束模塊的輸入。運(yùn)行此系統(tǒng)相當(dāng)于對如下的代數(shù)方程進(jìn)行求解：其仿真結(jié)果如圖5.12中Display模塊所顯示的那樣，其中Z1=0,Z2=1。 在例5.3中，使用了代數(shù)環(huán)求解器求解，速度較慢；例5.4使用了代數(shù)約束模塊，SIMULINK使用牛頓迭代法求解，但是一定要選擇出正確的初值，否則算法可能發(fā)散。01120121zzzz第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 圖5.12 使用代數(shù)約束求解的代數(shù)環(huán)結(jié)構(gòu)第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 【例5.5】代數(shù)狀態(tài)的初始

20、值選取。使用代數(shù)約束來求解方程的根（顯然此方程的根為 解：首先建立如圖5.13所示的系統(tǒng)模型，然后對代數(shù)約束模塊的初始值進(jìn)行設(shè)置，如圖5.13所示（仿真結(jié)果如Display模塊中所示）。 022 xx0)2)(1(xx11x22x）。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 初始值為5，結(jié)果為1 初始值為 5， 結(jié)果為 2 圖5.13 代數(shù)狀態(tài)的初始值選擇 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 5.3.5 代數(shù)環(huán)的舉例與解決方案之三：切斷環(huán) 至此，讀者能夠采用兩種方法對含有代數(shù)環(huán)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析：一是直接對系統(tǒng)方程進(jìn)行手工求解，但是在很多情況下難以進(jìn)行手工求解甚至不可能進(jìn)行手工求解；二是使

21、用代數(shù)約束，由Simulink內(nèi)置的代數(shù)環(huán)求解器對含有代數(shù)環(huán)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 【例5.6】 對于如下的連續(xù)線性系統(tǒng)： 建立如圖5.14所示的系統(tǒng)模型。 ) 3)(2(5 . 0)(ssssG第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理圖5.14 切斷代數(shù)環(huán)第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 圖5.14中為線性連續(xù)系統(tǒng)的零極點(diǎn)描述，其相應(yīng)的狀態(tài)空間描述矩陣分別為A，B，C，D。建立此系統(tǒng)的模型以求出系統(tǒng)在恒定輸入下的狀態(tài)值。為了說明切斷代數(shù)環(huán)的影響，我們在此模型中給出系統(tǒng)狀態(tài)求取的三種不同方法以作為比較。圖中最上方為使用Simulink的內(nèi)置代數(shù)環(huán)求解器進(jìn)行狀態(tài)求解，最下方為使用手工方式進(jìn)行狀態(tài)求解，

22、中間為使用Memory模塊切斷代數(shù)環(huán)，然后進(jìn)行狀態(tài)求解。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 5.4 高級積分器高級積分器 在使用Simulink對實(shí)際的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，積分運(yùn)算可以說是Simulink求解器的核心技術(shù)之一。前面在介紹動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)，僅僅使用了最簡單的積分器設(shè)置。在這一節(jié)中，將簡單介紹高級積分器的概念及其應(yīng)用。 首先對積分器的各個(gè)端口進(jìn)行簡單的介紹。圖5.15所示為使用缺省參數(shù)設(shè)置下的積分器外觀與選擇所有參數(shù)設(shè)置后積分器的外觀比較。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 圖5.15 積分器外觀比較 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 對于使用缺省參數(shù)設(shè)置下的積分器，

23、其輸出信號為輸入信號的數(shù)值積分，想必讀者對其已經(jīng)比較熟悉了，這里不再贅述。下面詳細(xì)介紹一下選擇所有參數(shù)設(shè)置后的積分器各個(gè)端口的含義以及對積分器的設(shè)置。首先介紹一下積分器參數(shù)設(shè)置對話框，如圖5.16所示。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理圖5.16 高級積分器設(shè)置第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 1. 積分器的初始條件端口（Initial condition） 設(shè)置積分器初始條件的方法有兩種，它們分別是： (1) 在積分器模塊參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置初始條件：在初始條件源設(shè)置（Initial condition source）中選擇內(nèi)部設(shè)置（Internal），并在下面的文本框中鍵入給定的初

24、始條件，此時(shí)不顯示積分器端口。 (2) 從外部輸入源設(shè)置積分器初始條件：在初始條件源設(shè)置中選擇外部設(shè)置（External），初始條件設(shè)置端口以作為標(biāo)志。此時(shí)需要使用Signals & Systems模塊庫中的IC模塊設(shè)置積分器初始值。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 2. 積分器狀態(tài)端口（State） 當(dāng)出現(xiàn)下述的兩種情況時(shí)，需要使用積分器的狀態(tài)端口而非其輸出端口： (1) 當(dāng)積分器模塊的輸出經(jīng)重置端口或初始條件端口反饋至模塊本身時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)模型中出現(xiàn)代數(shù)環(huán)結(jié)構(gòu)的問題，此時(shí)需要使用狀態(tài)端口。 (2) 當(dāng)從一個(gè)條件執(zhí)行子系統(tǒng)向另外的條件執(zhí)行子系統(tǒng)傳遞狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)引起時(shí)間同步問題。此時(shí)也需

25、要使用狀態(tài)端口而非輸出端口。至于條件執(zhí)行子系統(tǒng)的有關(guān)內(nèi)容，將在第7章中介紹。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理3. 積分器輸出范圍限制與飽和輸出端口（Saturation） 在某些情況下，積分器的輸出可能會(huì)超過系統(tǒng)本身所允許的上限或下限值，選擇積分器輸出范圍限制框（Limit output），并設(shè)置上限值（Upper saturation limit）與下限值（Lower saturation limit），可以將積分器的輸出限制在一個(gè)給定的范圍之內(nèi)。此時(shí)積分器的輸出服從下面的規(guī)則：第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 (1) 當(dāng)積分結(jié)果小于或等于下限值并且輸入信號為負(fù)，積分器輸出保持在下

26、限值（下飽和區(qū)）。 (2) 當(dāng)積分結(jié)果在上限值與下限值之間時(shí)，積分器輸出為實(shí)際的積分結(jié)果。 (3) 當(dāng)積分結(jié)果大于或等于上限值并且輸入信號為正，積分器輸出保持在上限值（上飽和區(qū)）。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 選擇Show saturation port復(fù)選框可以在積分器中顯示飽和端口，此端口位于輸出端口的下方。飽和端口的輸出取值有三種情況，用來表示積分器的飽和狀態(tài)： (1) 輸出為1，表示積分器處于上飽和區(qū)。 (2) 輸出為0，表示積分器處于正常范圍之內(nèi)。 (3) 輸出為-1，表示積分器處于下飽和區(qū)。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 4. 積分器重置 選擇積分器狀態(tài)重置框可以重新

27、設(shè)置積分器的狀態(tài)，其值由外部輸入信號決定。此時(shí)，在積分器輸入端口下方出現(xiàn)重置觸發(fā)端口。可以采用不同的觸發(fā)方式對積分器狀態(tài)進(jìn)行重置： (1) 當(dāng)重置信號具有上升沿（rising）時(shí)，觸發(fā)重置方式選擇為上升沿。 (2) 當(dāng)重置信號具有下降沿（falling）時(shí)，觸發(fā)重置方式選擇為下降沿。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 (3) 當(dāng)重置信號具有上升或下降沿（即雙邊沿）時(shí)，觸發(fā)重置方式可選擇為either。 (4) 當(dāng)重置信號非零時(shí)，選擇level重置積分器狀態(tài)，并使積分器輸出保持在初始狀態(tài)。 積分器的重置端口具有直接饋通的特性。積分器模塊的輸出，無論是直接反饋還是通過具體直接饋通特性的模塊反饋至

28、其重置端口，都會(huì)使系統(tǒng)模型中出現(xiàn)代數(shù)環(huán)結(jié)構(gòu)。而使用狀態(tài)端口代替輸出端口可以避免代數(shù)環(huán)的出現(xiàn)。第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 5. 積分器絕對誤差設(shè)置（Absolute tolerance） 在默認(rèn)情況下，積分器采用Simulink自動(dòng)設(shè)置的絕對誤差限。用戶也可以根據(jù)自己的需要設(shè)置積分器的絕對誤差限，在Absolute tolerance下鍵入誤差上限即可。 至此，我們對高級積分器設(shè)置做了一個(gè)比較全面的介紹，下面舉例說明。 【例5.7】 高級積分器的使用。系統(tǒng)模型如圖5.17所示。 第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理圖5.17 高級積分器的使用第5章 Simulink系統(tǒng)仿真原理 設(shè)置合適的仿真參數(shù)如下：仿真時(shí)間范圍為0200，積分器的輸出上限為20，下限為，狀態(tài)重置選擇信號上升沿rising，其余參數(shù)如系