《過程控制工程及仿真－－基于MATLAB Simulink》的課件 第3章 Simulink高級(jí)仿真技術(shù)

1、過程控制工程及仿真基于MATLAB/Simulink電子工業(yè)出版社 出版 2009.43.1 Simulink子系統(tǒng)及其封裝3.2 S函數(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用3.3 使用Simulink仿真命令3.4 Simulink仿真建模的要求3.5 Simulink控制系統(tǒng)仿真實(shí)例3.6 本章小結(jié)習(xí)題與思考第 3章 Simulink高級(jí)仿真技術(shù) 內(nèi)容提要前面講述了使用Simulink中現(xiàn)有的模塊進(jìn)行仿真，然而隨著模型越來越復(fù)雜，用這些基本操作創(chuàng)建的Simulink模變得越來越龐大而難以讀懂；而且，在實(shí)際中，可能有些需要用到的模塊在Simulink中沒有，因此需要掌握一些高級(jí)仿真技術(shù)，對(duì)Simulink的模塊進(jìn)行擴(kuò)

2、展，以用于高級(jí)仿真應(yīng)用。3.1 Simulink子系統(tǒng)及其封裝3.1.1 創(chuàng)建子系統(tǒng)子系統(tǒng)的創(chuàng)建有以下兩種方法：1通過Subsystem模塊建立子系統(tǒng)即采用Signal & Systems 模塊庫中的Subsystem功能模塊，利用其編輯區(qū)設(shè)計(jì)組合新的功能模塊?；静僮鞑襟E為：（1）打開Simulink模塊庫瀏覽器，新建一個(gè)仿真模型。（2）打開Simulink模塊庫中的Ports & Subsystems模塊庫，將Subsystem模塊添加到模型編輯窗口中。（3）雙擊Subsystem模塊打開一個(gè)空白的Subsystem窗口，將要組合的模塊添加到該窗口中，另外還要根據(jù)需要添加輸入模塊和輸出模塊

3、，表示子系統(tǒng)的輸入端口和輸出端口。這樣，一個(gè)子系統(tǒng)就建好了。2通過已有的模塊建立子系統(tǒng)即將現(xiàn)有的多個(gè)功能模塊組合起來，形成新的功能模塊?；静僮鞑襟E為：（1）選擇要建立子系統(tǒng)的模塊，不包括輸入端口和輸出端口。（2）選擇模型編輯窗口中的【Edit】【Create Subsystem】命令，這樣，子系統(tǒng)就建好了。在這種情況下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把輸入模塊和輸出模塊添加到子系統(tǒng)中，并把原來的模塊變?yōu)樽酉到y(tǒng)的圖標(biāo)。3.1.2 封裝子系統(tǒng)所謂子系統(tǒng)的封裝（Masking），就是為子系統(tǒng)定制對(duì)話框和圖標(biāo)，使子系統(tǒng)本身有一個(gè)獨(dú)立的操作界面，把子系統(tǒng)中的各模塊的參數(shù)對(duì)話框合成一個(gè)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在使用時(shí)不必打開每個(gè)模

4、塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這樣使子系統(tǒng)的使用更加方便。子系統(tǒng)封裝的基本步驟為：（1）創(chuàng)建一個(gè)子系統(tǒng)。（2）選中子系統(tǒng)，選擇模型窗口菜單中的【Edit】【Mask subsystem】選項(xiàng)生成封裝模塊。（3）使用封裝編輯器（Mask Editor）進(jìn)行設(shè)置。Mask Editor對(duì)話框的選項(xiàng)卡 Mask Editor對(duì)話框中共包括4個(gè)選項(xiàng)卡：Icon、Parameters、Initialization和Documentation。子系統(tǒng)的封裝主要就是對(duì)這4頁參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。3.1.4 子系統(tǒng)實(shí)例PID模塊為例，講述子系統(tǒng)的創(chuàng)建及封裝?；静襟E如下 ： 在本例中，需要正弦信號(hào)、余弦函數(shù)、積分模塊、觀測(cè)結(jié)果的模

5、塊，分別將Simulink Library Browser中的以下模塊依次拖到untitled窗口中； 將對(duì)應(yīng)的模塊相連，并將運(yùn)算結(jié)果相加連接。 創(chuàng)建子系統(tǒng)。選定模型，單擊Simulink的Library窗口中的【Edit】【Creat Subsystem】，便生產(chǎn)了子系統(tǒng)，為了更加明了，單擊模型中的“Subsystem”，將其改為“PID”。 進(jìn)行系統(tǒng)封裝。選定如圖3.5的PID子系統(tǒng)部分，選擇Simulink的Library窗口中的【Edit】【Mask Subsystem】命令進(jìn)行子系統(tǒng)的封裝，在彈出的對(duì)話框中可以進(jìn)行一些封裝的設(shè)置。3.2 S函數(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用Simulink提供了一個(gè)功能

6、強(qiáng)大的對(duì)模塊庫進(jìn)行擴(kuò)展的新工具S-Function，它依然是基于Simulink原來提供的內(nèi)置模塊，通過對(duì)那些經(jīng)常使用的模塊進(jìn)行組合并封裝而構(gòu)建出可重復(fù)使用的新模塊。S-Function是系統(tǒng)函數(shù)（System Function）的簡(jiǎn)稱，也叫做S函數(shù)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語言描述。在MATLAB中，用戶可以選擇用M文件編寫，也可以用C或mex文件編寫。S函數(shù)提供了擴(kuò)展Simulink模塊庫的有力工具，它采用一種特定的調(diào)用語法，實(shí)現(xiàn)函數(shù)和Simulink解法器之間的交互。S函數(shù)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)。3.2.1

7、S函數(shù)設(shè)計(jì)模板1M文件格式的S函數(shù)模板及結(jié)構(gòu)MATLAB提供了一個(gè)模板文件，方便了S函數(shù)的編寫，該模板文件位于MATLAB根目錄toolbox/Simulink/blocks下：2模板的使用概括說來，建立S函數(shù)可以分成兩個(gè)分離的任務(wù)：初始化模塊特性，包括輸入/輸出信號(hào)的寬度、離散連續(xù)狀態(tài)的初始條件和采樣時(shí)間。將算法放到合適的S函數(shù)子函數(shù)中去。3S函數(shù)模板文件的輸入輸出參數(shù)S函數(shù)默認(rèn)的4個(gè)輸入?yún)?shù)為t、x、u和flag，它們的次序不能變動(dòng)；S函數(shù)默認(rèn)的4個(gè)輸出參數(shù)為sys、x0、str和ts，它們的次序不能變動(dòng)；使用模板編寫S函數(shù)，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浚€

8、需在輸入?yún)?shù)列表的后面增加這些參數(shù)，因?yàn)榍懊娴?個(gè)參數(shù)是Simulink調(diào)用S函數(shù)時(shí)自動(dòng)傳入的。Simulink在每個(gè)仿真階段都會(huì)對(duì)S函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，在調(diào)用時(shí)，Simulink會(huì)根據(jù)所處的仿真階段為flag傳入不同的值，而且還會(huì)為sys這個(gè)返回參數(shù)指定不同的角色，即盡管是相同的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(dòng)完成。3.2.2 S函數(shù)設(shè)計(jì)舉例基本步驟如下： 步驟1：獲取狀態(tài)空間表達(dá)式。步驟2：建立S函數(shù)的M文件。具體的修改過程如下：（1）重新命名函數(shù)名。（2）修改“初始化”子函數(shù)部分的代碼。（3）修改“計(jì)算模塊導(dǎo)數(shù)”子函數(shù)部分的代碼。（4）修改“更新模塊

9、離散狀態(tài)”子函數(shù)部分的代碼。（5）修改“計(jì)算模塊輸出”子函數(shù)部分代碼。（6）修改“計(jì)算下一個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)”子函數(shù)部分的代碼。（7）修改“仿真結(jié)束”子函數(shù)部分的代碼。步驟3：將sfunction_example創(chuàng)建成S函數(shù)模塊。步驟4：給狀態(tài)變量賦初始值。步驟5：參數(shù)設(shè)定之后，啟動(dòng)Simulink仿真。3.3 使用Simulink仿真命令從命令窗口運(yùn)行仿真的函數(shù)有4個(gè)，即sim、simset、simget和set_param。1sim函數(shù)其調(diào)用格式為：t, x, y =sim(modname,timespan,options,data);2simset函數(shù)simset 函數(shù)用來為sim函數(shù)建立或編

10、輯仿真參數(shù)或規(guī)定算法，并把設(shè)置結(jié)果保存在一個(gè)結(jié)構(gòu)變量中。3simget函數(shù)simget函數(shù)用來獲得模型的參數(shù)設(shè)置值。如果參數(shù)值是用一個(gè)變量名定義的，simget返回的也是該變量的值而不是變量名。如果該變量在工作空間中不存在(即變量未被賦值)，則Simulink給出一個(gè)出錯(cuò)信息。4set_param函數(shù)set_param函數(shù)的功能很多，這里只介紹如何用set_param函數(shù)設(shè)置Simulink仿真參數(shù)以及如何開始、暫停、終止仿真進(jìn)程或者更新顯示一個(gè)仿真模型。（1）設(shè)置仿真參數(shù)調(diào)用格式為：set_param(modname,property,value,)（2）控制仿真進(jìn)程調(diào)用格式為：set_pa

11、ram(modname,SimulationCommand,cmd)3.4 Simulink仿真建模的要求通常Simulink建模有以下基本要求：1子系統(tǒng)劃分要清晰2模型要有針對(duì)性3模型精度要恰當(dāng)4建模要從總體角度出發(fā)3.5 Simulink控制系統(tǒng)仿真實(shí)例Simulink求其二級(jí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) ?；厩蠼獠襟E如下： 1、利用Simulink的Library窗口中的【File】【New】菜單，打開一個(gè)新的模型窗口。 2、分別從信號(hào)源庫（Sourse）、輸出方式庫（Sink）、數(shù)學(xué)運(yùn)算庫（Math）、連續(xù)系統(tǒng)庫（Continuous）中，用鼠標(biāo)把階躍信號(hào)發(fā)生器（Step）、示波器（Scope

12、）、傳遞函數(shù)（Transfer Fcn）、相加器（Sum）四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能模塊選中，并將其拖至模型窗口。3、 按要求先將前向通道連接好，然后把相加器（Sum）的另一個(gè)端口與傳遞函數(shù)和示波器間的線段相連，形成閉環(huán)反饋。4、 雙擊傳遞函數(shù)，打開其屬性設(shè)置對(duì)話框，并將其中的“numerator”設(shè)置為“10”，“Denominator”設(shè)置為“1 3 0”，同理，將相加器設(shè)置為“+-”。 5、繪制成功后，如圖3.13所示，并命名后保存。 6、對(duì)模型進(jìn)行仿真。運(yùn)行后，雙擊Scope，得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。控制系統(tǒng)仿真實(shí)例（續(xù)）【例3-4】，基本求解步驟如下：1、利用Simulink的Library窗口中的【File】【New】菜單，打開一個(gè)新的模型窗口。2、分別將Simulink Library Browser中的以下模塊依次拖到untitled窗口中，連接后便得到整個(gè)控制系統(tǒng)的模型。3、選擇【Simulation】菜單下的【Start】命令，開始仿真。4、在MATLAB工作空間中，看到了變量y的數(shù)據(jù)。3