MATLAB軟件SIMULINK模塊課件

MATLAB語言與控制系統(tǒng)仿真機(jī)電工程學(xué)院SchoolofMichanical&ElectronicalEngineering蔡曉明電話箱：cxm@—————第四章基于SIMULINK的系統(tǒng)建模與仿真2005-04-261KunmingUniversityofScience&Technology第四章基于SIMULINK的系統(tǒng)建模與仿真在工程實(shí)際中，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，如果不借助專用的系統(tǒng)建模軟件，則很難準(zhǔn)確地把一個控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入計(jì)算機(jī)，對其進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真。1990年，MathWorks軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖輸入與仿真工具，并命名為SIMULAB，該工具很快就在控制工程界獲得了廣泛的認(rèn)可，使得仿真軟件進(jìn)入了模型化圖形組態(tài)階段。但因其名字與當(dāng)時(shí)比較著名的軟件SIMULA類似，所以1992年正式將該軟件更名為SIMULINK。SIMULINK的出現(xiàn)，給控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)帶來了福音。顧名思義，該軟件的名稱表明了該系統(tǒng)的兩個主要功能：Simu（仿真）和Link（連接），即該軟件可以利用鼠標(biāo)在模型窗口上繪制出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用SIMULINK提供的功能來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。2KunmingUniversityofScience&Technology第一節(jié)SIMULINK簡介SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，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(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。SIMULINK與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，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，而非語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK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(shí)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.mdl文件進(jìn)行存?。?，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。3KunmingUniversityofScience&Technology第一節(jié)SIMULINK簡介在SIMULINK提供的圖形用戶界面GUI上，只要進(jìn)行鼠標(biāo)的簡單拖拉操作就可構(gòu)造出復(fù)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)。從建模角度講，這既適于自上而下（Top-down）的設(shè)計(jì)流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件），又適于自下而上（Bottum-up）逆程設(shè)計(jì)。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(xì)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。4KunmingUniversityofScience&Technology第一節(jié)SIMULINK簡介

在SIMULINK環(huán)境中，用戶將觀察到現(xiàn)實(shí)世界中非線性因素和各種隨機(jī)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(jìn)程中改變感興趣的參數(shù)，實(shí)時(shí)地觀察系統(tǒng)行為的變化。在MATLAB7.1版中，可直接在SIMULINK環(huán)境中運(yùn)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(lǐng)域，所涉內(nèi)容專業(yè)性極強(qiáng)。5KunmingUniversityofScience&Technology第一節(jié)SIMULINK簡介SIMULINK的啟動在MATLAB命令窗口中輸入simulink結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個稱為SimulinkLibraryBrowser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。用戶也可以通過MATLAB主窗口的快捷按鈕來打開SimulinkLibraryBrowser窗口。6KunmingUniversityofScience&Technology第一節(jié)SIMULINK簡介SIMULINK的啟動7KunmingUniversityofScience&TechnologySIMULINK的模塊庫介紹按照用途可分為四類（16個）：1.系統(tǒng)基本構(gòu)成模塊庫（4個）常用模塊組連續(xù)模塊組離散模塊組非連續(xù)模塊組8KunmingUniversityofScience&TechnologySIMULINK的模塊庫介紹2.連接、運(yùn)算模塊庫（8個）邏輯和位運(yùn)算模塊組查表模塊組數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組端口和子系統(tǒng)模塊組信號屬性模塊組信號通路模塊組用戶自定義函數(shù)模塊組附加數(shù)學(xué)與離散模塊組9KunmingUniversityofScience&TechnologySIMULINK的模塊庫介紹3.專業(yè)模塊庫（2個）4.輸入/輸出模塊庫（2個）信宿模塊組信源模塊組模型擴(kuò)充模塊組模型校核模塊組10KunmingUniversityofScience&TechnologySIMULINK模型窗口的組成新建模型窗口11KunmingUniversityofScience&TechnologySIMULINK模型窗口的組成工具欄狀態(tài)欄表示模型已準(zhǔn)備就緒在等待仿真命令表示編輯窗口模型的顯示比例表示當(dāng)前仿真所選擇的仿真算法實(shí)時(shí)顯示仿真經(jīng)歷時(shí)刻12KunmingUniversityofScience&Technology第二節(jié)SIMULINK模塊庫模塊功能介紹常用模塊組輸入端口模塊輸出端口模塊常數(shù)模塊接地模塊分路器模塊增益模塊積分模塊混路器模塊叉乘模塊示波器模塊求和模塊飽和模塊子系統(tǒng)模塊單位延遲模塊13KunmingUniversityofScience&Technology第二節(jié)SIMULINK模塊庫模塊功能介紹連續(xù)模塊組積分模塊微分模塊狀態(tài)空間模塊傳遞函數(shù)模塊時(shí)間延遲模塊可變時(shí)間延遲模塊變量延遲模塊零極點(diǎn)增益模塊14KunmingUniversityofScience&Technology第二節(jié)SIMULINK模塊庫模塊功能介紹非連續(xù)模塊組庫侖與粘性摩擦模塊磁滯回環(huán)模塊死區(qū)模塊飽和模塊動態(tài)死區(qū)模塊量化模塊滯環(huán)繼電模塊15KunmingUniversityofScience&Technology第二節(jié)SIMULINK模塊庫模塊功能介紹離散模塊組離散狀態(tài)空間模塊離散濾波器模塊離散傳遞函數(shù)模塊一階保持器模塊離散零極點(diǎn)增益模塊離散時(shí)間積分模塊單位延遲模塊零階保持器模塊16KunmingUniversityofScience&Technology第二節(jié)SIMULINK模塊庫模塊功能介紹數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組絕對值運(yùn)算多項(xiàng)式運(yùn)算代數(shù)運(yùn)算叉乘復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換福相表示實(shí)部和虛部轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)輸出復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部舍入取整叉除符號函數(shù)點(diǎn)乘相減增益求和福相轉(zhuǎn)換復(fù)數(shù)表示滑鍵增益數(shù)學(xué)函數(shù)正弦波取大取小三角函數(shù)17KunmingUniversityofScience&Technology第二節(jié)SIMULINK模塊庫模塊功能介紹信源模塊組帶寬限制白噪聲模塊脈沖信號發(fā)生器變頻信號斜坡信號時(shí)鐘模塊隨機(jī)信號常數(shù)模塊信號發(fā)生器數(shù)字時(shí)鐘正弦波信號從文件中輸入數(shù)據(jù)模塊從工作空間輸入數(shù)據(jù)接地模塊階躍信號輸入端口模塊均勻分布隨機(jī)信號模塊18KunmingUniversityofScience&Technology第二節(jié)SIMULINK模塊庫模塊功能介紹信宿模塊組輸出端口模塊顯示數(shù)據(jù)模塊示波器模塊X-Y示波器模塊中止仿真模塊輸出數(shù)據(jù)到文件模塊輸出數(shù)據(jù)到工作空間模塊19KunmingUniversityofScience&Technology第二節(jié)SIMULINK模塊庫模塊功能介紹示波器模塊20KunmingUniversityofScience&Technology第二節(jié)SIMULINK模塊庫模塊功能介紹示波器模塊21KunmingUniversityofScience&TechnologySIMULINK模型含義

SIMULINK模型有以下幾層含義：在視覺上表現(xiàn)為直觀的方框圖；

在文件上則是擴(kuò)展名為mdl

的ASCII代碼；在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為一組微分方程或差分方程；在行為上則模擬了實(shí)際系統(tǒng)的動態(tài)特性。22KunmingUniversityofScience&Technology第三節(jié)SIMULINK簡單模型的建立及模型特點(diǎn)1、簡單模型的建立exp4_1.mdl（1）建立模型窗口（2）將功能模塊由模塊庫窗口復(fù)制到模型窗口（3）對模塊進(jìn)行連接，從而構(gòu)成需要的系統(tǒng)模型23KunmingUniversityofScience&Technologyexp4_1.mdl24KunmingUniversityofScience&Technologyexp4_1.mdlplot(t,out)25KunmingUniversityofScience&Technologyexp4_2.mdl已知單位負(fù)反饋二階系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為繪制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖，并仿真。26KunmingUniversityofScience&Technologyexp4_2.mdl27KunmingUniversityofScience&Technology第四節(jié)SIMULINK功能模塊的處理模塊庫中的模塊可以直接用鼠標(biāo)進(jìn)行拖曳（選中模塊，按住鼠標(biāo)左鍵不放）而放到模型窗口中進(jìn)行處理。在模型窗口中，選中模塊，則其4個角會出現(xiàn)黑色標(biāo)記。此時(shí)可以對模塊進(jìn)行以下的基本操作。移動：選中模塊，按住鼠標(biāo)左鍵將其拖曳到所需的位置即可。若要脫離線而移動，可按住shift鍵，再進(jìn)行拖曳。復(fù)制：選中模塊，然后按住鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行拖曳即可復(fù)制同樣的一個功能模塊。刪除：選中模塊，按Delete鍵即可。若要刪除多個模塊，可以同時(shí)按住Shift鍵，再用鼠標(biāo)選中多個模塊，按Delete鍵即可。也可以用鼠標(biāo)選取某區(qū)域，再按Delete鍵就可以把該區(qū)域中的所有模塊和線等全部刪除。功能模塊的基本操作，包括模塊的移動、復(fù)制、刪除、轉(zhuǎn)向、改變大小、模塊命名、顏色設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、屬性設(shè)定、模塊輸入輸出信號等。28KunmingUniversityofScience&Technology第四節(jié)SIMULINK功能模塊的處理轉(zhuǎn)向：為了能夠順序連接功能模塊的輸入和輸出端，功能模塊有時(shí)需要轉(zhuǎn)向。在菜單Format中選擇FlipBlock旋轉(zhuǎn)180度，選擇RotateBlock順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度?；蛘咧苯影碈trl+F鍵執(zhí)行FlipBlock，按Ctrl+R鍵執(zhí)行RotateBlock。改變大?。哼x中模塊，對模塊出現(xiàn)的4個黑色標(biāo)記進(jìn)行拖曳即可。模塊命名：先用鼠標(biāo)在需要更改的名稱上單擊一下，然后直接更改即可。名稱在功能模塊上的位置也可以變換180度，可以用Format菜單中的FlipName來實(shí)現(xiàn)，也可以直接通過鼠標(biāo)進(jìn)行拖曳。HideName可以隱藏模塊名稱。顏色設(shè)定：Format菜單中的ForegroundColor可以改變模塊的前景顏色，BackgroundColor可以改變模塊的背景顏色；而模型窗口的顏色可以通過ScreenColor來改變。29KunmingUniversityofScience&Technology第四節(jié)SIMULINK功能模塊的處理參數(shù)設(shè)定：用鼠標(biāo)雙擊模塊，就可以進(jìn)入模塊的參數(shù)設(shè)定窗口，從而對模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。參數(shù)設(shè)定窗口包含了該模塊的基本功能幫助，為獲得更詳盡的幫助，可以點(diǎn)擊其上的help按鈕。通過對模塊的參數(shù)設(shè)定，就可以獲得需要的功能模塊。屬性設(shè)定：選中模塊，打開Edit菜單的BlockProperties可以對模塊進(jìn)行屬性設(shè)定。包括Description屬性、Priority優(yōu)先級屬性、Tag屬性、Openfunction屬性、Attributesformatstring屬性。其中Openfunction屬性是一個很有用的屬性，通過它指定一個函數(shù)名，則當(dāng)該模塊被雙擊之后，Simulink就會調(diào)用該函數(shù)執(zhí)行，這種函數(shù)在MATLAB中稱為回調(diào)函數(shù)。模塊的輸入輸出信號：模塊處理的信號包括標(biāo)量信號和向量信號；標(biāo)量信號是一種單一信號，而向量信號為一種復(fù)合信號，是多個信號的集合，它對應(yīng)著系統(tǒng)中幾條連線的合成。缺省情況下，大多數(shù)模塊的輸出都為標(biāo)量信號，對于輸入信號，模塊都具有一種“智能”的識別功能，能自動進(jìn)行匹配。某些模塊通過對參數(shù)的設(shè)定，可以使模塊輸出向量信號。30KunmingUniversityofScience&Technologyexp4_2.mdl31KunmingUniversityofScience&Technologyexp4_2.mdl32KunmingUniversityofScience&Technologyexp4_2.mdl33KunmingUniversityofScience&Technologyexp4_3.mdl34KunmingUniversityofScience&Technologyexp4_3.mdl35KunmingUniversityofScience&Technologyexp4_3.mdlOutputtheinputfromtheprevioustimestep36KunmingUniversityofScience&Technology第五節(jié)SIMULINK線的處理改變粗細(xì)：線所以有粗細(xì)是因?yàn)榫€引出的信號可以是標(biāo)量信號或向量信號，當(dāng)選中Format菜單下的WideVectorLines時(shí)，線的粗細(xì)會根據(jù)線所引出的信號是標(biāo)量還是向量而改變，如果信號為標(biāo)量則為細(xì)線，若為向量則為粗線。選中VectorLineWidths則可以顯示出向量引出線的寬度，即向量信號由多少個單一信號合成。設(shè)定標(biāo)簽：只要在線上雙擊鼠標(biāo)，即可輸入該線的說明標(biāo)簽。也可以通過選中線，然后打開Edit菜單下的SignalProperties進(jìn)行設(shè)定，其中signalname屬性的作用是標(biāo)明信號的名稱，設(shè)置這個名稱反映在模型上的直接效果就是與該信號有關(guān)的端口相連的所有直線附近都會出現(xiàn)寫有信號名稱的標(biāo)簽。線的折彎：按住Shift鍵，再用鼠標(biāo)在要折彎的線處單擊一下，就會出現(xiàn)圓圈，表示折點(diǎn)，利用折點(diǎn)就可以改變線的形狀。線的分支：按住鼠標(biāo)右鍵，在需要分支的地方拉出即可以?；蛘甙醋trl鍵，并在要建立分支的地方用鼠標(biāo)拉出即可。SIMULINK模型的構(gòu)建是通過用線將各種功能模塊進(jìn)行連接而構(gòu)成的。用鼠標(biāo)可以在功能模塊的輸入與輸出端之間直接連線。所畫的線可以改變粗細(xì)、設(shè)定標(biāo)簽，也可以把線折彎、分支。37KunmingUniversityofScience&Technology第六節(jié)SIMULINK自定義功能模塊一、方法1將Signal&Systems

模塊庫中的Subsystem功能模塊復(fù)制到打開的模型窗口中。雙擊Subsystem功能模塊，進(jìn)入自定義功能模塊窗口，從而可以利用已有的基本功能模塊設(shè)計(jì)出新的功能模塊。自定義功能模塊有兩種方法，一種方法是采用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；另一種方法是將現(xiàn)有的多個功能模塊組合起來，形成新的功能模塊。對于很大的SIMULINK模型，通過自定義功能模塊可以簡化圖形，減少功能模塊的個數(shù)，有利于模型的分層構(gòu)建。二、方法2在模型窗口中建立所定義功能模塊的子模塊。用鼠標(biāo)將這些需要組合的功能模塊框住，然后選擇Edit菜單下的CreateSubsystem即可。38KunmingUniversityofScience&Technology三、自定義功能模塊的封裝上面提到的兩種方法都只是創(chuàng)建一個功能模塊而已，如果要命名該自定義功能模塊、對功能模塊進(jìn)行說明、選定模塊外觀、設(shè)定輸入數(shù)據(jù)窗口，則需要對其進(jìn)行封裝處理。首先選中Subsystem功能模塊，再打開Edit菜單中的MaskSubsystem進(jìn)入mask的編輯窗口，可以看出有3個標(biāo)簽頁。Icon：設(shè)定功能模塊的外觀。Initialization：設(shè)定輸入數(shù)據(jù)窗口（PromptList）。Documentation：設(shè)計(jì)該功能模塊的文字說明。39KunmingUniversityofScience&Technology1、Icon標(biāo)簽頁此頁最重要的部分是DrawingCommands，在該區(qū)域內(nèi)可以用disp指令設(shè)定功能模塊的文字名稱，用plot指令畫線，用dpoly指令畫轉(zhuǎn)換函數(shù)。注意，盡管這些命令在名字上和以前講的MATLAB函數(shù)相同，但它們在功能上卻不完全相同，因此不能隨便套用以前所講的格式。disp(‘text’)可以在功能模塊上顯示設(shè)定的文字內(nèi)容。disp(‘text1\ntext2’)分行顯示文字text1和text2plot([x1x2…xn],[y1y2…yn])指令會在功能模塊上畫出由[x1y1]經(jīng)[x2y2]經(jīng)[x3y3]…直到[xn,yn]為止的直線。功能模塊的左下角會根據(jù)目前的坐標(biāo)刻度被正規(guī)化為[0,0]，右上角則會依據(jù)目前的坐標(biāo)刻度被正規(guī)化為[1,1]。dpoly(num,den)：按s次數(shù)的降冪排序，在功能模塊上顯示連續(xù)的傳遞函數(shù)。dpoly(num,den,’z’)：按z次數(shù)的降冪排序，在功能模塊上顯示離散的傳遞函數(shù)。40KunmingUniversityofScience&Technology41KunmingUniversityofScience&Technology42KunmingUniversityofScience&Technology43KunmingUniversityofScience&Technology44KunmingUniversityofScience&Technology用戶還可以設(shè)置一些參數(shù)來控制圖標(biāo)的屬性，這些屬性在Icon頁左端的下拉式列表中進(jìn)行選擇。Iconframe：Visible顯示外框線；Invisible：隱藏外框線。IconTransparency：Opaque隱藏輸入輸出的標(biāo)簽；Transparent：顯示輸入輸出的標(biāo)簽。IconRotation：旋轉(zhuǎn)模塊。Drawingcoordinate：畫圖時(shí)的坐標(biāo)系。45KunmingUniversityofScience&Technology2、Initialization標(biāo)簽頁此頁主要用來設(shè)計(jì)輸入提示（prompt）以及對應(yīng)的變量名稱（variable）。在prompt欄上輸入變量的含義，其內(nèi)容會顯示在輸入提示中。而variable是仿真要用到的變量，該變量的值一直存于maskworkspace中，因此可以與其他程序相互傳遞。如果配合在initializationcommands內(nèi)編輯程序，可以發(fā)揮功能模塊的功能來執(zhí)行特定的操作。在prompt編輯框中輸入文字，這些文字就會出現(xiàn)在prompt列表中；在variable列表中輸入變量名稱，則prompt中的文字對應(yīng)該變量的說明。如果要增加新的項(xiàng)目，可以點(diǎn)擊邊上的Add鍵。Up和Down按鈕用于執(zhí)行項(xiàng)目間的位置調(diào)整。Controltype列表給用戶提供選擇設(shè)計(jì)的編輯區(qū)，選擇Edit會出現(xiàn)供輸入的空白區(qū)域，所輸入的值代表對應(yīng)的variable；Popup則為用戶提供可選擇的列表框，所選的值代表variable，此時(shí)在下面會出現(xiàn)Popupstrings輸入框，用來設(shè)計(jì)選擇的內(nèi)容，各值之間用邏輯或符號“|”隔開；如選擇Checkbox則用于on與off的選擇設(shè)定。46KunmingUniversityofScience&Technology3、Documentation標(biāo)簽頁此頁主要用來針對完成的功能模塊來編寫相應(yīng)的說明文字和Help。在Blockdescription中輸入的文字，會出現(xiàn)在參數(shù)窗口的說明部分。在Blockhelp中輸入的文字則會顯示在單擊參數(shù)窗口中的help按鈕后瀏覽器所加載的HTML文件中。Masktype：在此