第13章Simulink基本知識(shí)

第13章Simulink基本知識(shí)Simulink是MATLAB軟件的重要組成部分，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真和綜合分析，在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。本章詳細(xì)的介紹了Simulink建模的基本概念，然后介紹了Simulink的基本操作，例如Simulink的啟動(dòng)、模塊的連接和模塊參數(shù)的設(shè)置等。接著詳細(xì)的介紹了Simulink常用的基本模塊庫，這些基本模塊是建模的基本元素，了解各個(gè)模塊的作用是熟練掌握Simulink建模的基礎(chǔ)。最后介紹了Simulink中的子系統(tǒng)和封裝，以及Simulink模型的工作空間。13.1Simulink概述Simulink是MATLAB軟件最重要的組件之一，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析，提供了交互式圖形化環(huán)境。在Simulink中，把現(xiàn)實(shí)中的每個(gè)系統(tǒng)都看成是由輸入、輸出和狀態(tài)這3個(gè)基本元素組成，并隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。本節(jié)對(duì)Simulink的基本概念進(jìn)行詳細(xì)的介紹。13.1.1Simulink的概念Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，即系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI），這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。13.1.2Simulink的應(yīng)用和特點(diǎn)Simulink提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于Simulink。13.2Simulink的基本操作利用Simulink建模的過程，可以簡(jiǎn)單地理解為從模塊庫中選擇需要的模塊，然后將這些模塊進(jìn)行連接和屬性設(shè)置，最后進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行，并查看仿真結(jié)果。下面對(duì)Simulink的基本操作進(jìn)行詳細(xì)的介紹，主要包括啟動(dòng)Simulink、模塊的操作和屬性設(shè)置，以及仿真器設(shè)置等。13.2.1啟動(dòng)Simulink在進(jìn)行MATLAB安裝時(shí)，選擇Simulink模塊，進(jìn)行Simulink的安裝。在MATLAB2010a中，Simulink的版本為7.5。首先啟動(dòng)MATLAB軟件，然后再啟動(dòng)Simulink。用戶可以單擊MATLAB主界面工具欄的按鈕，或在MATLAB的命令行窗口輸入：simulink，來啟動(dòng)Simulink。用戶可以在MATLAB的命令行輸入：helpsimulink，來查看Simulink命令行下的函數(shù)。用戶在命令行輸入：demosimulink，將會(huì)打開MATLAB的幫助系統(tǒng)，并顯示Simulink的例子程序。13.2.1選擇模塊首先打開Simulink的庫瀏覽器窗口。然后單擊Simulink庫瀏覽器窗口工具欄上的New按鈕，新建模型文件，并保存為chap13_1.mdl。在Simulink庫的Sources子庫中，找到正弦信號(hào)模塊SineWave?？梢杂檬髽?biāo)直接將該模塊拖入到文件chap13_1.mdl中，也可以在該模塊上單擊右鍵并選擇Addtochap13_1，或選中該模塊后按快捷鍵Ctrl+I。在Sources子庫中找到常量模塊Constant并添加。在Sinks子庫中找到示波器Scope，并添加2個(gè)示波器。在數(shù)學(xué)庫MathOperations中，找到加法Add模塊和減法模塊Subtract，并添加到模型文件中。13.2.2模塊的連接將鼠標(biāo)放在模塊的連線處，鼠標(biāo)箭頭會(huì)變成一個(gè)十字叉，然后單擊并按下鼠標(biāo)左鍵，拖動(dòng)鼠標(biāo)到其它模塊的輸入口，鼠標(biāo)箭頭變?yōu)殡p十字叉后，放開鼠標(biāo)左鍵后。將模型文件chap13_1連線后，如圖13.6所示。

圖13.5選擇和添加模塊圖13.6模塊的連接模塊間的連線默認(rèn)為黑色的實(shí)線，如果兩個(gè)模塊間的連線為紅色的虛線，表示兩個(gè)模塊并沒有連接起來。用鼠標(biāo)單擊該線，然后按鍵盤的Delete鍵或單擊鼠標(biāo)右鍵并選擇Delete菜單進(jìn)行刪除。13.2.3模塊的基本操作1、選中模塊在模型文件中，用鼠標(biāo)單某個(gè)模塊來選中該模塊，被選中模塊的四角處會(huì)出現(xiàn)小黑塊編輯框。如果想選定多個(gè)對(duì)象，可以按下Shift鍵，然后再單擊所需選定的模塊。也可以用鼠標(biāo)拉出矩形虛線框，將所有待選模塊框在其中，則矩形框中所有的對(duì)象均被選中。2、復(fù)制模塊在同一個(gè)模型文件中，可以采樣如下的方法進(jìn)行模塊的復(fù)制：選定該模塊，按下鼠標(biāo)右鍵，拖動(dòng)模塊到合適的地方，釋放鼠標(biāo)。選定該模塊，按住Ctrl鍵，用鼠標(biāo)拖動(dòng)到合適的地方，釋放鼠標(biāo)。選中該模塊，然后使用菜單或工具欄中的Copy和Paste按鈕。3、模塊的移動(dòng)在同一個(gè)模型文件中，選中需要移動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)模塊，然后用鼠標(biāo)將模塊拖到合適的地方。還可以在不同模型文件移動(dòng)模塊。用鼠標(biāo)選中要移動(dòng)的模塊，然后之間拖入到其它模型文件中。如果在移動(dòng)的同時(shí)按下Shift鍵，則刪除原來模型文件中的模塊。4、改變模塊大小選定需要改變大小的模塊，出現(xiàn)小黑塊編輯框后，用鼠標(biāo)拖動(dòng)編輯框，可以實(shí)現(xiàn)放大或縮小。5、模塊的刪除對(duì)于不需要的模塊，需要進(jìn)行刪除。選中需要?jiǎng)h除的模塊，然后按鍵盤上的Delete鍵進(jìn)行刪除?；蜻x中模塊后，單擊菜單Edit下的Delete或Cut選項(xiàng)。也可以在選中模塊后，單擊工具欄中的Cut按鈕進(jìn)行刪除。6、模塊的翻轉(zhuǎn)首先選中模塊，選擇模型文件中的菜單Format下的FlipBlock選項(xiàng)，可以將模塊旋轉(zhuǎn)180度。菜單Format下的選項(xiàng)RotateBlock可以將模塊旋轉(zhuǎn)90度。此外，利用Format菜單下的選項(xiàng)，還可以修改模塊名，對(duì)模塊名的字體進(jìn)行設(shè)置，隱藏模塊名，模塊名的翻轉(zhuǎn)等。13.2.4模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)于每個(gè)模塊，都可以用鼠標(biāo)雙擊該模塊，打開參數(shù)設(shè)置窗口，對(duì)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。對(duì)于正弦信號(hào)（SineWave），用鼠標(biāo)雙擊該模塊后，會(huì)出現(xiàn)如圖13.7的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在圖13.7的上部為參數(shù)說明，仔細(xì)閱讀可以幫助用戶設(shè)置參數(shù)。正弦信號(hào)的參數(shù)中，Amplitude為正弦信號(hào)的幅值，設(shè)置為1。Bias為幅值偏移值，設(shè)置為0。Frequency為正弦頻率，設(shè)置為5。Phrase為正弦的初相，設(shè)置為0。Sampletime為采樣時(shí)間，設(shè)置為0.01。用鼠標(biāo)雙擊常數(shù)模塊Constant，會(huì)出現(xiàn)圖13.8所示的參數(shù)設(shè)置窗口。設(shè)置常數(shù)為3，如圖13.8所示。

13.2.4仿真器設(shè)置在模型文件窗口中，單擊菜單Simulation下的ConfigurationParameters選項(xiàng)，會(huì)出現(xiàn)Simulink仿真器設(shè)置窗口，如圖13.9所示。仿真的起始時(shí)間為0，終止時(shí)間為10秒，求解器Solver默認(rèn)為ode45。13.2.5運(yùn)行仿真首先建立仿真模型，然后對(duì)各個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以及Simulink仿真器進(jìn)行設(shè)置。最后進(jìn)行系統(tǒng)的仿真。用戶可以單擊模型文件chap13_1.mdl窗口中的菜單Simulation下的Start，或按快捷鍵Ctrl+T，進(jìn)行系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)束后，單擊示波器，可以查看進(jìn)行加法和減法后的正弦波形，分別為圖13.10和圖13.11。在圖13.10中，幅值范圍為[2,4]，在圖13.11中，幅值范圍為[-4,-2]。用戶可以單擊示波器工具欄中的按鈕，來調(diào)制縱軸的范圍。此外，還可以單擊工具欄中的按鈕，對(duì)示波器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。13.3常用的模塊庫在Simulink模塊庫瀏覽器中，Simulink模塊包括兩類，一類是Simulink基本模塊庫，是進(jìn)行系統(tǒng)建模的基本單元。另一類是各個(gè)工具箱的模塊庫，和各個(gè)具體應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)。Simulink基本模塊庫包含16個(gè)子集。下面介紹Simulink的基本模塊庫。13.3.1Simulink常用模塊子集Simulink常用模塊子集包括22個(gè)基本模塊，如圖13.12所示。下面介紹其中的Mux模塊和Gain模塊。Mux模塊將多個(gè)單一輸入信號(hào)合成一個(gè)復(fù)合輸出。Gain模塊進(jìn)行比例運(yùn)算。13.3.2連續(xù)時(shí)間模塊子集連續(xù)時(shí)間模塊子集包括13個(gè)模塊，如圖13.17所示。下面介紹其中的Derivative模塊（微分器）。微分器計(jì)算輸入信號(hào)的導(dǎo)數(shù)du/dt，其中du是輸入信號(hào)的變化量，dt是時(shí)間的變化量。13.3.3非連續(xù)時(shí)間模塊子集非連續(xù)時(shí)間模塊子集共有12個(gè)模塊，如圖13.20所示。下面介紹其中的DeadZone模塊和Saturation模塊。DeadZone模塊產(chǎn)生死區(qū)，輸入在某一范圍取值時(shí)，輸出為0。Saturation模塊，可以對(duì)輸入信號(hào)的范圍進(jìn)行限制。當(dāng)輸入信號(hào)超出規(guī)定的上限值時(shí)，輸出為該上限值；當(dāng)輸入信號(hào)小于規(guī)定的上限值時(shí)，輸出為該下限值。13.3.4離散時(shí)間模塊子集離散時(shí)間模塊子集，如圖13.25所示，共包括19個(gè)模塊。下面介紹DiscreteDerivative模塊，即離散微分器。13.3.5邏輯和位操作模塊子集邏輯和位操作模塊共包括19個(gè)基本模塊，如圖13.28所示。下面介紹其中的IntervalTest模塊和ExtractBits模塊。IntervalTest模塊用于間隔測(cè)試，ExtractBits模塊用于提取數(shù)位。13.3.6查表模塊子集在查表模塊子集中包括9個(gè)模塊，如圖13.33所示。查表模塊子集提供了常用查表方法的模塊，包括一維、二維和多維查表模塊等。下面詳細(xì)的介紹LookupTable模塊，即查表模塊。13.3.7數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊子集Simulink的數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊共包含37個(gè)基本模塊，這些模塊用來進(jìn)行常用的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如圖13.38所示。下面介紹Real-ImagtoComplex模塊和ComplextoMagnitude-Angle模塊。Real-ImagtoComplex模塊通過實(shí)部和虛部組成復(fù)數(shù)，ComplextoMagnitude-Angle獲取復(fù)數(shù)的幅度和角度。13.3.8端口和子系統(tǒng)模塊子集端口和子系統(tǒng)模塊子集共包括24個(gè)基本模塊，如圖13.41所示。下面介紹其中的EnabledSubsytem模塊，即使能子系統(tǒng)模塊。將EnableSubsystem模塊加入系統(tǒng)后，就變?yōu)榱艘粋€(gè)使能子系統(tǒng)。系統(tǒng)在仿真時(shí)，首先判斷使能信號(hào)是否大于0，只有在使能端大于0時(shí)，子系統(tǒng)才運(yùn)行，否則子系統(tǒng)不運(yùn)行。13.3.9信號(hào)特征模塊子集Simulink的信號(hào)特征模塊子集包括14個(gè)基本模塊，如圖13.46所示。這些模塊可以對(duì)信號(hào)的數(shù)據(jù)類型、采樣率、寬度等特征進(jìn)行檢測(cè)和操作。下面介紹其中的RateTransition模塊和Probe模塊。RateTransition模塊用于改變信號(hào)的采樣率。Probe模塊用于獲取信號(hào)的寬度、維數(shù)、采樣時(shí)間等信息。13.3.10信號(hào)路徑模塊子集在Simulink的信號(hào)路徑模塊子集，共包含18個(gè)基本模塊，如圖13.51所示，其中的一些模塊也是常用模塊子集的一部分。下面介紹其中的Switch模塊，根據(jù)條件對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行選擇。該模塊有3個(gè)輸入端，從上到下依次為u1、u2和u3，只有一個(gè)輸出端。13.3.11Sinks模塊子集Simulink的Sinks模塊子集共包括9個(gè)模塊，如圖13.56所示。Sinks模塊子集的很多模塊在前面的例子中已經(jīng)用過。ToFile模塊將Simulink中某個(gè)變量保存到文件中，ToWorkspace將某個(gè)變量保存到MATLAB的基本工作空間中。13.3.12信號(hào)源模塊子集信號(hào)源模塊子集共包含23個(gè)基本模塊，如圖13.57所示，用來產(chǎn)生仿真模型的信號(hào)源和時(shí)間等。FromFile模塊將保存在文件中的數(shù)據(jù)讀入到Simulink模型中。FromWorkspace模塊將MATLAB基本工作空間中的變量讀入到Simulink模型中，可以實(shí)現(xiàn)MATLAB和Simulink之間的數(shù)據(jù)交換。13.3.13用戶定義模塊子集用戶定義模塊子集包括6個(gè)基本模塊和S-FunctionExamples模塊，如圖13.62所示。S-function模塊，在第14章會(huì)詳細(xì)的介紹。這里對(duì)MATLABFcn模塊進(jìn)行介紹。MATLABFcn模塊對(duì)輸入進(jìn)行規(guī)定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，輸入和輸出都必須是雙精度的浮點(diǎn)型，但可以是實(shí)數(shù)也可以是復(fù)數(shù)。13.4子系統(tǒng)及其封裝當(dāng)模型變得越來越大、越來越復(fù)雜時(shí)，使用的模塊非常多，用戶很難輕易讀懂所建立的模型。因此，可以將大的模型分成一些小的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單、可讀性好，能夠完成某個(gè)特定的功能。通過子系統(tǒng)，可以采樣模塊化設(shè)計(jì)方法，層次非常清晰。有些常用的模塊集成在一起，還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)用。13.4.1子系統(tǒng)建立子系統(tǒng)的方法有2種。第一種方法是采用Simulink模塊庫的端