MATLAB課件第2章信號(hào)與系統(tǒng)的建模與仿真

第2章信號(hào)與系統(tǒng)的建模與仿真教學(xué)目標(biāo)通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，了解Simulink的基本功能，熟練掌握Simulink模塊的基本操作、Simulink仿真參數(shù)的設(shè)置；掌握連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及建模與仿真的方法。Simulink是MATLAB的重要組成部分，提供建立系統(tǒng)模型、選擇仿真參數(shù)和數(shù)值算法、啟動(dòng)仿真程序?qū)υ撓到y(tǒng)進(jìn)行仿真、設(shè)置不同的輸出方式來(lái)觀察仿真結(jié)果等功能。Simulink既適用于線性系統(tǒng)，也適用于非線性系統(tǒng)；既適用于連續(xù)系統(tǒng)，也適用于離散系統(tǒng)和連續(xù)與離散混合系統(tǒng)；既適用于定常系統(tǒng)，也適用于時(shí)變系統(tǒng)。Simulink提供圖形用戶界面，用戶可以用鼠標(biāo)操作，從模塊庫(kù)中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模塊，將它們適當(dāng)?shù)剡B接起來(lái)以構(gòu)成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，并且用各模塊的參數(shù)對(duì)話框?yàn)橄到y(tǒng)中各模塊設(shè)置參數(shù)。當(dāng)各模塊的參數(shù)設(shè)置完成后，即建立起該系統(tǒng)的模型。如果對(duì)某一模塊沒(méi)有設(shè)置參數(shù)，那就意味著使用Simulink預(yù)先為該模塊設(shè)置的默認(rèn)參數(shù)值作為該模塊的參數(shù)。Simulink模塊庫(kù)內(nèi)容十分豐富，除包括輸入信號(hào)源模塊庫(kù)（Sources）、輸出接收模塊庫(kù)(Sinks)、連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)(Continuous)、離散系統(tǒng)模塊庫(kù)(Discrete)數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫(kù)(MathOperations)等許多標(biāo)準(zhǔn)模塊外，用戶還可以自定義和創(chuàng)建模塊。系統(tǒng)的模型建立后，選擇仿真參數(shù)和數(shù)值算法，便可以啟動(dòng)仿真程序?qū)υ撓到y(tǒng)進(jìn)行仿真，這種操作可以用Simulink菜單，也可以用MATLAB命令實(shí)現(xiàn)。菜單方式對(duì)于交互式運(yùn)行特別方便，而命令方式對(duì)于運(yùn)行一批仿真時(shí)很有用。在仿真過(guò)程中，用戶可以設(shè)置不同的輸出方式來(lái)觀察仿真結(jié)果。例如，使用Sinks模塊庫(kù)中的Scope模塊或其他顯示模塊來(lái)觀察有關(guān)信號(hào)的變化曲線，也可以將結(jié)果存放在MATLAB工作空間中，供以后處理和使用。根據(jù)仿真結(jié)果，用戶可以調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，觀察分析仿真結(jié)果的變化，從而獲得更加理想的仿真結(jié)果。2.1Simulink模塊庫(kù)簡(jiǎn)介2.1.1常用模塊庫(kù)常用模塊庫(kù)(CommonlyUsedBlocks)是為了加快建模速度、節(jié)省建模過(guò)程中尋找模塊的時(shí)間而將最常用的基本模塊集中放在一起形成的。在SimulinkLibraryBrowser（Simulink模塊庫(kù)瀏覽器）窗口中，單擊Libraries列表框中的CommonlyUsedBlocks選項(xiàng)，即可在窗口右側(cè)展開(kāi)CommonlyUsedBlocks（常用模塊庫(kù)）標(biāo)簽，如圖2.1所示。也可以右擊Libraries列表框中的CommonlyUsedBlocks選項(xiàng)，在彈出的快捷菜單中選擇OpenCommonlyUsedBlockLibrary命令，這時(shí)系統(tǒng)將彈出獨(dú)立的Library:Simulink/CommonlyUsedBlocks窗口，如圖2.2所示。圖2.1SimulinkLibraryBrowser窗口圖2.2Library:Simulink/CommonlyUsedBlocks窗口常用模塊庫(kù)包括以下內(nèi)容。1.總線信號(hào)生成器與總線信號(hào)選擇器模塊BusCreator（總線信號(hào)生成器）模塊用于將多個(gè)信號(hào)合成一個(gè)總線信號(hào)，常用于子系統(tǒng)接口信號(hào)傳遞；BusSelector（總線信號(hào)選擇器）模塊用來(lái)選擇總線信號(hào)中的一個(gè)或多個(gè)。2.信號(hào)合成器與信號(hào)分離器模塊Mux(信號(hào)合成器)模塊和Demux(信號(hào)分離器)模塊的功能看似與總線信號(hào)生成模塊和總線信號(hào)選擇模塊的功能相似，但是信號(hào)合成器與信號(hào)分離器模塊是對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行合成與分離的，而總線信號(hào)選擇模塊可以任意選擇總線上的信號(hào)進(jìn)行輸出。3.數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊DataTypeConversion（數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換）可將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為指定輸出類型，具體選擇有Inherit(與輸入數(shù)據(jù)保持一致)、Double(雙精度類型)、Single(單精度)、int8(8位整數(shù)數(shù)據(jù))、uint8(無(wú)符號(hào)8位整數(shù)數(shù)據(jù))等。在輸入/輸出數(shù)據(jù)上可選擇RealWorldValue（實(shí)數(shù)值相等）或者StoredInteger（存儲(chǔ)整數(shù)相等）。同時(shí)可以選擇取整的方向，如選擇RoundIntegerCalculationstoward為Zero時(shí)，表示向零取整；選擇Nearest時(shí)，表示向最接近的整數(shù)取整；選擇Floor時(shí)，表示向負(fù)無(wú)窮取整；選擇Ceiling時(shí)，表示向正無(wú)窮取整。4.積分模塊Integrator(積分)模塊為連續(xù)時(shí)間積分單元。5.離散時(shí)間積分模塊Discrete-TimeIntegrator（離散時(shí)間積分）模塊可完成離散系統(tǒng)積分作用。6.乘法與加法模塊Product（乘法器）模塊可用來(lái)求輸入信號(hào)的乘積，雙擊Product模塊可修改輸入信號(hào)的端口數(shù)。Sum（加法器）模塊可用來(lái)求輸入信號(hào)的加法、減法操作。雙擊Sum模塊打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在Listofsigns符號(hào)列表框可修改加、減法符號(hào)，改變符號(hào)列表欄"|"位置，可改變加、減法符號(hào)的位置，在Iconshape列表框中可選擇加法器模塊的外部形狀為圓形或方形。7.關(guān)系操作與邏輯操作模塊RelationalOpetator（關(guān)系操作）模塊可用來(lái)比較兩個(gè)輸入信號(hào)的大小關(guān)系，雙擊RelationalOpetator模塊，可設(shè)置輸入信號(hào)的比較關(guān)系。關(guān)系操作可選擇大于等于（>=）、小于等于（<=）、不等于（~=）、等于（==）、大于（>）、小于（<）。Logicoperator（邏輯操作）模塊可用來(lái)求取兩輸入變量的邏輯操作關(guān)系，雙擊Logicoperator模塊，打開(kāi)Logicoperator模塊參數(shù)對(duì)話框，邏輯操作具體有AND（與）、OR（或）、NOT（非）、XOR（異或）、NAND（與非）、NOR（或非）操作。8.增益模塊Gain（增益）模塊可用來(lái)設(shè)置信號(hào)放大倍數(shù)，在Simulink動(dòng)態(tài)仿真中使用頻繁。雙擊Gain模塊打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在Gain文本框中可設(shè)置具體信號(hào)放大倍數(shù)。9.輸入/輸出接口及子系統(tǒng)模塊In1（輸入）模塊在建立子系統(tǒng)時(shí)作為輸入信號(hào)的接口。Out1（輸出）模塊在建立子系統(tǒng)時(shí)作為輸出信號(hào)的接口。Subsystem（子系統(tǒng)）模塊可用來(lái)將復(fù)雜系統(tǒng)的全部或局部生成為一個(gè)子系統(tǒng)，這樣便于簡(jiǎn)化Simulink模型結(jié)構(gòu)。10.終端模塊Terminator（終端）模塊可用來(lái)連接沒(méi)有與其他模塊相連的輸出端口，在Simulink模型中，如果有輸出端口沒(méi)有連接，運(yùn)行仿真時(shí)，在MATLAB窗口將顯示警告信息，使用終端模塊可以避免這類警告信息的出現(xiàn)。2.1.2連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)Continuous（連續(xù)系統(tǒng)）模塊庫(kù)提供了連續(xù)系統(tǒng)Simulink建模與仿真的基本模塊。在Simulink模塊庫(kù)瀏覽器中，單擊Libraries列表框中的Continuous選項(xiàng)選項(xiàng)，可打開(kāi)連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)；也可以用右擊Continuous選項(xiàng)，在彈出的快捷菜單中選擇OpenContinuousLibrary選項(xiàng)，系統(tǒng)彈出獨(dú)立的Library:simulink/Continuous窗口，如圖2.3所示。圖2.3Library:simulink/Continuous窗口連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)包括以下內(nèi)容。1.微積分模塊HitCrossing(捕