《MATLAB7 基礎(chǔ)教程》課件第8章

8.1Simulink基礎(chǔ)8.2Simulink的模塊庫(kù)8.3子系統(tǒng)及封裝技術(shù)8.4仿真運(yùn)行與分析

8.5S-函數(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

8.1.1Simulink的啟動(dòng)

要啟動(dòng)Simulink，首先必須啟動(dòng)MATLAB。當(dāng)MATLAB啟動(dòng)之后，可以通過(guò)以下兩種途徑打開(kāi)Simulink模塊庫(kù)瀏覽器：

●單擊MATLAB工具欄上的Simulink按鈕。

●在MATLAB命令窗輸入simulink命令。

運(yùn)行結(jié)果如圖8-1所示。8.1Simulink基礎(chǔ)圖8-1Simulink模塊庫(kù)瀏覽器

Simulink模塊庫(kù)瀏覽器打開(kāi)之后，可以通過(guò)以下兩種途徑新建一個(gè)模型文件：

●單擊Simulink模塊庫(kù)瀏覽器工具欄按鈕。

●在Simulink模塊庫(kù)瀏覽器主菜單選擇File>New>Model。

打開(kāi)新建模型文件，出現(xiàn)如圖8-2所示的窗口。

新建模型文件名默認(rèn)為untitled.mdl，用戶可根據(jù)需要對(duì)文件重命名。圖8-2模型編輯窗口8.1.2Simulink工作環(huán)境

Simulink模塊庫(kù)瀏覽器的操作界面不難掌握，本小節(jié)主要介紹圖8-2所示的模型編輯窗口的菜單功能，其中包括主菜單和工具欄。

主菜單位于模型編輯窗口下方，包括File、Edit、View、Simulation、Format、Tools、Help七個(gè)功能菜單。

1．File菜單

●?New：新建模型、庫(kù)文件。

●?Open：打開(kāi)已有的模型文件。

●?Close：關(guān)閉當(dāng)前模型編輯窗口。

●?Save：保存當(dāng)前模型文件。

●?SaveAs：將當(dāng)前模型文件另存為。

●?SourceControl：設(shè)置Simulink與資源控制系統(tǒng)接口。

●?ModelProperties：模型屬性。●?Preferences：環(huán)境設(shè)置。

●?ExporttoWeb：輸出模型文件到Web。

●?Print：打印模型文件。

●?PrintDetails：打印成為HTML格式的詳細(xì)描述文件。

●?PrintSetup：打印設(shè)置。

●?EnableTiledPrinting：平鋪打印設(shè)置選項(xiàng)。

●?ExitMATLAB：退出MATLAB。

2．Edit菜單

●?Undo：撤消。

●?Redo：恢復(fù)。

●Cut、Copy、Paste、Delete、SelectAll、Find：分別實(shí)現(xiàn)模塊的剪切、復(fù)制、粘貼、刪除、全選、查找操作。

●?CopyModelToClipboard：將模型圖復(fù)制到剪切板?！?CreatSubsystem：創(chuàng)建子系統(tǒng)。

●?MaskSubsystem：封裝子系統(tǒng)。

●?LookUnderMask：查看子系統(tǒng)構(gòu)成。

●?LinkOptions：鏈接選項(xiàng)。

●?RefreshModelBlocks：刷新所有模塊的輸入/輸出口和參數(shù)。

●?UpdateDiagram：刷新顯示。

3．View菜單

View菜單的部分功能與Windows中View菜單的功能類似，這里只介紹模型編輯窗口的特殊功能菜單。

●?Back：后退。

●?Forward：前進(jìn)。

●?GoToParent：返回子系統(tǒng)上一級(jí)。

●?ModelBrowserOptions：模型瀏覽器選項(xiàng)。

●?BlockDataTipsOptions：模塊數(shù)據(jù)提示選項(xiàng)。

●?SystemRequirments：系統(tǒng)要求。

●?LibraryBrowser：打開(kāi)Simulink模塊庫(kù)瀏覽器。

●?ModelExplorer：打開(kāi)模塊資源管理器。

●?MATLABDesktop：進(jìn)入MATLAB主界面。

●?ShowPageBoundaries：顯示頁(yè)面邊界。

4．Simulation菜單

●?Start：?jiǎn)?dòng)仿真。

●?Stop：停止仿真。

●?ConfigurationParameters：仿真參數(shù)設(shè)置。

●?Normal：標(biāo)準(zhǔn)仿真模式。

●?Accelerator：加速仿真模式。

●?External：外部仿真模式。

5．Format菜單

●?Font：設(shè)置字體。

●?TextAlignment：設(shè)置文字對(duì)齊方式。

●?EnableTeXCommands：在注釋中解釋TeX命令。

●?FlipName：翻轉(zhuǎn)模塊名。

●?FlipBlock：翻轉(zhuǎn)模塊。

●?RotateBlock：旋轉(zhuǎn)模塊。

●?ShowName：顯示模塊名?！?ShowDropShadow：顯示模塊陰影。

●?ShowPortLabels：端口標(biāo)簽顯示模式。

●?ForegroundColor：設(shè)置模塊前景顏色。

●?BackgroundColor：設(shè)置模塊背景顏色。

●?ScreenColor：設(shè)置窗口屏幕顏色。

●?Port/SignalDisplay：端口/信號(hào)信息顯示設(shè)置。

●?BlockDisplay：模塊信息顯示設(shè)置。

●?LibraryLinkDisplay：庫(kù)鏈接信息顯示設(shè)置。6．Tools菜單

●?SimulinkDebugger：打開(kāi)Simulink調(diào)試器。

●?Fixed-PointSettings：打開(kāi)定點(diǎn)設(shè)置對(duì)話框。

●?ModelAdvisor：打開(kāi)模型咨詢工具。

●?ModelDependencies：使用模型文件清單。

●?LookupTableEditor：打開(kāi)查表編輯器?！?DataClassDesigner：打開(kāi)Simulink數(shù)據(jù)類型設(shè)計(jì)器。

●?BusEditor：打開(kāi)總線編輯器查看或編輯總線對(duì)象。

●?Profiler：觸發(fā)Simulink優(yōu)化工具。

●?CoverageSettings：打開(kāi)模型設(shè)置對(duì)話框。

●?Signal&ScopeManager：打開(kāi)信號(hào)與示波器管理器。

●?Real-TimeWorkshop：實(shí)時(shí)工作區(qū)間選項(xiàng)。

●?ExternalModeControlPanel：打開(kāi)外部模式控制面板。

●?ControlDesign：用于控制設(shè)計(jì)?！?ParameterEstimation：用于參數(shù)估計(jì)。

●?ReportGenerator：打開(kāi)報(bào)告產(chǎn)生器。

●?HDLCoder：HDL代碼選項(xiàng)。

●?LinkforTASKING：TASKING鏈接選項(xiàng)。

●?DataObjectWizard：打開(kāi)數(shù)據(jù)對(duì)象向?qū)А?/p>

●?SystemTest：系統(tǒng)測(cè)試。

●?MPlayVideoViewer：打開(kāi)MPlay視頻觀察器。

7．Help菜單

●?UsingSimulink：在MATLAB幫助瀏覽器中顯示Simulink用戶指導(dǎo)。

●?Blocks：在幫助瀏覽器中顯示選中模塊或所有模塊的幫助。

●?Blocksets：分類選擇查看幫助。

●?BlockSupportTable：查看Simulink各模塊支持的數(shù)據(jù)類型表。

●?Shortcuts：在幫助瀏覽器中顯示Simulink命令的快捷鍵?！?S-Functions：在幫助瀏覽器中顯示S-函數(shù)的幫助。

●?Demos：在幫助瀏覽器中顯示Demos標(biāo)簽頁(yè)的Simulink部分。

●?TermsofUse：打開(kāi)Licence.txt文件。

●?Patents：打開(kāi)patents.txt文件。

●?AboutSimulink：顯示Simulink版本信息。

工具欄位于主菜單之下，為用戶提供了快捷的功能操作。由于主菜單中都包含了工具欄的基本功能，這里就不再重復(fù)介紹了。8.1.3Simulink模塊的基本操作

有關(guān)模塊的操作都可以通過(guò)主菜單、鼠標(biāo)或右鍵菜單來(lái)完成。本小節(jié)將介紹最重要且最基本的模塊操作。

1．模塊的添加和重命名

建立系統(tǒng)框圖時(shí)首先需要添加模塊。用戶可以從模塊庫(kù)瀏覽器中選中某個(gè)模塊并選擇菜單中的AddtotheCurrentModel項(xiàng)，將其添加到當(dāng)前模型編輯窗口，或者直接將模塊庫(kù)瀏覽器中的模塊拖放到模型編輯窗口的某個(gè)位置。默認(rèn)情況下，添加的模塊名為模塊庫(kù)瀏覽器中的模塊名。在模型編輯窗口單擊模塊名可以對(duì)模塊進(jìn)行重命名。

2．模塊的移動(dòng)和縮放

為調(diào)整模型編輯窗口內(nèi)模塊的位置，可以用鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)模塊到指定位置，也可以選中模塊后通過(guò)鍵盤(pán)的上、下、左、右鍵調(diào)整模塊的位置。

為調(diào)整模塊的大小，可以先選中模塊，然后將鼠標(biāo)移動(dòng)到該模塊的四個(gè)角中的任意一個(gè)角，這時(shí)鼠標(biāo)變成雙向斜箭頭，按下鼠標(biāo)左鍵就可以對(duì)模塊的大小進(jìn)行調(diào)整了。

3．模塊的剪切、復(fù)制和粘貼

選中一個(gè)模塊或一塊區(qū)域后，可以通過(guò)主菜單、工具欄或右鍵菜單對(duì)其進(jìn)行剪切(Cut)或復(fù)制(Copy)操作。當(dāng)剪貼板中有內(nèi)容時(shí)，可以進(jìn)行粘貼(Paste)操作。

在一個(gè)模型文件內(nèi)還有更為快捷的復(fù)制和粘貼操作，即選中需要復(fù)制的部分，使用右鍵或Ctrl+左鍵拖動(dòng)該部分，在指定位置松開(kāi)右鍵或Ctrl+左鍵后，則將該部分復(fù)制并粘貼到該位置。

4．模塊的旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)

為了布局設(shè)計(jì)和連線方便，常常需要對(duì)模塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)操作。可以先選中模塊，然后在右鍵菜單或主菜單中的Format選項(xiàng)內(nèi)選擇RotateBlock或FlipBlock，對(duì)模塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)操作。

5．模塊的參數(shù)設(shè)置

當(dāng)添加一個(gè)模塊后，還需要對(duì)該模塊的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。雙擊需要設(shè)置參數(shù)的模塊，彈出一個(gè)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，可以將參數(shù)設(shè)置為常量，也可以設(shè)置為變量(運(yùn)行前先對(duì)變量賦值)。采樣時(shí)間(Sampletime)通常設(shè)為?-1(繼承與輸入相連的模塊的采樣時(shí)間),?如圖8-3所示。圖8-3模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

6．模塊的連接

模塊之間信號(hào)線的連接可以用鼠標(biāo)來(lái)完成。光標(biāo)在輸入端(或輸出端)變?yōu)槭中螤顣r(shí)，按下鼠標(biāo)左鍵并拖動(dòng)鼠標(biāo)至輸出端(或輸入端)，松開(kāi)左鍵即可完成一條信號(hào)線的連接。

如果要在一條信號(hào)線上引出分支線并連接到其他模塊，可以在需要引出分支處按下鼠標(biāo)右鍵或Ctrl+左鍵，拖動(dòng)支線的箭頭到指定位置或其他模塊的輸入端口，然后松開(kāi)右鍵或Ctrl+左鍵即可。

7．信號(hào)線的彎折、移動(dòng)和刪除

如果需要彎折信號(hào)線，則拖動(dòng)信號(hào)線時(shí)在需要彎折處松開(kāi)鼠標(biāo)，再按下鼠標(biāo)繼續(xù)拖動(dòng)即可。

如果需要移動(dòng)已有的信號(hào)線，則將鼠標(biāo)指向該信號(hào)線，按下左鍵進(jìn)行移動(dòng)，然后松開(kāi)即可。

如果需要?jiǎng)h除已有的信號(hào)線，則選中該信號(hào)線，通過(guò)主菜單或右鍵菜單選擇Delete，或者在鍵盤(pán)上按下Delete鍵即可。8.1.4Simulink仿真步驟

Simulink仿真步驟通常由以下幾個(gè)部分組成。

1．創(chuàng)建系統(tǒng)模型

要仿真一個(gè)系統(tǒng)，首先要新建一個(gè)模型文件并打開(kāi)Simulink模型庫(kù)瀏覽器，然后在模型編輯窗口添加系統(tǒng)模塊并以適當(dāng)?shù)姆绞綄⑦@些模塊連接起來(lái)，形成系統(tǒng)模型。一個(gè)仿真模型應(yīng)該至少有一個(gè)輸入(Sources庫(kù))和一個(gè)輸出(Sinks庫(kù))，創(chuàng)建完畢后應(yīng)將模型文件保存在當(dāng)前路徑下。

2．設(shè)置模塊參數(shù)

用戶可以根據(jù)特定需要設(shè)置系統(tǒng)各模塊的參數(shù)。雙擊需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的模塊，在彈出的對(duì)話框中填寫(xiě)模塊參數(shù)，單擊OK按鈕即可完成設(shè)置。填入的參數(shù)可以是常數(shù)，也可以是變量。如果是變量，在仿真該模型前應(yīng)先對(duì)參數(shù)變量賦值。

3．設(shè)置仿真參數(shù)

仿真前應(yīng)根據(jù)仿真需要設(shè)置仿真參數(shù)。在主菜單中選擇Simulation>ConfigurationParameters，彈出一個(gè)如圖8-4所示的仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在對(duì)話框左側(cè)可以對(duì)Solver、DataImport/Export、Optimization、Diagnostics、HardwareImplementation、ModelReferencing、Real-TimeWorkshop、HDLCoder等選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。通常情況下，仿真主要設(shè)置的是Solver選項(xiàng)。圖8-4仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

Solver選項(xiàng)的主要設(shè)置項(xiàng)如下：

●?Simulationtime：Starttime(起始時(shí)間)和Stoptime(終止時(shí)間)。

●?Solveroptions：

■?Type(是否采用變步長(zhǎng)算法)。

■?Maxstepsize(最大時(shí)間步長(zhǎng))和Minstepsize(最小時(shí)間步長(zhǎng))。

■?Solver(求解器)。

■?Relativetolerance(相對(duì)允許誤差)和Absolutetolerance(絕對(duì)允許誤差)。

■?Initialstepsize(初始步長(zhǎng))。

■?Zerocrossingcontrol(過(guò)零控制選項(xiàng))。●?Solverdiagnosticcontrols：

■?Numberofconsecutiveminstepsizeviolationsallowed(允許違反連續(xù)最小步長(zhǎng)的最大次數(shù))。

■?Consecutivezerocrossingsrelativetolerance(連續(xù)過(guò)零相對(duì)允許誤差)。

■?Numberofconsecutivezerocrossingsallowed(連續(xù)過(guò)零允許次數(shù))。

4．運(yùn)行仿真

以上操作步驟完成后就可以對(duì)模型進(jìn)行仿真了。選擇主菜單中的Simulation>Start或單擊工具欄按鈕啟動(dòng)仿真。仿真進(jìn)行時(shí)，模型編輯窗口狀態(tài)欄上會(huì)顯示仿真的進(jìn)度，用戶可以等待仿真進(jìn)行到終止時(shí)間或單擊工具欄按鈕暫停仿真(暫停之后可以恢復(fù)仿真)，甚至可以單擊工具欄按鈕強(qiáng)行終止仿真。

5．仿真結(jié)果分析

仿真終止后即可對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行觀察和分析。通常的做法是使用示波器(Scope)觀測(cè)，即雙擊示波器觀察波形，再利用波形縮放工具實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的觀察。另外，還可以將仿真得到的數(shù)據(jù)輸出到MATLAB工作區(qū)間，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察或分析。

下面通過(guò)實(shí)例來(lái)說(shuō)明仿真的具體步驟。

【例】

二階振蕩環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)仿真。

(1)新建一個(gè)模型文件，保存并命名為untitled.mdl。從模塊庫(kù)瀏覽器中選擇Step(階躍輸入)、TransferFcn(振蕩環(huán)節(jié)傳遞函數(shù))、Scope(示波器)并添加到模型編輯窗口，然后連接各模塊，如圖8-5所示。圖8-5二階振蕩系統(tǒng)連接框圖

(2)設(shè)置各模塊的參數(shù)。其中，Step模塊的參數(shù)設(shè)置如圖8-6所示，TransferFcn模塊的參數(shù)設(shè)置如圖8-7所示，Scope模塊的參數(shù)設(shè)置如圖8-8所示。

(3)設(shè)置仿真參數(shù)。打開(kāi)仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將Stoptime設(shè)置為3，Maxstepsize設(shè)置為0.01，其他參數(shù)保留默認(rèn)值。設(shè)置結(jié)果如圖8-9所示。

圖8-6Step模塊的參數(shù)設(shè)置

圖8-7TransferFcn模塊的參數(shù)設(shè)置圖8-8Scope模塊的參數(shù)設(shè)置圖8-9仿真參數(shù)設(shè)置

(4)單擊工具欄按鈕運(yùn)行仿真，階躍輸入信號(hào)(下)及振蕩環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)(上)的波形如圖8-10所示?？梢钥闯觯到y(tǒng)輸出經(jīng)過(guò)一段振蕩后輸出幅值穩(wěn)定在1/100。圖8-10示波器顯示的波形結(jié)果8.1.5Simulink求解算法

Simulink仿真是通過(guò)求解器來(lái)計(jì)算下一個(gè)時(shí)刻及其狀態(tài)的。Simulink的求解器可分為兩類：固定步長(zhǎng)求解器和變步長(zhǎng)求解器。對(duì)于固定步長(zhǎng)求解器，在仿真期間步長(zhǎng)保持為常數(shù)；而對(duì)于變步長(zhǎng)求解器，步長(zhǎng)的大小取決于模型的動(dòng)力學(xué)特性。當(dāng)模型的狀態(tài)變化迅速時(shí)，變步長(zhǎng)求解器將減小步長(zhǎng)以保證計(jì)算精度；當(dāng)模型的狀態(tài)變化緩慢時(shí)，變步長(zhǎng)求解器將增大步長(zhǎng)以避免不必要的計(jì)算。求解器的選擇取決于模型的動(dòng)力學(xué)特性和用戶的配置計(jì)劃。如果用戶需要生成模型代碼并在實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行該代碼，則應(yīng)該選擇固定步長(zhǎng)求解器來(lái)仿真模型，這是因?yàn)閷?shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以固定的信號(hào)采樣率運(yùn)行，而變步長(zhǎng)求解器可能導(dǎo)致實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的仿真丟失誤差條件。如果不需要生成代碼，則求解器的選擇取決于系統(tǒng)模型的動(dòng)力學(xué)特性。

如果模型的狀態(tài)變化迅速或包含不連續(xù)性，則變步長(zhǎng)求解器可以減小模型仿真所用的時(shí)間步長(zhǎng)。這是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)模型，變步長(zhǎng)求解器比固定步長(zhǎng)求解器需要更短的時(shí)間步長(zhǎng)以達(dá)到可接受的精度級(jí)別。

1．固定步長(zhǎng)求解器

如果仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框的Solveroptions選項(xiàng)區(qū)中的Type選項(xiàng)為Fixed-step，則可以選擇Solver右側(cè)下拉列表框列出的固定步長(zhǎng)求解器。這類固定步長(zhǎng)求解器由離散求解器和連續(xù)求解器兩部分組成。固定步長(zhǎng)求解器有如下幾種：

●?discrete：無(wú)連續(xù)狀態(tài)的離散狀態(tài)模型算法；

●?ode1：歐拉法；

●?ode2：Heun法；

●?ode3：Bogacki-Shampine公式；

●?ode4：四階Runge-Kutta法；

●?ode5：Dormand-Prince公式；

●?ode14x：結(jié)合牛頓法與外推法。固定步長(zhǎng)求解器的選擇方法通常采用二進(jìn)制查找法，即如果ode1不能給出精確的計(jì)算結(jié)果，測(cè)試ode3，如果ode3滿足精度要求，測(cè)試ode2，如果ode2滿足精度要求，則選擇ode2作為求解器，否則選擇ode3作為求解器；如果ode3不能滿足精度要求，測(cè)試ode5，如果ode5能滿足精度要求，測(cè)試ode4，如果ode4滿足精度要求，則選擇ode4作為求解器，否則選擇ode5作為求解器。

2．變步長(zhǎng)求解器

如果仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框的Solveroptions選項(xiàng)區(qū)中的Type選項(xiàng)為Variable-step，則可以選擇Solver右側(cè)下拉列表框列出的變步長(zhǎng)求解器。這類變步長(zhǎng)求解器由一個(gè)離散求解器和幾個(gè)連續(xù)求解器組成。變步長(zhǎng)求解器的步長(zhǎng)選擇取決于模型狀態(tài)的變化快慢程度。離散求解器或連續(xù)求解器的選取取決于模型中是否定義了狀態(tài)以及所定義的狀態(tài)類型。如果模型定義無(wú)狀態(tài)或者只定義了離散狀態(tài)，則應(yīng)當(dāng)選擇離散求解器。事實(shí)上，即使這種情況下選擇的是連續(xù)求解器，Simulink仍會(huì)使用離散求解器來(lái)求解。變步長(zhǎng)求解器有如下幾種：

●?discrete：無(wú)連續(xù)狀態(tài)的離散狀態(tài)模型算法?！?ode45：基于顯式Runge-Kutta(4,5)公式和Dormand-Prince的單步算法。例如，計(jì)算y(tn)，只需要知道前一個(gè)時(shí)刻處的解y(tn-1)。通常ode45是大多數(shù)問(wèn)題首選的最佳求解器，因此ode45也是Simulink連續(xù)狀態(tài)模型的默認(rèn)求解器。

●?ode23：基于顯式Runge-Kutta(2,3)與Bogacki和Shampine的單步算法。在處理粗略允許誤差和弱剛性問(wèn)題時(shí)較ode45有效。

●?ode113：變階Adams-Bashforth-MoultonPECE多步算法。在允許誤差有嚴(yán)格要求時(shí)較ode45有效。多步算法在計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的值時(shí)需要知道之前多個(gè)時(shí)刻的解?！?ode15s：基于數(shù)值微分公式(NDFs)的變階多步求解算法。它比反向微分公式(BDFs或Gear法)更有效。對(duì)于一個(gè)可能為剛性的問(wèn)題，或者ode45不能有效解決的問(wèn)題，可以嘗試采用ode15s進(jìn)行求解。

●?ode23s：基于改進(jìn)的二階Rosenbrock公式的單步算法。ode23s在處理粗略允許誤差問(wèn)題時(shí)較ode15s有效。它還可以求解一些ode15s不能有效解決的剛性問(wèn)題。

●?ode23t：使用“自由”內(nèi)插式實(shí)現(xiàn)的梯形算法。如果問(wèn)題為適度剛性且希望得到一個(gè)不存在數(shù)值阻尼的解，則使用該求解器?！?ode23tb：由二階反向微分公式的梯形法(TR-BDF2)，即第一階段采用梯形法而第二階段采用二階反向微分公式的隱式Runge-Kutta公式實(shí)現(xiàn)的算法。從構(gòu)造上講，兩個(gè)階段的估計(jì)都使用了相同的迭代矩陣。類似ode23s，ode23tb在處理粗略允許誤差問(wèn)題時(shí)較ode15s有效。8.2.1CommonlyUsedBlocks模塊庫(kù)

CommonlyUsedblocks模塊庫(kù)中包含了仿真最常用的模塊，這些模塊在其他模塊庫(kù)中都可以找到，但是CommonlyUsedBlocks模塊庫(kù)提供了快捷的模塊選取方法。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-1所示。8.2Simulink的模塊庫(kù)表8-1CommonlyUsedBlocks模塊庫(kù)8.2.2Continuous模塊庫(kù)

Continuous模塊庫(kù)中主要包含了連續(xù)系統(tǒng)的仿真模塊。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-2所示。表8-2Continuous模塊庫(kù)8.2.3Discontinuities模塊庫(kù)

Discontinuities模塊庫(kù)中主要包含了不連續(xù)系統(tǒng)的仿真模塊。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-3所示。表8-3Discontinuities模塊庫(kù)8.2.4Discrete模塊庫(kù)

Discrete模塊庫(kù)中主要包含了不連續(xù)系統(tǒng)的仿真模塊。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-4所示。表8-4Discrete模塊庫(kù)8.2.5LogicandBitOperations模塊庫(kù)

LogicandBitOperations模塊庫(kù)中的仿真模塊主要用于實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和位運(yùn)算。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-5所示。表8-5LogicandBitOperations模塊庫(kù)8.2.6LookupTables模塊庫(kù)

LookupTables模塊庫(kù)提供了各種用于查表運(yùn)算的模塊。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-6所示。表8-6LookupTables模塊庫(kù)8.2.7MathOperations模塊庫(kù)

MathOperations模塊庫(kù)中包含了大量的用于實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算的模塊。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-7所示。表8-7MathOperations模塊庫(kù)續(xù)表8.2.8ModelVerification模塊庫(kù)

ModelVerification模塊庫(kù)主要用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-8所示。表8-8ModelVerification模塊庫(kù)8.2.9Model-WideUtilities模塊庫(kù)

Model-WideUtilities模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-9所示。表8-9Model-WideUtilities模塊庫(kù)8.2.10Ports&Subsystems模塊庫(kù)

Ports&Subsystems模塊庫(kù)主要用于端口和子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-10所示。表8-10Ports&Subsystems模塊庫(kù)8.2.11SignalAttributes模塊庫(kù)

SignalAttributes模塊庫(kù)主要用于信號(hào)和數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-11所示。表8-11SignalAttributes模塊庫(kù)8.2.12SignalRouting模塊庫(kù)

SignalRouting模塊庫(kù)主要用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)路徑的控制。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-12所示。表8-12SignalRouting模塊庫(kù)8.2.13Sinks模塊庫(kù)

Sinks模塊庫(kù)主要提供信號(hào)的顯示或信號(hào)的輸出連接。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-13所示。表8-13Sinks模塊庫(kù)8.2.14Sources模塊庫(kù)

Sources模塊庫(kù)提供了大量的信號(hào)發(fā)生器模塊。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-14所示。表8-14Sources模塊庫(kù)8.2.15User-DefinedFunctions模塊庫(kù)

User-DefinedFunctions模塊庫(kù)主要用于實(shí)現(xiàn)自定義函數(shù)功能，包括MATLAB函數(shù)和S-函數(shù)。該模塊庫(kù)中的各模塊描述如表8-15所示。表8-15User-DefinedFunctions模塊庫(kù)8.3.1創(chuàng)建子系統(tǒng)

當(dāng)模型的規(guī)模和復(fù)雜性增加時(shí)，可以通過(guò)將模塊組成子系統(tǒng)來(lái)簡(jiǎn)化模型。使用子系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

●減小模型窗口內(nèi)顯示的模塊數(shù)；

●可將功能關(guān)系密切的模塊集合在一起；

●實(shí)現(xiàn)層次化的模型圖，子系統(tǒng)處于某一層，組成該子系統(tǒng)的模塊處于另一層。8.3子系統(tǒng)及封裝技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)子系統(tǒng)通常有以下兩種方法：

●在模型內(nèi)添加一個(gè)Subsystem模塊，打開(kāi)該模塊并在該子系統(tǒng)窗口內(nèi)添加模塊；

●在模型內(nèi)添加構(gòu)成子系統(tǒng)的模塊，然后由這些模塊創(chuàng)建組成子系統(tǒng)。

1．通過(guò)添加Subsystem模塊創(chuàng)建子系統(tǒng)

在添加組成子系統(tǒng)的各模塊之前，首先在模型內(nèi)添加一個(gè)子系統(tǒng)，然后再在子系統(tǒng)中添加組成子系統(tǒng)的模塊。具體操作步驟如下：

(1)從Ports&Subsystems庫(kù)將Subsystem模塊復(fù)制到當(dāng)前模型內(nèi)。

(2)雙擊打開(kāi)Subsystem模塊。

(3)在子系統(tǒng)窗口內(nèi)創(chuàng)建子系統(tǒng)，使用輸入端模塊和輸出端模塊分別表示子系統(tǒng)的外部輸入和外部輸出。

【例】利用Subsystem模塊創(chuàng)建子系統(tǒng)。

創(chuàng)建一個(gè)名為untitled.mdl的模型文件，添加信號(hào)源、示波器和子系統(tǒng)模塊，如圖8-11所示。圖8-11系統(tǒng)模塊連接打開(kāi)子系統(tǒng)模塊，在子系統(tǒng)中添加傳遞函數(shù)模塊，如圖8-12所示。圖8-12子系統(tǒng)模塊連接

2．通過(guò)模型中已有模塊創(chuàng)建組成子系統(tǒng)

如果模型中存在一些相關(guān)模塊，并且希望將這些模塊組成子系統(tǒng)，則可以通過(guò)選中這些模塊來(lái)創(chuàng)建子系統(tǒng)。具體操作步驟如下：

(1)按下鼠標(biāo)左鍵，拖動(dòng)鼠標(biāo)形成包圍框，框中用于創(chuàng)建子系統(tǒng)的模塊以及相關(guān)連接線，松開(kāi)鼠標(biāo)完成選定。需要注意的是，不可以一個(gè)接一個(gè)地選擇模塊或者使用SelectAll命令。

(2)從右鍵菜單或Edit菜單中選擇CreateSubsystem，Simulink則使用子系統(tǒng)模塊取代所選中的這些模塊。

【例】通過(guò)模型中已有模塊創(chuàng)建子系統(tǒng)。

創(chuàng)建一個(gè)名為untitled.mdl的模型文件，添加如圖8-13所示的各模塊，并用鼠標(biāo)選中需要?jiǎng)?chuàng)建生成子系統(tǒng)的部分。

松開(kāi)鼠標(biāo)左鍵，在Edit菜單下選擇CreateSubsystem，生成的子系統(tǒng)模塊如圖8-14所示。圖8-13選中部分模塊圖8-14生成的子系統(tǒng)模塊8.3.2封裝子系統(tǒng)

子系統(tǒng)封裝是自定義的用戶界面，用于隱藏子系統(tǒng)內(nèi)容，并且使子系統(tǒng)具有類似Simulink原型模塊的外部特性，如顯示子系統(tǒng)圖標(biāo)、參數(shù)設(shè)置對(duì)話框等。Simulink的子系統(tǒng)封裝編輯器提供了以下封裝功能：

●只需要用一個(gè)參數(shù)對(duì)話框就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)子系統(tǒng)的描述、參數(shù)設(shè)置以及幫助信息的顯示?！袷褂米远x圖標(biāo)取代標(biāo)準(zhǔn)子系統(tǒng)圖標(biāo)來(lái)表示子系統(tǒng)。

●隱藏子系統(tǒng)的內(nèi)部模塊構(gòu)成。

●通過(guò)在封裝子系統(tǒng)中定義模塊的行為來(lái)創(chuàng)建自定義模塊，并將封裝后的子系統(tǒng)放入一個(gè)模塊庫(kù)。

通常封裝一個(gè)子系統(tǒng)的步驟如下：

(1)選擇需要封裝的子系統(tǒng)模塊。

(2)通過(guò)模型右鍵菜單或者模型編輯器的Edit菜單選擇MaskSubsystem，出現(xiàn)如圖8-15所示的封裝編輯器窗口。圖8-15封裝編輯器窗口(3)設(shè)置封裝編輯器的各項(xiàng)標(biāo)簽頁(yè)，實(shí)現(xiàn)如下功能：

●創(chuàng)建自定義子系統(tǒng)圖標(biāo)；

●創(chuàng)建子系統(tǒng)參數(shù)選項(xiàng)；

●初始化封裝后的子系統(tǒng)參數(shù)；

●為子系統(tǒng)創(chuàng)建在線使用文檔說(shuō)明。

(4)單擊Apply(應(yīng)用)按鈕，或者單擊OK(確定)按鈕并退出封裝編輯器。

如果想取消封裝，單擊圖8-15所示封裝編輯器窗口中的Unmask按鈕即可。下面通過(guò)封裝一個(gè)離散PID控制器子系統(tǒng)的實(shí)例來(lái)說(shuō)明封裝編輯器的基本用法。

【例】封裝子系統(tǒng)。

創(chuàng)建一個(gè)模型，其中包含名為Subsystem的子系統(tǒng)，如圖8-16、圖8-17所示。圖8-16系統(tǒng)模塊連接

圖8-17子系統(tǒng)模塊連接打開(kāi)封裝編輯器，將比例器、離散時(shí)間積分器、離散微分器的增益分別設(shè)為Kp、Ki、Kd，如圖8-18所示。

打開(kāi)封裝編輯器，在Icon標(biāo)簽頁(yè)的Drawingcommands文本命令區(qū)輸入命令disp('PID')，則子系統(tǒng)的圖標(biāo)變成居中顯示的文字“PID”，如圖8-19所示。圖8-18模塊參數(shù)設(shè)置圖8-19更改圖標(biāo)在Parameters標(biāo)簽頁(yè)下設(shè)置參數(shù)Kp、Ki、Kd，它們?cè)趨?shù)對(duì)話框中的名稱分別為Proportion、Integral、Derivative，如圖8-20所示。

在Initialization標(biāo)簽頁(yè)的Initializationcommands文本命令區(qū)輸入仿真運(yùn)行參數(shù)初始化代碼，如圖8-21所示。每行命令后無(wú)分號(hào)，運(yùn)行時(shí)MATLAB命令窗中會(huì)顯示這些命令的運(yùn)行結(jié)果。圖8-20設(shè)置參數(shù)名稱圖8-21設(shè)置仿真運(yùn)行參數(shù)初始值在Documentation標(biāo)簽頁(yè)的Masktype、Maskdescription、Maskhelp等文本區(qū)分別輸入模塊的封裝類型信息、描述信息和幫助信息，如圖8-22所示。

運(yùn)行后的仿真結(jié)果如圖8-23所示。圖8-22設(shè)置模塊封裝類型信息、描述信息和幫助信息圖8-23系統(tǒng)仿真波形結(jié)果8.3.3自定義模塊庫(kù)

Simulink允許用戶創(chuàng)建自己的模塊庫(kù)，并將封裝好的子系統(tǒng)模塊放入其中。創(chuàng)建一個(gè)模塊庫(kù)時(shí)，首先要通過(guò)File菜單新建一個(gè)模塊庫(kù)文件，接下來(lái)將顯示一個(gè)標(biāo)題為L(zhǎng)ibrary:untitled的窗口。如果已經(jīng)存在名為untitled的窗口，則創(chuàng)建的文件名后按順序附加數(shù)字。模塊庫(kù)名不得與模型文件重名。

當(dāng)創(chuàng)建好一個(gè)庫(kù)文件時(shí)，可以將模型或其他模塊庫(kù)中的模塊拖動(dòng)到新建的庫(kù)文件中。這個(gè)自定義模塊庫(kù)中包含了所有經(jīng)常用到的模塊或子系統(tǒng)，將這個(gè)模塊庫(kù)保存后，如果需要新建一個(gè)系統(tǒng)模型，不需要打開(kāi)Simulink模塊庫(kù)瀏覽器，而只需要打開(kāi)自定義模塊庫(kù)，直接從自定義的模塊庫(kù)中選擇模塊并拖到模型編輯器中就可以實(shí)現(xiàn)模型的創(chuàng)建。8.4.1仿真的運(yùn)行控制

通過(guò)使用Simulink仿真界面主菜單、工具欄可以方便地實(shí)現(xiàn)仿真的啟動(dòng)、停止和暫停，這在8.1.4小節(jié)中已經(jīng)作過(guò)簡(jiǎn)要的介紹。本小節(jié)主要介紹使用模塊實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行控制的方法。8.4仿真運(yùn)行與分析

1．使用仿真停止模塊

使用StopSimulation模塊可以實(shí)現(xiàn)有條件的仿真停止。當(dāng)該模塊的輸入不為零時(shí)，仿真將會(huì)終止。使用該模塊的步驟如下：

(1)從Sinks模型庫(kù)中選中StopSimulation模塊并添加到當(dāng)前模型內(nèi)。

(2)將控制信號(hào)接入該模塊的輸入端，當(dāng)信號(hào)非零時(shí)，仿真停止。如果輸入為向量，只要有一個(gè)元素不為零，仿真都會(huì)停止。圖8-24使用StopSimulation模塊

2．使用仿真暫停模塊

使用Assertion模塊可以可以實(shí)現(xiàn)有條件的仿真暫停。當(dāng)該模塊的輸入為零時(shí)，仿真將會(huì)暫停。使用該模塊的步驟如下：

(1)從ModelVerification模型庫(kù)中選中Assertion模塊并添加到當(dāng)前模型內(nèi)。

(2)將控制信號(hào)接入該模塊的輸入端，當(dāng)信號(hào)為零時(shí)，仿真暫停。

(3)打開(kāi)Assertion模塊參數(shù)對(duì)話框，在Simulationcallbackwhenassertionfails項(xiàng)下輸入如下命令：

set_param(bdroot,‘SimulationCommand’,‘pause’),

disp(sprintf(‘\nSimulationpaused.’))圖8-25使用Assertion模塊不選中Stopsimulationwhenassertionfails選項(xiàng)。

(4)單擊OK完成設(shè)置。

例如，Assertion模塊的使用如圖8-25所示，模型設(shè)置如上。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間等于5時(shí)，仿真將會(huì)暫停，并且MATLAB命令窗會(huì)顯示如下信息：

Simulationpaused.

Warning:Assertiondetectedin‘stop/Assertion’attime5.000000.

仿真暫停之后，從模型編輯器主菜單的Simulation菜單中選擇Continue或在工具欄上按下Continue按鈕可以繼續(xù)完成仿真。圖8-25使用Assertion模塊8.4.2仿真數(shù)據(jù)的輸入和輸出

Simulink允許用戶由MATLAB工作區(qū)間輸入信號(hào)和初始狀態(tài)，并且可以在仿真期間將信號(hào)和狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出到MATLAB工作區(qū)間。本小節(jié)將通過(guò)實(shí)例介紹Simulink仿真數(shù)據(jù)和狀態(tài)的輸入和輸出方法。

1．?dāng)?shù)據(jù)輸入

以數(shù)組數(shù)據(jù)形式輸入的方法是最常用的數(shù)據(jù)輸入方法，其中的數(shù)據(jù)必須是double類型的實(shí)數(shù)矩陣。矩陣的第一列是按升序排列的時(shí)間向量，其余的列為對(duì)應(yīng)時(shí)間向量的輸入值向量。這些輸入值向量分別代表按數(shù)字順序排列的In1模塊的輸入值，而矩陣的行則代表某個(gè)時(shí)刻的輸入值。

如果n為總的輸入端數(shù)目，則矩陣的列數(shù)等于n+1。

默認(rèn)的輸入表達(dá)式為[t,u]，默認(rèn)的輸入形式為數(shù)組。可以設(shè)置輸入模塊的維數(shù)，使輸入數(shù)據(jù)為數(shù)組。下面通過(guò)一個(gè)具體例子來(lái)說(shuō)明。

【例】數(shù)組的輸入。

在命令窗輸入：

>>t=(0:0.01:10)‘;

>>u=[sin(t),cos(3*t),cos(5*t)];

創(chuàng)建一個(gè)模型文件，系統(tǒng)框圖如圖8-26所示。圖8-26系統(tǒng)模塊連接將In1模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中SignalSpecification標(biāo)簽頁(yè)的Portdimensions項(xiàng)設(shè)置為2，如圖8-27所示。

在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中選擇DataImport/Export，選中Input，具體設(shè)置如圖8-28所示。

運(yùn)行仿真，結(jié)果如圖8-29所示。

除過(guò)數(shù)組輸入之外，還有時(shí)間序列輸入、時(shí)間表達(dá)式輸入、結(jié)構(gòu)輸入等數(shù)據(jù)輸入方法。具體用法可以參考Help文件。圖8-27In1模塊參數(shù)設(shè)置圖8-28DataImport/Export參數(shù)設(shè)置圖8-29系統(tǒng)仿真波形結(jié)果

2．?dāng)?shù)據(jù)輸出

Simulink允許用戶將模型狀態(tài)和數(shù)據(jù)輸出到MATLAB工作區(qū)間。首先要在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框的DataImport/Export頁(yè)面的Savetoworkspace選項(xiàng)區(qū)中選擇需要輸出的類型以及保存到工作區(qū)間的變量名稱，然后可在Saveoptions選項(xiàng)區(qū)指定輸出數(shù)據(jù)的保存格式和數(shù)量，數(shù)據(jù)格式可以是數(shù)組、結(jié)構(gòu)或包含時(shí)間字段的結(jié)構(gòu)。

輸出的數(shù)組數(shù)據(jù)默認(rèn)以tout表示時(shí)間、以xout表示狀態(tài)、以yout表示輸出。下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明輸出數(shù)據(jù)的方法。

【例】輸出數(shù)組。

創(chuàng)建一個(gè)模型文件，系統(tǒng)框圖如圖8-30所示。

Out1模塊采用默認(rèn)設(shè)置，打開(kāi)其參數(shù)對(duì)話框，選擇DataImport/Export項(xiàng)，不選中Input，選中Output，如圖8-31所示。

運(yùn)行仿真，結(jié)果如圖8-32所示。圖8-30系統(tǒng)模塊連接圖8-31DataImport/Export參數(shù)設(shè)置圖8-32系統(tǒng)仿真波形結(jié)果

MATLAB工作區(qū)間中會(huì)出現(xiàn)tout、yout等變量，在命令窗輸入：

>>plot(tout,yout)

運(yùn)行結(jié)果如圖8-33所示。圖8-33利用輸出數(shù)據(jù)繪圖結(jié)果

3．狀態(tài)輸入和輸出

Simulink允許用戶在仿真之前輸入系統(tǒng)的初始狀態(tài)值，并且允許用戶在仿真結(jié)束后輸出系統(tǒng)的末狀態(tài)值。利用該功能可以將穩(wěn)態(tài)解保存并且以已知狀態(tài)重新啟動(dòng)仿真。

要保存模型末狀態(tài)的值，首先在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中選擇DataImport/Export，在Savetoworkspace選項(xiàng)區(qū)選中Finalstates項(xiàng)，并在相鄰編輯框內(nèi)輸入數(shù)據(jù)保存后的名稱，然后在Saveoptions選項(xiàng)區(qū)指定數(shù)據(jù)的保存格式。要載入模型的初始狀態(tài)值，在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中選擇DataImport/Export，在Loadfromworkspace選項(xiàng)區(qū)選中Initialstate項(xiàng)，并指定相應(yīng)的變量名稱。例如一個(gè)變量包含了前一個(gè)仿真保留下來(lái)的狀態(tài)值，使用工作區(qū)間變量作為當(dāng)前仿真的狀態(tài)初值，將覆蓋模型中各模塊設(shè)置過(guò)的仿真初值。

如果需要完成如下功能，則可以使用結(jié)構(gòu)或包含時(shí)間字段的結(jié)構(gòu)來(lái)指定初始狀態(tài)值：

●將初始狀態(tài)值直接與狀態(tài)的完全路徑名相關(guān)聯(lián)，這樣可以避免可能發(fā)生于模型狀態(tài)重新排序而初始狀態(tài)數(shù)組卻未重新排序的錯(cuò)誤。

●賦給初始狀態(tài)不同數(shù)據(jù)類型的值。

●給狀態(tài)的一個(gè)子集賦初始值。8.4.3錯(cuò)誤診斷

如果仿真期間發(fā)生了錯(cuò)誤，打開(kāi)導(dǎo)致錯(cuò)誤的子系統(tǒng)，在仿真診斷閱覽器中會(huì)顯示出錯(cuò)誤信息。本小節(jié)將介紹如何使用該閱讀器檢查錯(cuò)誤，以及如何創(chuàng)建自定義錯(cuò)誤信息。

1．仿真診斷閱覽器

仿真診斷閱覽器由錯(cuò)誤摘要頁(yè)面和錯(cuò)誤信息頁(yè)面構(gòu)成，如圖8-34所示。圖8-34仿真診斷閱覽器錯(cuò)誤摘要頁(yè)面位于仿真診斷閱覽器的上半部分，其上列出了導(dǎo)致Simulink仿真終止的錯(cuò)誤。該頁(yè)面將顯示每個(gè)錯(cuò)誤的信息：

●?Message：信息類型(如模塊錯(cuò)誤、警告、日志)。

●?Source：導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生的模型元素名稱(如一個(gè)模塊)。

●?Reportedby：報(bào)告錯(cuò)誤的組件(如Simulink、Stateflow、Real-TimeWorkshop等)。

●?Summary：錯(cuò)誤信息。

通過(guò)View菜單可以選擇顯示或不顯示其中的某列信息。

錯(cuò)誤信息頁(yè)面位于仿真診斷閱覽器的下半部分，其上顯示的是對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤摘要條目的錯(cuò)誤摘要，單擊錯(cuò)誤摘要頁(yè)面上的其他錯(cuò)誤條目可以瀏覽每個(gè)錯(cuò)誤的摘要。

如果錯(cuò)誤存在于子系統(tǒng)中，Simulink將打開(kāi)存在第一個(gè)出錯(cuò)源的子系統(tǒng)并突出顯示該錯(cuò)誤源。

點(diǎn)擊以藍(lán)色突出顯示的錯(cuò)誤信息超鏈接或者單擊Open按鈕將定位到出錯(cuò)源。

2．創(chuàng)建自定義錯(cuò)誤信息

在回調(diào)S-函數(shù)或MATLABFcn模塊中使用MATLAB的error函數(shù)可以創(chuàng)建自定義錯(cuò)誤信息，其方法有以下幾種：

●顯示文本字符串；

●包含對(duì)象的超鏈接；

●鏈接到HTML文件。如果要在出錯(cuò)時(shí)顯示文本字符串，則將字符串用引號(hào)包括起來(lái)，作為error函數(shù)的輸入?yún)⒘?。下面通過(guò)一個(gè)具體的例子來(lái)說(shuō)明。

【例】出錯(cuò)時(shí)顯示字符串Signaliszero。

創(chuàng)建一個(gè)模型文件，模塊連接如圖8-35所示。

設(shè)置MATLABFcn模塊參數(shù)，如圖8-36所示。圖8-35系統(tǒng)模塊連接圖8-36MATLABFcn模塊參數(shù)設(shè)置新建一個(gè)名為check_zero.m的函數(shù)文件，輸入如下代碼：

functiony=check_zero(x)

ifx==0

error(‘Signaliszero’);

else

y=x;

end

運(yùn)行仿真，彈出錯(cuò)誤信息，如圖8-37所示。圖8-37錯(cuò)誤信息8.4.4改善仿真性能和精度

仿真的性能和精度是包括模型的設(shè)計(jì)和參數(shù)的設(shè)置等許多因素共同決定的結(jié)果。改變求解器的默認(rèn)參數(shù)設(shè)置可以得到理想的結(jié)果。如果將模型的動(dòng)力學(xué)行為信息提供給求解器，那么可以得到更理想的仿真結(jié)果。

1．提高仿真速度

仿真速度緩慢可能由多種因素引起，下面給出了其中的一部分因素：

●模型中存在MATLABFcn模塊。當(dāng)模型中存在MATLABFcn模塊時(shí)，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)都將調(diào)用MATLAB解釋器，因而使仿真速度變慢。如果可能的話，建議盡量使用內(nèi)建函數(shù)模塊或數(shù)學(xué)函數(shù)模塊。●模型中存在M文件或S-函數(shù)。M文件、S-函數(shù)同樣在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)處調(diào)用MATLAB解釋器?？梢钥紤]將S-函數(shù)轉(zhuǎn)化為子系統(tǒng)或C-MEX文件S-函數(shù)。

●模型中存在存儲(chǔ)器模塊。使用存儲(chǔ)器模塊將導(dǎo)致變階求解器(ode15s和ode113)在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)處復(fù)位為1階。

●最大步長(zhǎng)設(shè)置得太小。如果改變了最大步長(zhǎng)，嘗試使用默認(rèn)最大步長(zhǎng)設(shè)置(auto)運(yùn)行仿真。●精度要求過(guò)高。通常默認(rèn)相對(duì)允許誤差(0.1%)已經(jīng)足夠了。對(duì)于存在狀態(tài)可變化到零的模型，如果絕對(duì)允許誤差太小，仿真則會(huì)在零狀態(tài)附近耗費(fèi)大量的步進(jìn)。

●時(shí)間標(biāo)度過(guò)長(zhǎng)，可減小時(shí)間間隔。

●使用非剛性求解器求解可能為剛性的問(wèn)題，可嘗試使用ode15s。

●模型使用的各采樣時(shí)間之間不存在倍數(shù)關(guān)系?；旌喜蓸訒r(shí)間將導(dǎo)致求解器使用足夠小的步長(zhǎng)以保證采樣時(shí)間滿足模型中所有的采樣時(shí)間。

●模型中存在代數(shù)環(huán)。代數(shù)環(huán)是通過(guò)在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)處迭代計(jì)算得出解，因此會(huì)嚴(yán)重地降低仿真性能。

●模型中存在隨機(jī)數(shù)模塊饋入積分模塊，對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，建議使用Sources模塊庫(kù)中的Band-LimitedWhiteNoise模塊。

2．提高仿真精度

為選擇仿真精度，應(yīng)該以合理的時(shí)間間隔運(yùn)行仿真。將相對(duì)允許誤差減小到1e-4或者減小絕對(duì)允許誤差，再次運(yùn)行仿真，然后比較兩次仿真的結(jié)果，如果兩次的結(jié)果沒(méi)有太大的差異，則可以確認(rèn)解是收斂的。

如果仿真在啟動(dòng)時(shí)就丟失了關(guān)鍵行為，應(yīng)減小初始步長(zhǎng)以確保仿真沒(méi)有跳過(guò)關(guān)鍵行為。

如果仿真結(jié)果隨著時(shí)間變化到不穩(wěn)定狀態(tài)，則

●系統(tǒng)可能是不穩(wěn)定的?！袢绻褂玫氖莖de15s求解器，可能需要限制最大階數(shù)為2或者嘗試使用ode23s求解器。

如果仿真結(jié)果不能滿足精度要求，則

●對(duì)于一個(gè)狀態(tài)值接近零的模型，如果絕對(duì)允許誤差參數(shù)太大，仿真則會(huì)在狀態(tài)值接近零的區(qū)域使用過(guò)少的步進(jìn)。因此要減小該參數(shù)值，或者在Integrator對(duì)話框中將其調(diào)整為獨(dú)立狀態(tài)?！袢绻麥p小絕對(duì)允許誤差不能完全改善精度，則應(yīng)減小相對(duì)允許誤差以減少可以接受的錯(cuò)誤并實(shí)現(xiàn)更小的步長(zhǎng)和更多的步進(jìn)。

特定建模結(jié)構(gòu)也可以產(chǎn)生不能滿足精度要求的仿真結(jié)果：

●一個(gè)Source模塊繼承自身的采樣時(shí)間可能產(chǎn)生不同的仿真結(jié)果。

●代數(shù)環(huán)中的一個(gè)Derivative模塊可能導(dǎo)致求解器失去精度。8.4.5使用命令運(yùn)行仿真

在MATLAB命令窗或M文件中輸入一個(gè)仿真命令，可以實(shí)現(xiàn)仿真模型的自動(dòng)運(yùn)行。通過(guò)隨機(jī)改變參數(shù)和循環(huán)運(yùn)行仿真還可以實(shí)現(xiàn)MonteCarlo分析。使用sim命令或set_param命令可以有計(jì)劃地進(jìn)行仿真。

1．使用sim命令

sim命令用于控制仿真的運(yùn)行，其調(diào)用格式如下：

[t,x,y]=sim(model,timespan,options,ut);

模型的參數(shù)不能通過(guò)該命令設(shè)置，而要通過(guò)參數(shù)對(duì)話框來(lái)實(shí)現(xiàn)。參數(shù)options是一個(gè)提供附加參數(shù)設(shè)置的結(jié)構(gòu)，包含求解器名稱和允許誤差。使用simset命令可以定義options結(jié)構(gòu)中的參數(shù)。

2．使用set_param命令

使用set_param命令可以實(shí)現(xiàn)仿真的啟動(dòng)、停止、暫停、繼續(xù)、模塊圖更新或者將所有記錄變量寫(xiě)入基本工作區(qū)間，其調(diào)用格式如下：

?set_param(‘sys’,‘SimulationCommand’,‘cmd’)

其中，'sys'為系統(tǒng)名稱，'cmd'可以為'start'、'stop'、'pause'、'continue'、'update'、'WriteDataLogs'。

類似地，可以使用get_param命令檢測(cè)仿真狀態(tài)，其調(diào)用格式如下：

?get_param(‘sys’,‘SimulationStatus’)

Simulink將返回‘stopped’、‘initializing’、‘running’、‘paused’、‘updating’、‘terminating’、‘external’等信息。

S-函數(shù)中可以使用set_param命令來(lái)控制仿真的執(zhí)行。一個(gè)CMEXS-函數(shù)可以使用mexCallMatlab宏來(lái)調(diào)用set_param命令。8.4.6觀察輸出軌跡

Simulink的輸出軌跡可以通過(guò)以下幾種方法繪制：

●將信號(hào)接到Scope模塊或XYGraph模塊的輸入端。

●將輸出寫(xiě)入返回變量并使用MATLAB繪圖命令。

●使用ToWorkspace模塊將輸出寫(xiě)入工作區(qū)間，使用繪圖命令繪制結(jié)果。

1．使用Scope模塊

使用Scope示波器模塊可以直接顯示仿真輸出的波形。Scope模塊不但可以顯示輸出軌跡，還可以放大或縮小波形圖。用戶也可以利用Scope模塊將輸出數(shù)據(jù)保存到MATLAB工作區(qū)間。

利用XYGraph模塊可以實(shí)現(xiàn)相圖軌跡的顯示。

這些模塊的應(yīng)用實(shí)例在前面已經(jīng)作過(guò)介紹，此處不再重復(fù)。

2．使用返回變量

使用返回變量可以保存輸出數(shù)據(jù)，還可以使用MATLAB繪圖命令以各種形式顯示輸出軌跡。從Ports&Subsystems模塊庫(kù)中選擇Out1模塊添加到當(dāng)前模型并打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置，具體操作參見(jiàn)8.4.2小節(jié)。

3．使用ToWorkspace模塊

利用ToWorkspace模塊可以將輸出軌跡返回到MATLAB工作區(qū)間，下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明。

【例】使用ToWorkspace模塊觀察輸出。

創(chuàng)建一個(gè)模型文件，系統(tǒng)連接框圖如圖8-38所示。圖8-38系統(tǒng)模塊連接打開(kāi)ToWorkspace模塊的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按圖8-39所示設(shè)置參數(shù)。

運(yùn)行仿真，MATLAB工作區(qū)間中則會(huì)增加t和y兩個(gè)變量，在命令窗輸入：

?>>plot(t,y)

運(yùn)行結(jié)果如圖8-40所示。圖8-39ToWorkspace模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框圖8-40利用輸出數(shù)據(jù)繪圖8.4.7線性化模型

Simulink提供了linmod、linmod2以及dlinmod等函數(shù)，用于提取以狀態(tài)空間矩陣A、B、C、D表示的線性系統(tǒng)的模型。狀態(tài)空間矩陣描述系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系如下：

x、u、y分別為狀態(tài)向量、輸入向量、輸出向量。

【例】

使用linmod命令獲取線性模型。

創(chuàng)建一個(gè)名為state_space.mdl的模型文件，系統(tǒng)連接框圖如圖8-41所示。圖8-41系統(tǒng)模塊連接在命令窗輸入：

>>[A,B,C,D]=linmod(‘state_space’)

運(yùn)行結(jié)果：

A=

-101

1-1-1

010

B=

0

1

0C=

100

001

D=

1

0

當(dāng)模型為非線性系統(tǒng)時(shí)，需要選擇一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)來(lái)提取線性化的模型，即在linmod函數(shù)的輸入?yún)⒘恐屑尤脒\(yùn)行點(diǎn)：

?[A,B,C,D]=linmod(‘sys’,x,u)

對(duì)于離散系統(tǒng)或連續(xù)離散混合型系統(tǒng)，可以使用dlinmod函數(shù)實(shí)現(xiàn)線性化。dlinmod函數(shù)的調(diào)用格式與linmod函數(shù)的調(diào)用格式類似，不同的是第二個(gè)輸入?yún)⒘勘仨毎蓸訒r(shí)間。8.4.8尋找穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)

利用Simulink的trim函數(shù)可以在指定輸入、輸出和狀態(tài)條件的前提下尋找動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。本小節(jié)將通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的尋找方法。

【例】尋找穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。

創(chuàng)建一個(gè)名為steady_state.mdl的模型文件，系統(tǒng)連接框圖如圖8-42所示。圖8-42系統(tǒng)模塊連接使用trim函數(shù)尋找使輸出均為1的輸入和狀態(tài)。首先對(duì)狀態(tài)變量x和輸入量u進(jìn)行猜測(cè)，然后設(shè)置輸出量y的值：

>>x=[0;0;0];

>>u=0;

>>y=[1;1];

使用索引變量表示哪些變量(iy)需要固定，哪些變量(ix、iu)不需要固定：

ix=[];

iu=[];

iy=[1;2];調(diào)用trim函數(shù)求解，在命令窗輸入：

>>[x,u,y,dx]=trim(‘steady_state’,x,u,y,ix,iu,iy)

運(yùn)行結(jié)果：

x=

0.0000

1.0000

1.0000

u=

2.0000

y=

1.0000

1.0000

dx=

1.0e-015*

0.3331

0.1586

-0.3331

需要注意的是，有些問(wèn)題可能不存在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，如果出現(xiàn)這種情況，trim函數(shù)將在初次設(shè)置導(dǎo)數(shù)為零之后，從需要的解中返回最小的最大偏差解。8.5.1S-函數(shù)的概念

S-函數(shù)是Simulink模塊的計(jì)算機(jī)描述語(yǔ)言。S-函數(shù)可以通過(guò)MATLAB、C、C++、Ada或Fortran語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。C、C++、Ada以及Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)的S-函數(shù)將通過(guò)mex應(yīng)用程序編譯成為MEX文件，就像其他MEX文件一樣，在需要時(shí)會(huì)動(dòng)態(tài)鏈接到MATLAB。

S-函數(shù)使用一種特定的調(diào)用格式與Simulink方程求解器相互作用。這種交互作用與求解器和內(nèi)建Simulink模塊之間的交互作用非常類似。S-函數(shù)的形式非常通用，而且S-函數(shù)適用于連續(xù)、離散以及混合系統(tǒng)。8.5S-函數(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用使用S-函數(shù)可以將用戶自定義模塊加入到Simulink模型之中。用戶可以通過(guò)MATLAB、C、C++、Fortran或Ada語(yǔ)言來(lái)創(chuàng)建自定義模塊。只要遵循一系列的規(guī)則，就可以通過(guò)S-函數(shù)實(shí)現(xiàn)自定義的算法。編寫(xiě)完一個(gè)S-函數(shù)并將它的名稱放入S-函數(shù)模塊(User-DefinedFunctions模塊庫(kù)中)之后，可以通過(guò)封裝模塊實(shí)現(xiàn)自定義用戶界面。

Real-TimeWorkshop可與S-函數(shù)結(jié)合使用。此外還可以通過(guò)編寫(xiě)一個(gè)TargetLanguageCompiler(TLC)文件自定義由Real-TimeWorkshop生成的S-函數(shù)代碼。8.5.2S-函數(shù)的使用

要想添加一個(gè)S-函數(shù)模塊，首先要從User-DefinedFunctions模塊庫(kù)中選取S-Function模塊并將其拖動(dòng)到當(dāng)前模型窗口內(nèi)，然后再在S-Function模塊對(duì)話框的S-functionname字段指定S-函數(shù)文件名，如圖8-43所示。圖8-43S-Function模塊及其參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

S-Function模塊對(duì)話框的S-functionparameters字段用于指定傳遞到相應(yīng)的S-函數(shù)的參數(shù)值。要填寫(xiě)這個(gè)字段，首先要知道S-函數(shù)中所需的參數(shù)以及這些參數(shù)在S-函數(shù)中的排列順序，然后再按照這個(gè)順序填寫(xiě)這些參數(shù)，并用逗號(hào)隔開(kāi)。參數(shù)可以是常數(shù)、MATLAB工作區(qū)間變量或者M(jìn)ATLAB表達(dá)式。

S-函數(shù)一般用于創(chuàng)建自定義Simulink模塊。S-函數(shù)還有以下多種應(yīng)用場(chǎng)合：

●為Simulink添加一個(gè)新的通用模塊。●添加代表硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模塊。

●將已有的C代碼并入仿真當(dāng)中。

●以一系列數(shù)學(xué)方程來(lái)描述系統(tǒng)。

●使用圖形動(dòng)畫(huà)。

S-函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以幫助用戶創(chuàng)建一個(gè)通用模塊，以便在模型中多次使用，甚至不斷地改變模塊的參數(shù)值。8.5.3S-函數(shù)的工作方式

創(chuàng)建一個(gè)S-函數(shù)，首先需要理解S-函數(shù)的工作方式。而理解S-函數(shù)的工作方式，就需要理解Simulink如何仿真一個(gè)模型，以及理解模塊之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

1．模塊之間的數(shù)學(xué)關(guān)系

一個(gè)Simulink模塊由一系列的輸入、狀態(tài)和輸出組成，如圖8-44所示，輸出是采樣時(shí)間、輸入和模塊狀態(tài)的函數(shù)。圖8-44Simulink模塊數(shù)學(xué)關(guān)系模塊輸入、狀態(tài)和輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

2．仿真進(jìn)程

仿真的執(zhí)行是按照階段進(jìn)行的。首先是初始化階段，Simulink將模塊庫(kù)并入模型，傳遞寬度、數(shù)據(jù)類型以及采樣時(shí)間，估計(jì)模塊參數(shù)，確定模塊的執(zhí)行順序，以及分配存儲(chǔ)空間。接下來(lái)，Simulink進(jìn)入一個(gè)仿真循環(huán)，每次循環(huán)為一個(gè)仿真步。每個(gè)仿真步期間，Simulink按照初始化時(shí)確定的順序執(zhí)行模型的每個(gè)模塊。對(duì)于每個(gè)模塊，Simulink調(diào)用計(jì)算模塊當(dāng)前采樣時(shí)刻的狀態(tài)、導(dǎo)數(shù)以及輸出的函數(shù)，直到仿真結(jié)束。

Simulink的仿真流程如圖8-45所示。圖8-45Simulink仿真流程

3．S-函數(shù)回調(diào)方法

一個(gè)S-函數(shù)由一系列在每個(gè)仿真階段執(zhí)行任務(wù)需求的S-函數(shù)回調(diào)方法組成。仿真一個(gè)模型時(shí)，在每一個(gè)仿真階段，Simulink調(diào)用適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ幚砟Ｐ椭械拿恳粋€(gè)S-函數(shù)模塊。S-函數(shù)方法的執(zhí)行任務(wù)包括：

●初始化：第一次仿真循環(huán)前執(zhí)行，初始化S-函數(shù)，該階段Simulink將執(zhí)行以下操作：

■初始化SimStract(一個(gè)包含S-函數(shù)信息的仿真結(jié)構(gòu))?！鲈O(shè)置輸入端和輸出端的數(shù)目和維數(shù)。

■設(shè)置模塊采樣時(shí)間。

■分配存儲(chǔ)空間和sizes數(shù)組。

●計(jì)算下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)：如果創(chuàng)建了一個(gè)可變采樣時(shí)間模塊，該階段將計(jì)算下一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間，即計(jì)算下一個(gè)步長(zhǎng)。

●計(jì)算主要時(shí)間步的輸出：該調(diào)用完成后，所有模塊輸出端在當(dāng)前時(shí)間步有效。

●更新主要時(shí)間步的離散狀態(tài)：該調(diào)用中所有模塊應(yīng)當(dāng)在每一個(gè)時(shí)間步執(zhí)行一次，如在仿真循環(huán)內(nèi)更新下一個(gè)時(shí)刻的離散狀態(tài)。●積分：用于包含連續(xù)狀態(tài)以及非采樣過(guò)零的模型。如果S-函數(shù)中包含連續(xù)狀態(tài)，Simulink將以次要時(shí)間步調(diào)用S-函數(shù)的輸出和導(dǎo)數(shù)部分。這就是Simulink能夠計(jì)算S-函數(shù)狀態(tài)的原因。如果S-函數(shù)(只有CMEX)包含非采樣過(guò)零，Simulink將以次要時(shí)間步調(diào)用S-函數(shù)的輸出和過(guò)零部分，以實(shí)現(xiàn)過(guò)零定位。8.5.4編寫(xiě)S-函數(shù)

S-函數(shù)可以通過(guò)多種格式的文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如M文件和MEX文件。本小節(jié)將介紹如何使用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)M文件S-函數(shù)。

1．Level-1M文件S-函數(shù)

一個(gè)Level-1M文件S-函數(shù)由如下形式的MATLAB函數(shù)組成：

[sys,x0,str,ts]=f(t,x,u,flag,p1,p2,…)

其中，f為S-函數(shù)名，t為當(dāng)前時(shí)間，x為相應(yīng)S-函數(shù)模塊的狀態(tài)向量，u為模塊的輸入，flag表示將要執(zhí)行的任務(wù)，p1,p2,…為模塊的參數(shù)。在模型的仿真期間，Simulink將重復(fù)調(diào)用f，使用flag來(lái)表示特定調(diào)用中將要執(zhí)行的任務(wù)。每當(dāng)S-函數(shù)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，將返回一個(gè)結(jié)構(gòu)。

在MATLAB根目錄下的toolbox\simulink\blocks文件夾中有一個(gè)M文件S函數(shù)模板文件sfuntmpl.m。該模板由一個(gè)最高級(jí)主函數(shù)和一系列稱作S-函數(shù)回調(diào)方法的框架函數(shù)構(gòu)成，每個(gè)子函數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)flag值。在仿真期間最高級(jí)主函數(shù)調(diào)用由flag指示的子函數(shù)，由子函數(shù)執(zhí)行S-函數(shù)的實(shí)際任務(wù)。模板文件sfuntmpl.m的內(nèi)容如下(為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，刪除了注釋和空行)：function[sys,x0,str,ts]=sfuntmpl(t,x,u,flag)

switchflag,

case0,

[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;

case1,

sys=mdlDerivatives(t,x,u);

case2,

sys=mdlUpdate(t,x,u);

case3,

sys=mdlOutputs(t,x,u);

case4,

sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);

case9,

sys=mdlTerminate(t,x,u);

otherwise

error(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);

end

function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes

sizes=simsizes;sizes.NumContStates ?=0;

sizes.NumDiscStates ?=0;

sizes.NumOutputs ?=0;

sizes.NumInputs ?=0;

sizes.DirFeedthrough ?=1;

sizes.NumSampleTimes=1;

sys=simsizes(sizes);

x0=[];

str=[];

ts=[00];functionsys=mdlDerivatives(t,x,u)

sys=[];

functionsys=mdlUpdate(t,x,u)

sys=[];

functionsys=mdlOutputs(t,x,u)

sys=[];

functionsys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)

sampleTime=1;

sys=t+sampleTime;

functionsys=mdlTerminate(t,x,u)

sys=[];

表8-16列出了flag的可能取值及其對(duì)應(yīng)于模板中的方法。表8-16flag的取值及對(duì)應(yīng)方法

S-函數(shù)的輸出向量為sys、x0、str和ts，它們的含義如下：

●?sys：通用返回變量，返回值取決于flag的值。

●?x0：初始狀態(tài)值，除flag=0外x0將被忽略。

●?str：保存值，以便將來(lái)應(yīng)用。M文件S-函數(shù)必須令其為空矩陣[]。

●?ts：包含模塊采樣時(shí)間和偏移的二列矩陣。如果希望S-函數(shù)每個(gè)時(shí)間步運(yùn)行一次，設(shè)為[00]；如果希望S-函數(shù)繼承其他模塊的采樣時(shí)間，設(shè)為[-10]；如果希望S-函數(shù)每0.2秒運(yùn)行一次并且在仿真啟動(dòng)后0.1秒開(kāi)始運(yùn)行，設(shè)為[0.20.1]；如果希望S-函數(shù)以[00.10.250.50.7511.1…]時(shí)間序列運(yùn)行，設(shè)為[.250;1.0.1]。要讓Simulink認(rèn)出一個(gè)M文件S-函數(shù)，必須提供S-函數(shù)的指定信息，包括輸入數(shù)、輸出數(shù)、狀態(tài)數(shù)以及模塊的其他特性。

如果要給Simulink提供這些信息，則需在mdlInitializeSizes的開(kāi)頭調(diào)用simsizes函數(shù)：

sizes=simsizes;

該函數(shù)返回一個(gè)未初始化的sizes結(jié)構(gòu)，其各字段描述如表8-17所示。表8-17sizes結(jié)構(gòu)各字段描述首先對(duì)結(jié)構(gòu)的每個(gè)字段進(jìn)行初始化，然后再調(diào)用simsizes函數(shù)：

?sys=simsizes(sizes);

該命令將sizes結(jié)構(gòu)的信息傳遞給向量sys。

將Level-1S-函數(shù)各flag代碼映射到Leve