3Matlab語言與應(yīng)用Simulink

1、Simulink,仿真集成環(huán)境SIMULINK（.avi）,建模、仿真和分析動(dòng)態(tài)多維系統(tǒng)的交互工具,1 啟用Simulink并建立系統(tǒng)模型 2 Simulink模塊庫簡介與使用 3 構(gòu)建Simulink框圖 4 使用Simulink進(jìn)行簡單的仿真,啟用Simulink并建立系統(tǒng)模型,啟動(dòng)Simulink有兩種方式： (1) 用命令行方式啟動(dòng)Simulink。即在MATLAB的命令窗口中直接鍵入如下命令： simulink (2) 使用工具欄按鈕啟動(dòng)Simulink。即用鼠標(biāo)單擊MATLAB工具欄中的Simulink按鈕。,啟動(dòng)Simulink，建立系統(tǒng)模型的基本操作,Simulink的模塊庫瀏

2、覽器,Simulink公共模塊庫 Simulink公共模塊庫是Simulink中最為基礎(chǔ)、最為通用的模塊庫，它可以被應(yīng)用到不同的專業(yè)領(lǐng)域中。Simulink公共模塊庫共包含9個(gè)模塊庫。,Simulink的公共模塊庫,連續(xù)系統(tǒng)模塊庫及其功能,離散系統(tǒng)模塊庫及其功能,函數(shù)與表庫及其功能,數(shù)學(xué)運(yùn)算庫及其能,非線性系統(tǒng)模塊庫及其功能,信號與系統(tǒng)模塊庫及其功能,系統(tǒng)輸出模塊庫及其功能,子系統(tǒng)模塊庫及其功能,專業(yè)模塊庫,模塊選擇 這里用一個(gè)非常簡單的例子介紹如何建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。此簡單系統(tǒng)的輸入為一個(gè)正弦波信號，輸出為此正弦波信號與一個(gè)常數(shù)的乘積。要求建立系統(tǒng)模型，并以圖形方式輸出系統(tǒng)運(yùn)算結(jié)果。已知系統(tǒng)的

3、數(shù)學(xué)描述為 系統(tǒng)輸入： ,t0 系統(tǒng)輸出：,構(gòu)建Simulink框圖,啟動(dòng)Simulink并新建一個(gè)系統(tǒng)模型文件。欲建立此簡單系統(tǒng)的模型，需要如下的系統(tǒng)模塊（均在Simulink公共模塊庫中）： (1) 系統(tǒng)輸入模塊庫Sources中的Sine Wave模塊：產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號。 (2) 數(shù)學(xué)庫Math中的Gain模塊：將信號乘上一個(gè)常數(shù)（即信號增益）。 (3) 系統(tǒng)輸出庫Sinks中的Scope模塊：圖形方式顯示結(jié)果。 選擇相應(yīng)的系統(tǒng)模塊并將其拖到新建的系統(tǒng)模型中，如圖所示。,選擇系統(tǒng)所需模塊,在選擇構(gòu)建系統(tǒng)模型所需的所有模塊后，需要按照系統(tǒng)的信號流程將各系統(tǒng)模塊正確連接起來。連接系統(tǒng)模塊的

4、步驟如下： (1) 將光標(biāo)指向起始塊的輸出端口，此時(shí)光標(biāo)變成“+”。 (2) 單擊鼠標(biāo)左鍵并拖動(dòng)到目標(biāo)模塊的輸入端口，在接近到一定程度時(shí)光標(biāo)變成雙十字。這時(shí)松開鼠標(biāo)鍵，連接完成。完成后在連接點(diǎn)處出現(xiàn)一個(gè)箭頭，表示系統(tǒng)中信號的流向。,系統(tǒng)模塊之間的連線,在Simulink的新版本中，連接系統(tǒng)模塊還有如下更有效的方式： (1) 使用鼠標(biāo)左鍵單擊起始模塊。 (2) 按下Ctrl鍵，并用鼠標(biāo)左鍵單擊目標(biāo)塊。,模塊操作 1. 模塊的復(fù)制 如果需要幾個(gè)同樣的模塊，可以使用鼠標(biāo)右鍵單擊并拖動(dòng)某個(gè)塊進(jìn)行拷貝。也可以在選中所需的模塊后，使用Edit菜單上的 Copy 和Paste 或使用熱鍵Ctrl+C和Ctr

5、l+V完成同樣的功能。,模塊的復(fù)制,2. 模塊的插入 如果用戶需要在信號連線上插入一個(gè)模塊，只需將這個(gè)模塊移到線上就可以自動(dòng)連接。注意這個(gè)功能只支持單輸入單輸出模塊。對于其他的模塊，只能先刪除連線，放置塊，然后再重新連線。,系統(tǒng)模塊的插入,3. 連線分支與連線改變 在某些情況下，一個(gè)系統(tǒng)模塊的輸出同時(shí)作為多個(gè)其它模塊的輸入，這時(shí)需要從此模塊中引出若干連線，以連接多個(gè)其它模塊。對信號連線進(jìn)行分支的操作方式為：使用鼠標(biāo)右鍵單擊需要分支的信號連線（光標(biāo)變成“+”），然后拖動(dòng)到目標(biāo)模塊。,圖4.17 連線分支與連線改變,運(yùn)行仿真 1. 系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置與系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置 系統(tǒng)模塊參數(shù)的設(shè)置方法如下：

6、(1) 雙擊系統(tǒng)模塊，打開系統(tǒng)模塊的參數(shù)設(shè)置對話框。 (2) 在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置合適的模塊參數(shù)。,系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置,2. 運(yùn)行仿真 當(dāng)對系統(tǒng)中各模塊參數(shù)以及系統(tǒng)仿真參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)置之后，單擊系統(tǒng)模型編輯器上的Play圖標(biāo)（黑色三角）或選擇Simulation菜單下的Start便可以對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。采用上述的模塊參數(shù)設(shè)置與默認(rèn)的仿真參數(shù)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)束后雙擊Scope模塊以顯示系統(tǒng)仿真的輸出結(jié)果。,圖4.20 系統(tǒng)仿真及結(jié)果輸出,設(shè)計(jì)Simulink框圖的界面,模塊及框圖屬性編輯 1. 框圖的視圖調(diào)整 在Simulink系統(tǒng)模型編輯器中，可以對系統(tǒng)模型的視圖進(jìn)行調(diào)整以便更好地觀察系統(tǒng)模

7、型。視圖調(diào)整的方法如下所述： (1) 使用View菜單控制模型在視圖區(qū)的顯示，用戶可以對模型視圖進(jìn)行任意縮放。 (2) 使用系統(tǒng)熱鍵R（放大）或V（縮?。?(3) 按空格鍵可以使系統(tǒng)模型充滿整個(gè)視圖窗口。,圖4.21 改變系統(tǒng)模型的視圖,2. 模塊的名稱操作 對于復(fù)雜系統(tǒng)，給每個(gè)模塊取一個(gè)具有明顯意義的名稱非常有利于系統(tǒng)模型的理解與維護(hù)。,(1) 模塊命名：使用鼠標(biāo)左鍵單擊模塊名稱，進(jìn)入編輯狀態(tài)，然后鍵入新的名稱。 (2) 名稱移動(dòng)：使用鼠標(biāo)左鍵單擊模塊名稱并拖動(dòng)到模塊的另一側(cè)，或選擇Format菜單中的Flip Name翻轉(zhuǎn)模塊名稱。 (3) 名稱隱藏：選擇Format菜單中的Hide N

8、ame隱藏系統(tǒng)模塊名稱。 注意，系統(tǒng)模型中模塊的名稱應(yīng)當(dāng)是唯一的，否則Simulink會(huì)給出警告并自動(dòng)改變名稱。,系統(tǒng)模型中模塊的名稱操作,3. 模塊的其它操作 Simulink允許用戶對模塊的幾何尺寸進(jìn)行修改，以改善系統(tǒng)模型框圖的界面。例如，對于具有多個(gè)輸入端口的模塊，需要調(diào)整其大小使其能夠較好地容納多個(gè)信號連線，而非采用模塊的默認(rèn)大?。涣硗?，對于某些系統(tǒng)模塊，當(dāng)模塊的尺寸足夠大時(shí)，模塊的參數(shù)將直接顯示在模塊上面，這非常有利于用戶對模型的理解。,Simulink允許改變模塊的顏色。使用鼠標(biāo)右鍵單擊模塊，選擇Foreground color或Background color菜單來設(shè)置顏色；或使

9、用模型編輯器中Format菜單中的相應(yīng)命令設(shè)置模塊顏色。 此外，還可以使用Format菜單中的Show Drop Shadow為模塊生成陰影，或使用Flip Block、Rotate Block對模塊進(jìn)行翻轉(zhuǎn)與旋轉(zhuǎn)，或使用Font對模塊字體進(jìn)行設(shè)置等。,模塊的其它操作,4. 系統(tǒng)框圖注釋 在Simulink中對系統(tǒng)模型框圖進(jìn)行注釋的方法非常簡單，只需在系統(tǒng)模型編輯器的背景上雙擊鼠標(biāo)左鍵以確定添加注釋文本的位置，并打開一個(gè)文本編輯框，用戶便可以在此輸入相應(yīng)的注釋文本。,系統(tǒng)模型框圖注釋,Simulink子系統(tǒng)介紹 對于簡單的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)而言，用戶很容易建立系統(tǒng)模型并分析系統(tǒng)模型中各模塊之間的相互關(guān)系

10、，以及模塊的輸入輸出關(guān)系。但是對于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)模型中包含的模塊數(shù)目較多，模塊之間的輸入輸出關(guān)系比較復(fù)雜。這時(shí)對于分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng)而言，都會(huì)給用戶帶來諸多的不便，而使用子系統(tǒng)技術(shù)則可以較好地解決這一問題。,1. 子系統(tǒng)生成 Simulink提供的子系統(tǒng)功能可以大大地增強(qiáng)Simulink系統(tǒng)模型框圖的可讀性。所謂的子系統(tǒng)可以理解為一種“容器”，此容器能夠?qū)⒁唤M相關(guān)的模塊封裝到一個(gè)單獨(dú)的模塊中，并且與原來系統(tǒng)模塊組的功能一致。,子系統(tǒng)的建立方法有如下兩種： (1) 在已有的系統(tǒng)模型中建立子系統(tǒng)：首先框選待封裝的區(qū)域，即在模型編輯器背景中單擊鼠標(biāo)左鍵并拖動(dòng)，選中需要放置到子系統(tǒng)中的模塊與信號（或

11、在按下Shift鍵的同時(shí)，用鼠標(biāo)左鍵單擊所需模塊）；然后選擇Edit菜單下的Create Subsystem，即可建立子系統(tǒng)。,子系統(tǒng)建立：選擇模塊生成子系統(tǒng),(2) 建立空的子系統(tǒng)：使用Subsystems模塊庫中的模塊建立子系統(tǒng)。這樣建立的子系統(tǒng)內(nèi)容為空，然后雙擊子系統(tǒng)對其進(jìn)行編輯。,子系統(tǒng)建立：生成并編輯空子系統(tǒng),建立此系統(tǒng)模型所需要的系統(tǒng)模塊如下所述：Subsystems模塊庫中的Subsystem模塊、Sources模塊庫中的Sine Wave、Sinks模塊庫中的Scope模塊、Sinks模塊庫中的Out1模塊（Subsystem模塊的缺省設(shè)置為單輸入單輸出，使用Out1模塊可以產(chǎn)

12、生多個(gè)輸出）、Math模塊庫中的Gain模塊以及Signals % 表示信號輸入時(shí)間范圍與時(shí)間步長 x=func(t); % 表示在每一時(shí)刻的信號值 input=t,x; %表示信號的輸入向量，輸入變量第一列須為時(shí)間序列，接下來的各列代表信號的取值 例如，在MATLAB命令窗口中鍵入如下的語句并運(yùn)行。 t=0:0.1:10; x=sin(t); input=t,x;,MATLAB工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號,運(yùn)行此系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)輸入信號input的作用相當(dāng)于Sources模塊中的Sine Wave模塊，其結(jié)果如圖4.35所示（Scope1顯示結(jié)果）,圖4.35 使用input信號作為輸入的

13、仿真結(jié)果,向量與矩陣 在前面的系統(tǒng)模型中，Simulink所使用的信號均是標(biāo)量。其實(shí)，Simulink 也能夠傳遞和使用向量信號。例如，向量增益可以作用在一個(gè)標(biāo)量信號上，產(chǎn)生一個(gè)向量輸出。在缺省情況下，模塊對向量中的逐個(gè)元素進(jìn)行操作，就像MATLAB中的數(shù)組運(yùn)算一樣，如圖4.37所示。,向量增益示意圖,Simulink 最重要的特性就是支持矩陣形式的信號，它可以區(qū)分行和列向量并傳遞矩陣。通過對模塊做適當(dāng)?shù)呐渲?，可以使模塊能夠接受矩陣作為模塊參數(shù)。在上面的例子中，如果Constant模塊的參數(shù)為一矩陣，并且Gain增益模塊被配置成按矩陣乘的定義從左邊乘上輸入向量，則Display 塊能夠感知到輸

14、入信號的尺寸，即12行向量，并對邊框做適當(dāng)調(diào)整，如圖4.38所示。,矩陣輸入與向量增益示意圖,使用Simulink進(jìn)行簡單的仿真,信號平方運(yùn)算。系統(tǒng)的功能是對輸入的信號進(jìn)行平方運(yùn)算。現(xiàn)要求建立系統(tǒng)的Simulink模型并進(jìn)行簡單的仿真分析。具體要求如下： (1) 系統(tǒng)輸入信號源：幅值為 2 的正弦波。 (2) 使用Scope 顯示原始信號和結(jié)果信號。 (3) 生成系統(tǒng)運(yùn)算部分的子系統(tǒng),解：首先選擇系統(tǒng)所需的如下模塊（組件）： (1) Sources 庫中的Sine Wave塊。 (2) Math 庫中的Product塊。 (3) Signals and Systems庫中的Mux塊。 (4) Sinks 庫中的Scope塊。,然后進(jìn)行如下的操作： (1) 連接系統(tǒng)模塊。 (2) 選擇一個(gè)包含Product和Mux塊的區(qū)域，建立相應(yīng)的子系統(tǒng)。 (3) 在主系統(tǒng)中