Simulink模塊介紹

1、1,第三章 仿真工具simulink,simulink是用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包,3.1 simulink 概述,simulink為用戶提供了用方框圖進(jìn)行系統(tǒng)建模的窗口。它有著豐富的模塊庫，在做仿真時(shí)，用戶只需利用鼠標(biāo)的點(diǎn)擊與拖曳功能，將模塊庫中的各種標(biāo)準(zhǔn)模塊復(fù)制到simulink的模型窗口中，就可以輕而易舉在完成模型的創(chuàng)建。 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。它還有scop模塊與其它的畫圖模塊，在進(jìn)行仿真的同時(shí)，就可以觀看到仿真結(jié)果。 與傳統(tǒng)的仿真軟件采用微分方程或者差分方程建模相比，它具有更直觀形象、更簡單方便與更

2、靈活的優(yōu)點(diǎn),2,啟動(dòng)與退出,在matlab命令窗口中輸入“simulink”命令然后回車； 選擇工具欄中的 選項(xiàng)即可進(jìn)入simulink模塊庫瀏覽器； 直接從matlab命令窗口中選取“file edit model”也可進(jìn)入simulink仿真環(huán)境,模型完成后，利用save或save as命令將模型文件存盤(擴(kuò)展名為.mdl)后即可。 退出simulink，只要關(guān)閉所有模型編輯窗口和模塊瀏覽器即可,3,6.2 simulink模塊庫瀏覽器,一、模塊庫瀏覽器界面,simulink模塊庫瀏覽器界面可分為5部分： 菜單欄區(qū)：其主菜單有文件(file)、編輯(edit)、查看(view)、幫助(he

3、lp)等4項(xiàng)。 file：含new(新建模型或者庫)、open(打開)、close(關(guān)閉)和preferences(屬性設(shè)置)4項(xiàng)； edit：含add to the current model(添加到當(dāng)前模型)、find(查找)和find next(查找下一個(gè))3項(xiàng)； view：由toolbar(工具欄),status bar(狀態(tài)欄),description(文字說明欄) ,stay on top(將瀏覽器放在桌面最上層) view：collapse entire browser(模塊庫壓縮顯示), expand entire browser(模塊庫展開顯示),large icons(大圖

4、標(biāo)) ,small icons(小圖標(biāo)),show parameters for selection(顯示所選模塊的參數(shù)) ； help(幫助,4,工具欄區(qū)：含4個(gè)按鈕： 是新建與打開按鈕， 是將模塊放在桌面最上層按鈕，find是用來查找模塊庫中的模塊按鈕。 文字說明區(qū)：對(duì)所選模塊的文字說明； 模塊庫區(qū)：含模塊庫及其相應(yīng)的模塊組； 狀態(tài)欄區(qū)：即最下方顯示ready區(qū)，用來顯示瀏覽器狀態(tài),5,二、基本模塊庫的分類及其用途,simulink 有13類基本模塊庫，分別為： continuous(連續(xù)模塊組)、 discontinuities(非連續(xù)模塊組)、 discrete(離散模塊組)、 loo

5、k-up tables(表格模塊組)、 math operations(數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組)、 model verification(模型檢驗(yàn)?zāi)K組)、 model-wide utilities(公用模塊組)、 ports communications blockset：通信系統(tǒng)仿真模塊； dsp blockset：數(shù)字信號(hào)處理工具箱； fuzzy logic toolbox：模糊邏輯控制工具箱； neural network blockset：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱； simulink extras：補(bǔ)充simulink公共模塊庫； stateflow：用來對(duì)復(fù)雜的事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真； real

6、-time workshop (簡稱rtw)：可以直接將simulink模型框圖和stateflow的狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換成高效優(yōu)化的程序代碼,21,6.3 用simulink建立系統(tǒng)模型,建立簡單模型的步驟： 建立模型窗口； 將功能模塊從模塊庫中復(fù)制到模型窗口； 對(duì)模塊進(jìn)行連接，構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型。 simulink模型在視覺上表現(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(dòng)態(tài)特性,22,一、模塊的復(fù)制、移動(dòng)與刪除,模塊的復(fù)制包括兩種：一是從模塊庫中將標(biāo)準(zhǔn)模塊復(fù)制到模型窗口中，另一種是在模型窗口中將模型再復(fù)制,1、模塊的復(fù)

7、制,從模塊庫中復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)模塊：從模塊庫中選中所需模塊，按住鼠標(biāo)左鍵不放，將模塊拖至模型窗口再松開鼠標(biāo)左鍵則完成了復(fù)制； 在模型窗口中再復(fù)制有3種方法： 選中待復(fù)制模塊，運(yùn)行“edit copy”，然后將光標(biāo)移至將要粘貼的地方，再運(yùn)行“edit paste”，就完成復(fù)制；或者選中待復(fù)制模塊，直接用ctrl +c然后再ctrl +v也可以； 用鼠標(biāo)選取待復(fù)制模塊后，按住“ctrl”鍵不放，把該模塊拖至目標(biāo)位置后，松開左鍵即完成復(fù)制； 用鼠標(biāo)選取待復(fù)制模塊后，按住鼠標(biāo)右鍵不放，把該模塊拖至目標(biāo)位置后，松開右鍵即完成復(fù)制,23,將光標(biāo)置于待移動(dòng)的模塊圖標(biāo)上，按住鼠標(biāo)左鍵不放，把該模塊拖至目標(biāo)位置后，松開

8、左鍵就完成了移動(dòng),2、模塊的移動(dòng),選中模塊，按delete鍵就可刪除或點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇cut也可對(duì)模塊進(jìn)行剪切,3、模塊的刪除,用鼠標(biāo)選擇模塊圖標(biāo)，再將鼠標(biāo)移到模塊對(duì)象四周的控制小塊處，當(dāng)鼠標(biāo)指針變成指向四周的小箭頭時(shí)，按住鼠標(biāo)左鍵不放，拖至合適大小即可,四、模塊外形調(diào)整,1、改變模塊對(duì)象大小,24,在simulink中，模塊輸入端口位于模塊左側(cè)，輸出端口位于模塊右側(cè)，但有時(shí)需要對(duì)其方向進(jìn)行改變。方法是：用鼠標(biāo)選中模塊對(duì)象，利用“format flip block”(快捷鍵ctrl +i)可將模塊順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180；或者利用“format rotate block”(快捷鍵ctrl +r)或?qū)?/p>

9、模塊順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90,2、改變模塊對(duì)象的方向,format菜單中的“foreground color”命令可以改變模塊的前景顏色，“background color”命令可以改變模塊的背景顏色；而模型窗口的顏色可以通過“screen color”命令來改變。此外，還可以選擇“format show drop shadow”為模塊生成陰影等,3、顏色設(shè)定,25,將構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)模塊復(fù)制到模型窗口后，還必須將所有的模塊圖標(biāo)用信號(hào)線連接起來才能夠描述一個(gè)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)模型,五、模塊的連接,信號(hào)線具有連接功能模塊的作用。連接兩個(gè)模塊時(shí)，用鼠標(biāo)左鍵選取模塊，點(diǎn)擊該輸入或輸出端口，看到光標(biāo)變成十字形

10、后，拖曳十字圖形符號(hào)到另個(gè)一個(gè)端口，鼠標(biāo)指針將變成雙十字形，然后松開鼠標(biāo)左鍵。一根最簡單的信號(hào)線就將兩模塊連接起來了，連線的箭頭表示信號(hào)的流向,26,為了對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行正確的仿真與分析，必須設(shè)置正確的系統(tǒng)模塊參數(shù)與系統(tǒng)仿真參數(shù)。模塊的內(nèi)部參數(shù)設(shè)置時(shí)只需在模型窗口中，雙擊待修改參數(shù)模塊的圖標(biāo)，就可以打開標(biāo)準(zhǔn)功能模塊內(nèi)部參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，然后改變對(duì)話框中相關(guān)欄目的數(shù)據(jù)便可,六、模塊內(nèi)部參數(shù)修改,當(dāng)系統(tǒng)中各模塊的參數(shù)設(shè)置完畢后，可設(shè)置合適的系統(tǒng)仿真參數(shù)以進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真,27,欲建立此簡單系統(tǒng)的模型，需要如下的系統(tǒng)模塊： 信號(hào)源模塊組sources中的sine wave模塊：產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號(hào)； 數(shù)

11、學(xué)運(yùn)算模塊組math operations中的gain模塊：將信號(hào)乘上一個(gè)常數(shù)（即信號(hào)增益）； 輸出模塊組sinks中的scope模塊：圖形方式顯示結(jié)果,28,對(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。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,運(yùn)行仿真,29,30,創(chuàng)建一個(gè)新的模型窗口； 從信號(hào)源模塊組、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組、連續(xù)模塊組和輸出模塊組庫中分別找出所需要的階躍信號(hào)模塊、求和器模塊、線性傳遞函數(shù)模塊和示波器模塊，分別復(fù)制到模型窗口中； 將各模塊按要所需構(gòu)

12、建的模型連接起來； 修改模塊名稱、加上信號(hào)線標(biāo)注、模型標(biāo)注等； 按要求重新設(shè)置各模塊內(nèi)部參數(shù)； 存盤,31,階躍信號(hào)模塊的參數(shù)對(duì)話框設(shè)置中有4個(gè)項(xiàng)：“step time”為階躍信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間；“initial value”為階躍信號(hào)初始值； ；“final value”為階躍信號(hào)終了值；“sample time”為采樣時(shí)間。 傳遞函數(shù)模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中，“numerator”欄是傳遞函數(shù)分子多項(xiàng)式系數(shù)向量，“denominator”欄是傳遞函數(shù)分母多項(xiàng)式系數(shù)向量。注意：當(dāng)多項(xiàng)式缺項(xiàng)時(shí)，必須將對(duì)應(yīng)系數(shù)的“0”輸入，不能遺漏,32,圖6-28 二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)仿真結(jié)果,33,例6-3,34,

13、6.4 仿真參數(shù)設(shè)置,在對(duì)系統(tǒng)模型中各個(gè)模塊進(jìn)行合適的參數(shù)設(shè)置之后，需要對(duì)系統(tǒng)仿真參數(shù)進(jìn)行必要的設(shè)置以開始仿真。 在模型窗口中選擇“simulation”菜單下的“simulation parameters”，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框。仿真參數(shù)設(shè)置共有5個(gè)選項(xiàng)，分別是solver、workspace i/o、diagnostics、advanced和rtw,35,solver中包含3部分設(shè)置：simulation time（仿真時(shí)間）、solver options（仿真器選項(xiàng)）和output options（輸出選項(xiàng)設(shè)置,1、solver選項(xiàng)及其設(shè)置,simulation time（仿真時(shí)間）：包括

14、仿真起始時(shí)間和停止時(shí)間，它們的差即代表仿真時(shí)間；在缺省情況下，simulink默認(rèn)的仿真起始時(shí)間為0 s，仿真結(jié)束時(shí)間為10 s。 solver options（仿真器選項(xiàng)） ：type項(xiàng)用來選擇變步長或固定步長仿真器。右欄用于選擇仿真器的算法。固定步長仿真器在仿真過程中，其步長是不變的。變步長解法可以在仿真過程中根據(jù)要求調(diào)整運(yùn)算步長。在采用變步長解法時(shí)，應(yīng)先指定一個(gè)容許誤差限（在relative tolerance和absolute tolerance中設(shè)置 ），使得當(dāng)誤差超過誤差限時(shí)自動(dòng)修正仿真步長,36,relative tolerance （相對(duì)誤差限）是規(guī)定了每個(gè)狀態(tài)相對(duì)于步長的誤差

15、大小，用百分比來表示一個(gè)狀態(tài)值。默認(rèn)值是1e-3，即狀態(tài)的計(jì)算值要精確到0.1%；absolute tolerance（絕對(duì)誤差限）是一個(gè)閾誤差值，當(dāng)測(cè)量的狀態(tài)值接近零時(shí)，代表可接受誤差。如果將其設(shè)定為auto，則將每個(gè)狀態(tài)的初始絕對(duì)誤差限設(shè)置在1e-6。 max step size用于設(shè)置最大步長。在默認(rèn)情況下為“auto”，并按下式計(jì)算步長：最大步長=（終止時(shí)間-起始時(shí)間）/50。但這樣的取法對(duì)于仿真時(shí)間較長的系統(tǒng)則可能帶來取樣點(diǎn)過于稀疏，而使仿真結(jié)果失真。一般建議對(duì)于仿真時(shí)間不超過15s的采用默認(rèn)值即可，對(duì)于超過15s的每秒至少保證5個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)于超過100s的，每秒至少保證3個(gè)采樣點(diǎn)。

16、最大步長的選取直接關(guān)系到系統(tǒng)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,37,output options（輸出選項(xiàng)設(shè)置）：包括refine output（細(xì)化輸出）、produce additional output（產(chǎn)生附加輸出）和produce specified output only（只產(chǎn)生指定輸出）3項(xiàng)。 refine output（細(xì)化輸出）：可以根據(jù)仿真的步長除了在采樣點(diǎn)輸出值外，在曲線稀疏處自動(dòng)增加輸出點(diǎn)，以細(xì)化曲線，使曲線更加平滑，從而保證系統(tǒng)不失真。如果細(xì)化系數(shù)定為2，則在每段時(shí)間步長的中間插入一個(gè)平滑數(shù)據(jù)，如果是3，則會(huì)在每段時(shí)間步長的1/3，2/3位置上各插入一個(gè)數(shù)據(jù)。細(xì)化因子越大，細(xì)化程度越

17、高，曲線越平滑，從而曲線的失真度越小。用戶可以在refine factor設(shè)置仿真時(shí)間區(qū)間插入的輸出點(diǎn)數(shù)，產(chǎn)生更光滑的輸出曲線。改變精細(xì)因子比減小仿真步長更有效。細(xì)化輸出只能在變步長模式中才能使用，并且在ode45效果最好,38,produce additional output（產(chǎn)生附加輸出）：允許用戶直接指定產(chǎn)生輸出的點(diǎn)。一旦選擇了該項(xiàng)，它的右邊會(huì)出現(xiàn)一個(gè)輸出時(shí)間編輯框，用戶可以指定額外的仿真輸出點(diǎn)，既可以是一個(gè)時(shí)間向量也可以是表達(dá)式。這個(gè)選項(xiàng)會(huì)改變仿真的步長以使其和指定的附加輸出時(shí)間一致。 produce specified output only（只產(chǎn)生指定輸出）：只在指定的時(shí)間點(diǎn)上產(chǎn)

18、生輸出。這種方式改變仿真步長經(jīng)使時(shí)間步長與指定輸出時(shí)刻一致。在比較不同的仿真時(shí)，要確保在同一個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生輸出，就要采用這種方式,39,主要設(shè)置simulink與matlab工作空間交換數(shù)據(jù)的有關(guān)選項(xiàng),2、workspace i/o選項(xiàng)及其設(shè)置,load from workspace（從工作空間讀取數(shù)據(jù)）：用來設(shè)置從matlab工作空間獲取變量的性質(zhì)，可以從工作空間獲取時(shí)間和輸入變量。雖然simulink提供了多種系統(tǒng)輸入信號(hào)，但并不能完全滿足需要。simulink允許使用用戶自定義的信號(hào)作為系統(tǒng)輸入信號(hào)。一般地，時(shí)間變量定義為t，輸入變量定義為u；在load form workspace框中，用

19、戶可以設(shè)置matlab中的變量作為系統(tǒng)輸入信號(hào)或系統(tǒng)狀態(tài)初始值，如下所述： （1）input：用來設(shè)置系統(tǒng)輸入信號(hào)。其格式為t，u，其中t、u均為列向量，t為輸入信號(hào)的時(shí)間向量，u為相應(yīng)時(shí)刻的信號(hào)取值，可以使用多個(gè)信號(hào)輸入，如t，u1，u2。輸入信號(hào)與simulink的接口由inport模塊（in1模塊）實(shí)現(xiàn),40,save to workspace（將數(shù)據(jù)寫入工作空間）：用來設(shè)置往matlab工作空間寫入的變量類型和變量名，選中變量類型前的復(fù)選框使相應(yīng)的變量有效，包括輸出時(shí)間變量（time）、輸出系統(tǒng)模型中所有的狀態(tài)變量（states）、輸出系統(tǒng)模型中所有由outport模塊（即out1模塊

20、）表示的信號(hào)（output）和輸出系統(tǒng)模型中的最終狀態(tài)變量取值，即最后仿真時(shí)刻處的狀態(tài)值（ final state）； save option（存儲(chǔ)選項(xiàng)）：用來設(shè)置載入的保存狀態(tài)的有關(guān)選項(xiàng)：limit data points to last-用來設(shè)定存往matlab工作空間變量的規(guī)模，對(duì)于向量而言即其維數(shù)，對(duì)于矩陣而言即其秩；decimation用來設(shè)置存往matlab工作空間的變量的頻度，1為默認(rèn)值，表示每點(diǎn)都傳送，建議一般不要改動(dòng)此項(xiàng)設(shè)置。format用來選擇數(shù)據(jù)格式,2)xinitial state：用來設(shè)置系統(tǒng)狀態(tài)變量初始值。初始值xinitial可為行向量。注意：使用xinitial

21、 state所設(shè)置狀態(tài)變量初始值會(huì)自動(dòng)覆蓋系統(tǒng)模塊中的設(shè)置。另外，輸入信號(hào)與狀態(tài)變量需要按照系統(tǒng)模型中inport模塊（即in1模塊）的順序進(jìn)行正確設(shè)置,41,主要用于設(shè)置仿真過程中對(duì)編譯與調(diào)試異常的錯(cuò)誤處理方式，相當(dāng)于c語言中的編譯設(shè)置,3、diagnostics選項(xiàng)及其設(shè)置,simulation option：consistency checking（一致性檢驗(yàn)）：是個(gè)調(diào)試工具，用于設(shè)置一致性檢驗(yàn)錯(cuò)誤的處理方法。該錯(cuò)誤主要和s函數(shù)有關(guān)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能嚴(yán)重降低（降到40%），因此通常都關(guān)閉該項(xiàng)。以免影響仿真速度，即選擇“none”。 bound checking（邊界檢驗(yàn)）：用來檢驗(yàn)在仿真過

22、程中模塊是否把數(shù)據(jù)寫出了分配的內(nèi)存。如果激活了該項(xiàng)，在每次仿真模塊時(shí)對(duì)每個(gè)模塊都執(zhí)行該檢驗(yàn)，會(huì)大大降低執(zhí)行性能。因此，為了避免不必要的性能降低，最好在用戶確定模型中包含有編寫錯(cuò)誤的s函數(shù)時(shí)才激活該檢驗(yàn)。 configuration options ：simulink提供了幾類異常事件，僅對(duì)這幾類異常事件進(jìn)行處理,42,6.5 仿真結(jié)果的觀察,控制系統(tǒng)仿真后，觀察輸出信號(hào)的方法大致有3種,將仿真結(jié)果輸入到輸出模塊組sinks中的“scope示波器”、“display”數(shù)學(xué)顯示器中查看圖形或者數(shù)據(jù)。 將仿真結(jié)果信息返回到matlab命令窗口里，再利用繪圖命令繪制出圖形； 將仿真結(jié)果信息輸入到“to workspace”模塊中，再用繪圖命令在matlab窗口里繪制出圖形,43,scope模塊是觀察仿真結(jié)果的主要工具。scope模塊可以有多個(gè)顯示坐標(biāo)（每個(gè)端口一個(gè)），所有坐標(biāo)有共同的時(shí)間坐標(biāo)和各自獨(dú)立的y坐標(biāo)。 當(dāng)用戶啟動(dòng)仿真時(shí)，simulink雖然把數(shù)據(jù)寫入連接的scope模塊，但并不打開scope窗口。要想顯示，則必須在仿真結(jié)束后雙擊scope模塊才能打開。 若輸入信號(hào)是連續(xù)