計算機建模與仿真第7章課件

1、第第7章章 MATLAB的仿真集成環(huán)境的仿真集成環(huán)境-SIMULINK金陵科技學院機電工程學院nMATLAB的SIMULINK是很有特色的仿真環(huán)境,在此環(huán)境中,用戶可以用點擊拖動鼠標的方式繪制和組織系統(tǒng)和電路,并完成仿真.在SIMULINK環(huán)境中,系統(tǒng)的函數(shù)和電路元器件的模型都用框圖來表達,框圖之間的連線表示了信號流動的方向.用戶熟悉了模型庫,就可以方便的進行系統(tǒng)和電路的仿真,而不必去記復雜的函數(shù),這無疑是很實用的.7.1 SIMULINK的優(yōu)點的優(yōu)點金陵科技學院機電工程學院nSimulink可以搭建：l（1）通信系統(tǒng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；l（2）動力學系統(tǒng)；l（3）控制系統(tǒng)；l（4）數(shù)字信號處

2、理系統(tǒng)；l（5）電力系統(tǒng)；l（6）生物系統(tǒng)；l（7）金融系統(tǒng)等。7.2 SIMULINK的應用的應用金陵科技學院機電工程學院7.3 SIMULINK的工作環(huán)境的工作環(huán)境simulink環(huán)境的進入和退出環(huán)境的進入和退出nsimulink的啟動：l（1）在MATLAB的菜單欄上選擇【File】，在下拉菜單中的【New】下選中【Model】l（2）在MATLAB的工具欄上點擊按鈕 ，然后在打開的模型庫瀏覽窗口菜單上點擊按紐 。l（3）在MATLAB的文本窗口中鍵入“simulink”后回車，然后在打開的模型庫瀏覽窗口的菜單上點擊按紐 。nsimulink的關閉：l關閉所有模型窗口和Simulink模

3、塊庫窗口即可金陵科技學院機電工程學院n在MATLAB的工具欄上點擊按鈕 ，即可打開模型庫瀏覽器。7.3 SIMULINK的工作環(huán)境的工作環(huán)境模型庫瀏覽器模型庫瀏覽器金陵科技學院機電工程學院7.3 SIMULINK的工作環(huán)境的工作環(huán)境模型庫瀏覽器模型庫瀏覽器連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)模塊庫模塊庫離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)模塊庫模塊庫查詢表格模塊查詢表格模塊庫庫(插入和查詢各種插入和查詢各種表格表格)數(shù)學運算數(shù)學運算模塊庫模塊庫邏輯與邏輯與位運算位運算模塊庫模塊庫間斷系統(tǒng)間斷系統(tǒng)模塊庫模塊庫信號源信號源模塊庫模塊庫儀器儀表儀器儀表模塊庫模塊庫信號傳輸信號傳輸模塊庫模塊庫用戶定用戶定義函數(shù)義函數(shù)模塊庫模塊庫信號屬性信號

4、屬性模塊庫模塊庫金陵科技學院機電工程學院基本模塊庫Simulink 的基本模塊庫包括的基本模塊庫包括16個子模塊庫，個子模塊庫，常用的模塊庫常用的模塊庫: :n常用的模塊子庫（常用的模塊子庫（Commonly Used Blocks）n連續(xù)模塊子庫（連續(xù)模塊子庫（Continuous）n離散模塊子庫（離散模塊子庫（Discrete）n邏輯和位操作模塊子庫（邏輯和位操作模塊子庫（logic and bit operation）n查表函數(shù)模塊子庫（查表函數(shù)模塊子庫（lookup Tables）金陵科技學院機電工程學院n一般數(shù)學函數(shù)子庫（一般數(shù)學函數(shù)子庫（Math）n信宿模塊子庫（信宿模塊子庫（Si

5、nks）n信源模塊子庫信源模塊子庫(Sources) n用戶定義的函數(shù)模塊子庫用戶定義的函數(shù)模塊子庫(User_defined Functions) n端口與子系統(tǒng)端口與子系統(tǒng)(Ports & Subsystems)金陵科技學院機電工程學院常用模塊的參數(shù)設置1 信號發(fā)生器信號發(fā)生器n信號發(fā)生器信號發(fā)生器(signal generator)是信源模塊是信源模塊子庫子庫SourcesSources中的模塊，雙擊信號發(fā)生器模中的模塊，雙擊信號發(fā)生器模塊，會出現(xiàn)參數(shù)設置對話框。塊，會出現(xiàn)參數(shù)設置對話框。n對話框的上半部分為參數(shù)說明對話框的上半部分為參數(shù)說明; ;下半部分設下半部分設置參數(shù)，置參

6、數(shù)，Wave form為信號類型，為信號類型，Time (t)為仿真時間或外部時間，為仿真時間或外部時間，Amplitude為信為信號幅值，號幅值，F(xiàn)requency為頻率。為頻率。 金陵科技學院機電工程學院2 三角函數(shù)n三角函數(shù)三角函數(shù)(Trigonometric Function)(Trigonometric Function)是是數(shù)學函數(shù)子庫數(shù)學函數(shù)子庫MathMath中的一個模塊中的一個模塊, ,雙擊雙擊三角函數(shù)模塊，會出現(xiàn)參數(shù)設置對話框。三角函數(shù)模塊，會出現(xiàn)參數(shù)設置對話框。對話框的上半部分為參數(shù)說明，下半部對話框的上半部分為參數(shù)說明，下半部為參數(shù)設置，其中為參數(shù)設置，其中Functi

7、onFunction為可供選擇為可供選擇的三角函數(shù)的三角函數(shù),Output signal type,Output signal type為自為自動、實數(shù)和復數(shù)。動、實數(shù)和復數(shù)。金陵科技學院機電工程學院3 數(shù)學函數(shù)n數(shù)學函數(shù)（數(shù)學函數(shù)（Math function）是數(shù)學函數(shù)是數(shù)學函數(shù)子庫子庫MathMath中的一個模塊中的一個模塊, ,雙擊雙擊Math function模塊，會出現(xiàn)參數(shù)設置對話框。模塊，會出現(xiàn)參數(shù)設置對話框。上半部分為參數(shù)說明，下半部分為參數(shù)上半部分為參數(shù)說明，下半部分為參數(shù)設置設置,其中其中FunctionFunction為可供選擇的數(shù)學函為可供選擇的數(shù)學函數(shù)數(shù),Output

8、signal type,Output signal type為自動、實數(shù)和為自動、實數(shù)和復數(shù)。復數(shù)。金陵科技學院機電工程學院4 示波器n示波器示波器(Scope)是常用的模塊子庫中的模塊，是常用的模塊子庫中的模塊，用來接收輸入信號并實時顯示信號波形的曲用來接收輸入信號并實時顯示信號波形的曲線。線。n示波器的參數(shù)設置對話框有兩頁，其中示波器的參數(shù)設置對話框有兩頁，其中General 頁可設置坐標軸數(shù)目頁可設置坐標軸數(shù)目Number of axes，浮點顯示，浮點顯示floating scope，時間范圍，時間范圍Time range ，采樣增益，采樣增益Sampling；History 頁可設置

9、數(shù)據(jù)點數(shù)頁可設置數(shù)據(jù)點數(shù)Limit data points to last，是否保存到工作空間，是否保存到工作空間Save data to workspace。金陵科技學院機電工程學院n建模仿真的一般過程是：l打開一個空白的編輯窗口；l將模塊庫中模塊復制到編輯窗口里，并依照給定的框圖修改編輯窗口中模塊的參數(shù)；l將各個模塊按給定的框圖連接起來；l設置仿真參數(shù)（確定仿真的步長、時間和仿真的算法等）；l用菜單選擇或命令窗口鍵入命令進行仿真分析，在仿真的同時，可以觀察仿真結果，如果發(fā)現(xiàn)有不正確的地方，可以停止仿真，對參數(shù)進行修正；l如果對結果滿意，可以將模型保存。7.4 SIMULINK建模仿真步驟建

10、模仿真步驟金陵科技學院機電工程學院n例題：仿真一階慣性環(huán)節(jié)W(s)=1/(0.1s+1),在單位階躍給定下的響應.n解:(1)在SIMULINK的模型庫中分別提取階躍給定(step)、傳遞函數(shù)(Transfer Fcn)和示波器(Scope)3個模塊,并連接組成仿真模型.7.4 SIMULINK建模仿真步驟建模仿真步驟金陵科技學院機電工程學院n(2)模塊賦值:分別雙擊階躍給定和傳遞函數(shù)兩個模塊,打開模塊對話框,然后在框中設定參數(shù).7.4 SIMULINK建模仿真步驟建模仿真步驟金陵科技學院機電工程學院n(3)設置模型仿真參數(shù).在simulatiom菜單下用configuration param

11、eters命令打開仿真參數(shù)對話框.在對話框中設置開始時間0.8s和終止時間1.6s,其他參數(shù)保持默認值.7.4 SIMULINK建模仿真步驟建模仿真步驟金陵科技學院機電工程學院n(4)啟動仿真并觀察結果:在仿真參數(shù)設定完成后,點擊按鈕” ”啟動仿真,然后雙擊示波器模型打開示波器觀察圖形.若觀察不清楚,可點擊” ”.調(diào)至合適的坐標軸.7.4 SIMULINK建模仿真步驟建模仿真步驟金陵科技學院機電工程學院n(5)保存模型:用”File”菜單下的”Save”命令或工具欄上的按鈕” ”進行文件的保存,此時文件的后綴名為.mdl.7.4 SIMULINK建模仿真步驟建模仿真步驟金陵科技學院機電工程學院

12、n拖入模塊：拖入模塊：選中模塊，按住鼠標左鍵不放拖到模塊窗口n移動：移動：選中模塊，按住鼠標左鍵將其拖曳到所需的位置即可。若要脫離線而移動，可按住shift鍵，再進行拖曳。n復制復制：選中模塊，然后按住鼠標右鍵進行拖曳即可復制同樣的一個功能模塊。n刪除：刪除：選中模塊，按Delete鍵即可。若要刪除多個模塊，可以使用Shift鍵。也可以用鼠標選取某區(qū)域，再按Delete鍵就可以把該區(qū)域中的所有模塊和線等全部刪除。7.5 模塊的基本操作和使用模塊的基本操作和使用金陵科技學院機電工程學院n轉向：轉向：為了能夠順序連接功能模塊的輸入和輸出端，功能模塊有時需要轉向。選中模塊后，在菜單Format中選擇

13、Flip Block旋轉180度(ctrl+i)，選擇Rotate Block順時針旋轉90度(ctrl+r)。n改變大?。焊淖兇笮。哼x中模塊，對模塊出現(xiàn)的4個黑色標記進行拖曳即可。n模塊命名：模塊命名：先用鼠標在需要更改的名稱上單擊一下，然后直接更改即可。名稱在功能模塊上的位置也可以變換180度，首先選中模塊，然后用Format菜單中的Flip Name來實現(xiàn)，也可以直接通過鼠標進行拖曳。Hide Name可以隱藏模塊名稱。7.5 模塊的基本操作和使用模塊的基本操作和使用金陵科技學院機電工程學院n顏色設定：顏色設定：選中模塊，F(xiàn)ormat菜單中的Foreground Color可以改變模塊的

14、前景顏色，Background Color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來改變。n參數(shù)設定：參數(shù)設定：用鼠標雙擊模塊，就可以進入模塊的參數(shù)設定窗口。參數(shù)設定窗口包含了該模塊的基本功能幫助，為獲得更詳盡的幫助，可以點擊其上的help按鈕。（各個模塊的參數(shù)設定均不相同，需要具體問題具體分析）7.5 模塊的基本操作和使用模塊的基本操作和使用金陵科技學院機電工程學院nSimulink線的處理lSIMULINK模型的構建是通過用線將各種功能模塊進行連接而構成的。線的連接方法：將光標箭頭指向模塊的輸出端，對準后，光標變成十字形，此時按下鼠標左鍵，拖拽十字形到另一個

15、模塊的輸入端后松開鼠標左鍵，在兩個模塊的輸出和輸入端之間就出現(xiàn)了帶箭頭的連線，并且箭頭表示了信號的流向。7.5 模塊的基本操作和使用模塊的基本操作和使用金陵科技學院機電工程學院l線的折彎：線的折彎：按住Shift鍵，再用鼠標在要折彎的線處單擊一下，就會出現(xiàn)圓圈，表示折點，利用折點就可以改變線的形狀。l線的分支：線的分支：按住鼠標右鍵，在需要分支的地方拉出即可以。或者按住Ctrl鍵，并在要建立分支的地方用鼠標拉出即可。l線的刪除：線的刪除：選中線后按Delete鍵即可。l設定標簽：設定標簽：只要在線上雙擊鼠標，即可輸入該線的說明標簽。7.5 模塊的基本操作和使用模塊的基本操作和使用金陵科技學院機

16、電工程學院n示波器的使用和保存l雙擊示波器模塊圖標，即可彈出示波器的窗口畫面，其上按鈕相應的功能如下：7.5 模塊的基本操作和使用模塊的基本操作和使用打印打印示波器參數(shù)示波器參數(shù)區(qū)域放大區(qū)域放大X軸放大軸放大Y軸放大軸放大自動尺寸自動尺寸保存軸的設定保存軸的設定恢復軸的設定恢復軸的設定金陵科技學院機電工程學院l設定示波器參數(shù)7.5 模塊的基本操作和使用模塊的基本操作和使用改坐標軸數(shù)改坐標軸數(shù)(輸輸入信號端口數(shù)入信號端口數(shù))時間范圍時間范圍(設設定定X軸最大值軸最大值)選擇標選擇標簽貼放處簽貼放處數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采樣采樣方式方式(默認默認)數(shù)據(jù)點數(shù)數(shù)據(jù)點數(shù)數(shù)據(jù)存入工作空間數(shù)據(jù)存入工作空間金陵科技學院機電

17、工程學院l設定坐標軸范圍設定坐標軸范圍:選中圖形,點鼠標右鍵,在彈出的功能菜單中選擇”axes properties”項,則可打開Y軸范圍限制對話框,此時可重新設置Y軸范圍,并可以給顯示的信號命名.l圖形縮放圖形縮放:在示波器窗口有3個放大鏡 ,分別用于圖形的區(qū)域放大,X軸放大,Y軸放大.區(qū)域放大:點擊 ,然后在需放大區(qū)域按下鼠標左鍵并斜向拖動,此時出現(xiàn)個矩形框,松開鼠標后,被矩形框,框住的部分被放大.X(Y)軸放大:點擊 ( ) ,然后沿X (Y)軸方向點擊鼠標左鍵即可. 7.5 模塊的基本操作和使用模塊的基本操作和使用金陵科技學院機電工程學院7.6 SIMULINK的仿真算法的仿真算法n在

18、SIMULINK仿真過程中選擇合適的算法是很重要的,仿真算法是求常微分方程,傳遞函數(shù),狀態(tài)方程解的數(shù)值計算方法.這些方法主要有歐拉法(EULAR),阿達姆斯法(ADAMS),龍格-庫塔法(Rung-kutta).這些算法都主要建立在泰勒級數(shù)的基礎上.歐拉法是最早出現(xiàn)的一種數(shù)值計算的方法.它是數(shù)值計算的基礎.它用矩形面積來近似積分計算.歐拉法比較簡單,但精度不高.現(xiàn)在已經(jīng)很少使用.阿達姆斯法是歐拉法的改進,它用梯形面積來近似積分計算.所以也稱梯形法,梯形法每步都需要經(jīng)過多次迭代,計算量較大.采用預報-矯正后只要迭代一次.計算量減少.但是計算時要用其他的算法計算開始的幾步.龍格-庫塔法是間接使用泰

19、勒級數(shù)展開式的方法,它在積分區(qū)間內(nèi)多預報幾個點的斜率.然后進行加權平衡.用做計算下一點的依據(jù).從而構造了精度更高的數(shù)值積分計算方法.如果取兩個點的斜率就是二階龍格-庫塔法,取四個點的斜率就是四階龍格-庫塔法.金陵科技學院機電工程學院7.6 SIMULINK的仿真算法的仿真算法n變步長模式解法器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。lode45：缺省值，四/五階龍格庫塔法，適用于大多數(shù)連續(xù)或離散系統(tǒng)，但不適用于剛性（stiff）系統(tǒng)。它是單步解法器，也就是，在計算y(tn)時，它僅需要最近處理時刻的結果y(tn-1)

20、。一般來說，面對一個仿真問題最好是首先試試ode45。lode23：二/三階龍格庫塔法，它在誤差限要求不高和求解的問題不太難的情況下，可能會比ode45更有效。也是一個單步解法器。lode113：是一種階數(shù)可變的解法器，它在誤差容許要求嚴格的情況下通常比ode45有效。ode113是一種多步解法器，也就是在計算當前時刻輸出時，它需要以前多個時刻的解。金陵科技學院機電工程學院lode15s：是一種基于數(shù)字微分公式的解法器（NDFs）。也是一種多步解法器。適用于剛性系統(tǒng)，當用戶估計要解決的問題是比較困難的，或者不能使用ode45，或者即使使用效果也不好，就可以用ode15s。lode23s：它是一

21、種單步解法器，專門應用于剛性系統(tǒng)，在弱誤差允許下的效果好于ode15s。它能解決某些ode15s所不能有效解決的stiff問題。lode23t：是梯形規(guī)則的一種自由插值實現(xiàn)。這種解法器適用于求解適度stiff的問題而用戶又需要一個無數(shù)字振蕩的解法器的情況。lode23tb：是TR-BDF2的一種實現(xiàn)， TR-BDF2 是具有兩個階段的隱式龍格庫塔公式。ldiscrtet：當Simulink檢查到模型沒有連續(xù)狀態(tài)時使用它。7.6 SIMULINK的仿真算法的仿真算法金陵科技學院機電工程學院n固定步長模式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete。lode5：缺省

22、值，是ode45的固定步長版本，適用于大多數(shù)連續(xù)或離散系統(tǒng)，不適用于剛性系統(tǒng)。lode4：四階龍格庫塔法，具有一定的計算精度。lode3：固定步長的二/三階龍格庫塔法。lode2：改進的歐拉法。lode1：歐拉法。ldiscrete：是一個實現(xiàn)積分的固定步長解法器，它適合于離散無連續(xù)狀態(tài)的系統(tǒng)。7.6 SIMULINK的仿真算法的仿真算法金陵科技學院機電工程學院n在仿真過程中,用戶根據(jù)各種類型的模型特點,各種數(shù)值積分方法的計算特點和適用范圍,才能正確地選擇恰當?shù)乃惴?而這一點往往是使用者難以掌握的,現(xiàn)在還沒有一種對所有模型都適用的算法,一個簡單的辦法是當一個算法不能完成模型的計算時,選用另一種

23、算法試試,如果還不行,就對模型或參數(shù)作一定的修改.在電力電子電路仿真中,一般采用可變步長類算法.7.6 SIMULINK的仿真算法的仿真算法金陵科技學院機電工程學院7.7 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路步驟1:新建一個模型窗口,命名為danxiangbanbo步驟2:打開SIMULINK模型庫 1)從simpowersystems中的elements庫中復制series RLC branch至模型窗口. 2)從simpowersystems中的power electronics庫復制detailed thyristor至模型窗口. 3)從simpowersystems中的measur

24、ements庫復制兩個voltage measurtment至模型窗口. 4)從simpowersystems中的electrical sources庫復制AC voltage source至模型窗口. 5)從simulink中的sources庫復制pulse generator至模型窗口. 6)從simulink中的sinks庫復制scope至模型窗口. 7)從simulink中的signal routing庫復制demux至模型窗口.金陵科技學院機電工程學院7.7 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路步驟3:將模型窗口中的模型做適當連接,得到想要的電路圖如下:金陵科技學院機電工程學院7.7 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路步驟4:對series RLC branch、detailed thyristor、AC voltage source、pulse generator的模型參數(shù)做適當設置如下： 1）對series RLC branch模型，設R=1, L=0H, C=inf（電阻負載） 2）對detailed thyristor模型，設Ron=0.001, Lon=0H,Vf=0.8V,Ic=0A,Tq(關斷時間)=0s，Rs=10. 3）對AC voltage source模型，幅值=