第7章(補充)Simulink的應

1、第 7 章 simulink的應用 第第7 7章章 simulink的應用的應用 7.1 simulink工作平臺的啟動工作平臺的啟動 7.2 simulink仿真原理仿真原理7.3 simulink模塊庫模塊庫7.4 仿真模型的建立和模塊參數(shù)及屬性的設(shè)置仿真模型的建立和模塊參數(shù)及屬性的設(shè)置7.5 其他應用模塊集及其他應用模塊集及simulink擴展庫擴展庫第 7 章 simulink的應用 7.1 simulink工作平臺工作平臺pipipxx啟動simulink，通常有兩種方法：（1）在matlab命令窗口中直接輸入simulink命令；（2）在matlab工具欄上單擊simulink按鈕

2、，如圖7.1所示。 圖7.1 啟動simulink 這樣就可打開了simulink的simulink library brower(庫模塊瀏覽器)，如圖7.2所示。在菜單欄中執(zhí)行file/new/model命令，就建立了一個名為untitled的模型窗口，如圖7.3所示。在建立了空的模塊窗口后，用戶可以在此窗口中創(chuàng)建自己需要的simulink模型。第 7 章 simulink的應用 圖7.2庫模塊瀏覽器 圖7.3 新建的空白模塊窗口 第 7 章 simulink的應用 7.2simulink的仿真原理的仿真原理7.2.1 simulink7.2.1 simulink仿真模塊仿真模塊通常，sim

3、ulink仿真系統(tǒng)包括輸入(input)、狀態(tài)(states)和輸出(output)三個部分。輸入模塊輸入模塊：即信號源模塊，包括常數(shù)字信號源和用戶自定義信號；狀態(tài)模塊狀態(tài)模塊：即被模擬的系統(tǒng)模塊，是系統(tǒng)建模的核心和主要部分；輸出模塊輸出模塊：即信號顯示模塊，它能夠以圖形方式、文件格式進行顯示。注意注意：在設(shè)計一個模型時，必須先確定這三個部分的意，以及它們之間的聯(lián)系；simulink的仿真模型并非一定要完全包括這三個部分，它可以缺少其中一個或者兩個； simulink的狀態(tài)模塊可以是連續(xù)的、離散的，或者它們二者的結(jié)合。第 7 章 simulink的應用 7.2.2 simulink7.2.2

4、simulink仿真過程仿真過程1初始化階段初始化階段 對模型的參數(shù)進行估計，得到它們實際計算的值。 展開模型的各個層次； 按照更新的次序?qū)δＰ瓦M行排序； 確定那些顯式化的信號屬性，并檢查每個模塊是否能夠接受連接它們輸入端的信號； 確定所有非顯式的信號采樣時間模塊的采樣時間； 分配和初始化存儲空間，以便存儲每個模塊的狀態(tài)和當前值的輸出。2模型執(zhí)行階段模型仿真是通過數(shù)值積分來進行完成的，計算數(shù)值積分可以采用以下兩步來進行： 按照秩序計算每個模塊的積分； 根據(jù)當前輸入和狀態(tài)來決定狀態(tài)的微分，得到微分矢量，然后把它返回給解法器，以計算下一個采樣點的狀態(tài)矢量。在每一個時間步中，simulink依次解決

5、下列問題： 按照秩序更新模塊的輸出； 按照秩序更新模塊的狀態(tài)； 檢查模塊連續(xù)狀態(tài)的不連續(xù)點； 計算下一個仿真時間步的時間。第 7 章 simulink的應用 7.3.1 7.3.1 連續(xù)模塊庫連續(xù)模塊庫(continuous)(continuous) 在連續(xù)模塊(continuous)庫中包括了常見的連續(xù)模塊，這些模塊如圖所示。 7.3 simulink模塊庫 在庫模塊瀏覽器中單擊simulink前面的“+”號，就能夠看到simulink的模塊庫，如圖7.2所示。 第 7 章 simulink的應用 ducxybuaxx4. 傳遞函數(shù)模塊傳遞函數(shù)模塊(transfer fcn)功能：功能：用執(zhí)

6、行一個線性傳遞函數(shù)。5. 零極點傳遞函數(shù)模塊零極點傳遞函數(shù)模塊(zero-pole)功能：功能：用于建立一個預先指定的零點、極點，并用延遲算子s表示的連續(xù)。6存儲器模塊存儲器模塊(memory)功能：功能：保持輸出前一步的輸入值。7傳輸延遲模塊傳輸延遲模塊(transport delay)功能：功能：用于將輸入端的信號延遲指定的時間后再傳輸給輸出信號。8可變傳輸延遲模塊可變傳輸延遲模塊(variable transport delay)功能：功能：用于將輸入端的信號進行可變時間的延遲。1. 積分模塊積分模塊(integrator)：功能：功能：對輸入變量進行積分。說明：模塊的輸入可以是標量，也

7、可以是矢量；輸入信號的維數(shù)必須與輸入信號保持一致。2. 微分模塊微分模塊(derivative)功能：功能：通過計算差分u/ t近似計算輸入變量的微分。3. 線性狀態(tài)空間模塊線性狀態(tài)空間模塊(state-space)功能：功能：用于實現(xiàn)以下數(shù)學方程描述的系統(tǒng)：第 7 章 simulink的應用 7.3.2 7.3.2 離散模塊庫離散模塊庫(discrete)(discrete) 離散模塊庫(discrete)主要用于建立離散采樣的系統(tǒng)模型，包括的主要模塊，如圖所示。1零階保持器模塊零階保持器模塊(zero-order-hold)功能：功能：在一個步長內(nèi)將輸出的值保持在同一個值上。第 7 章 s

8、imulink的應用 2單位延遲模塊單位延遲模塊(unit delay)功能：功能：將輸入信號作單位延遲，并且保持一個采樣周期相當于時間算子z-1 。3離散時間積分模塊離散時間積分模塊(discrete time integrator)功能：功能：在構(gòu)造完全離散的系統(tǒng)時，代替連續(xù)積分的功能。使用的積分方法有：向前歐拉法、向后歐拉法、梯形法。4離散狀態(tài)空間模塊離散狀態(tài)空間模塊(discrete state space)功能：功能：用于實現(xiàn)如下數(shù)學方程描述的系統(tǒng)：)()()()()() 1(ntduntcxntyntbuntaxtnx5離散濾波器模塊離散濾波器模塊(discrete filter)

9、功能：功能：用于實現(xiàn)無限脈沖響應(iir)和有限脈沖響應(fir)的數(shù)字濾波器。6離散傳遞函數(shù)模塊離散傳遞函數(shù)模塊(discrete transfer fcn)功能：功能：用于執(zhí)行一個離散傳遞函數(shù)。7離散零極點傳遞函數(shù)模塊離散零極點傳遞函數(shù)模塊(discrete zero-pole)功能：功能：用于建立一個預先指定的零點、極點，并用延遲算子z-1表示的離散系統(tǒng)。8一階保持器模塊一階保持器模塊(first order hold)功能：功能：在一定時間間隔內(nèi)保持一階采樣。第 7 章 simulink的應用 7.3.3 7.3.3 函數(shù)與表格模塊庫函數(shù)與表格模塊庫(function & ta

10、ble)(function & table) 函數(shù)與表格模塊庫(function & table)主要實現(xiàn)各種一維、二維或者更高維函數(shù)的查表，另外用戶還可以根據(jù)自己需要創(chuàng)建更復雜的函數(shù)。該模塊庫包括多個主要模塊、如圖7.7所示。第 7 章 simulink的應用 1. 一維查表模塊一維查表模塊(look-up table) 一維查表模塊(look-up table)實現(xiàn)對單路輸入信號的查表和線性插值。2二維查表模塊二維查表模塊(look-up table 2-d)功能：功能：根據(jù)給定的二維平面網(wǎng)格上的高度值，把輸入的兩個變量經(jīng)過查表、插值，計算出模塊的輸出值，并返回這個值。說明

11、：對二維輸入信號進行分段線性變換。3自定義函數(shù)模塊自定義函數(shù)模塊(fcn)功能：功能：用于將輸入信號進行指定的函數(shù)運算，最后計算出模塊的輸出值。說明：輸入的數(shù)學表達式應符合c語言編程規(guī)范；與matlab中的表達式有所不同，不能完成矩陣運算。4matlab函數(shù)模塊函數(shù)模塊(matlab fcn)功能：功能：對輸入信號進行matlab函數(shù)及表達式的處理。說明：模塊為單輸入模塊；能夠完成矩陣運算。注意：從運算速度角度，math function模塊要比fcn模塊慢。當需要提高速度時，可以考慮采用fcn 或者s函數(shù)模塊。5s-函數(shù)模塊函數(shù)模塊(s-function)功能：功能：按照simulink標準

12、，編寫用戶自己的simulink函數(shù)。它能夠?qū)atlab語句、c語言等編寫的函數(shù)放在simulink模塊中運行，最后計算模塊的輸出值。第 7 章 simulink的應用 7.3.4 7.3.4 數(shù)學模塊庫數(shù)學模塊庫(math)(math) 數(shù)學模塊庫(math)包括多個數(shù)學運算模塊，如圖7.8所示。第 7 章 simulink的應用 3. 矢量的點乘模塊矢量的點乘模塊(dot product)功能：功能：矢量的點乘模塊(dot product)用于實現(xiàn)輸入信號的點積運算。4. 增益模塊增益模塊(gain)功能：功能：增益模塊(gain)的作用是把輸入信號乘以一個指定的增益因子，使輸入產(chǎn)生增益

13、。1. 求和模塊求和模塊(sum)功能：功能：求和模塊(sum)用于對多路輸入信號進行求和運算，并輸出結(jié)果。2. 乘法模塊乘法模塊(product)功能：功能：乘法模塊(product)用于實現(xiàn)對多路輸入的乘積、商、矩陣乘法或者模塊的轉(zhuǎn)置等。5. 常用數(shù)學函數(shù)模塊常用數(shù)學函數(shù)模塊(math function)功能：功能：用于執(zhí)行多個通用數(shù)學函數(shù)，其中包含exp、log、log10、square、sqrt、pow、reciprocal、hypot、rem、mod等。第 7 章 simulink的應用 6. 三角函數(shù)模塊三角函數(shù)模塊(trigonometric function)功能：功能：用于對

14、輸入信號進行三角函數(shù)運算，共有10種三角函數(shù)供選擇。7. 特殊數(shù)學模塊特殊數(shù)學模塊 特殊數(shù)學模塊中包括求最大最小值模塊(minmax)、取絕對值模塊(abs)、符號函數(shù)模塊(sign)、取整數(shù)函數(shù)模塊(rounding function)等。8. 數(shù)字邏輯函數(shù)模塊數(shù)字邏輯函數(shù)模塊 數(shù)字邏輯函數(shù)模塊包括復合邏輯模塊(combinational logic)、邏輯運算符模塊(logical operator)、位邏輯運算符模塊(bitwise logical operator)等。9. 關(guān)系運算模塊關(guān)系運算模塊(relational operator) 關(guān)系符號包括：=(等于)、(不等于)、(小于

15、)、(大于)、=(大于等于)等。10. 復數(shù)運算模塊復數(shù)運算模塊 復數(shù)運算模塊包括計算復數(shù)的模與幅角(complex to magnitude-angle)、由模和幅角計算復數(shù)(magnitude-angle to complex)、提取復數(shù)實部與虛部模塊(complex to real and image)、由復數(shù)實部和虛部計算復數(shù)(real and image to complex)。第 7 章 simulink的應用 7.3.57.3.5非線性模塊非線性模塊(nonlinear)(nonlinear)非線性模塊(nonlinear)中包括一些常用的非線性模塊，如圖7.9所示。第 7 章

16、simulink的應用 1. 比率限幅模塊比率限幅模塊(rate limiter)功能：功能：用于限制輸入信號的一階導數(shù)，使得信號的變化率不超過規(guī)定的限制值。2飽和度模塊飽和度模塊(saturation)功能：功能：用于設(shè)置輸入信號的上下飽和度，即上下限的值，來約束輸出值。3量化模塊量化模塊(quantizer)功能：功能：用于把輸入信號由平滑狀態(tài)變成臺階狀態(tài)。4死區(qū)輸出模塊死區(qū)輸出模塊(dead zone)功能：功能：在規(guī)定的區(qū)內(nèi)沒有輸出值。5繼電模塊繼電模塊(relay)功能：功能：繼電模塊(relay)用于實現(xiàn)在兩個不同常數(shù)值之間進行切換。6選擇開關(guān)模塊選擇開關(guān)模塊(switch)功能：

17、功能：根據(jù)設(shè)置的門限來確定系統(tǒng)的輸出。第 7 章 simulink的應用 7.3.6 7.3.6 信號與系統(tǒng)模塊庫信號與系統(tǒng)模塊庫(signals &systems)(signals &systems)信號與系統(tǒng)模塊庫(signals &systems)包括的主要模塊如圖7.11所示。第 7 章 simulink的應用 1. bus 信號選擇模塊信號選擇模塊(bus selector)功能：功能：用于得到從mux模塊或其它模塊引入的bus信號。2. 混路器模塊混路器模塊(mux)功能：功能：把多路信號組成一個矢量信號或者bus信號。3.分路器模塊分路器模塊(demux)

18、功能：功能：把混路器組成的信號按照原來的構(gòu)成方法分解成多路信號。4. 信號合成模塊信號合成模塊(merge)功能：把多路信號進行合成一個單一的信號。5. 接收接收/傳輸信號模塊傳輸信號模塊(from/goto)功能：功能：接收/傳輸信號模塊(from/goto)常常配合使用， from模塊用于從一個goto模塊中接收一個輸入信號，goto模塊用于把輸入信號傳遞給from模塊。6初始值設(shè)定模塊初始值設(shè)定模塊(ic)功能：功能：初始值設(shè)定模塊(ic)用于設(shè)定與輸出端口連接的模塊的初始值。第 7 章 simulink的應用 7.3.7 7.3.7 信號輸出模塊信號輸出模塊(sinks)(sinks)

19、 信號輸出模塊(sinks)包括的主要模塊如圖7.12所示。圖7.12 輸出顯示模塊庫第 7 章 simulink的應用 1. 示波器模塊示波器模塊(scope)功能：功能：顯示在仿真過程中產(chǎn)生的輸出信號，用于在示波器中顯示輸入信號與仿真時間的關(guān)系曲線，仿真時間為x軸。2. 二維信號顯示模塊二維信號顯示模塊(xy graph)功能：功能：在matlab的圖形窗口中顯示一個二維信號圖，并將兩路信號分別作為示波器坐標的x軸與y 軸，同時把它們之間的關(guān)系圖形顯示出來。3. 顯示模塊顯示模塊(display)功能：功能：按照一定的格式顯示輸入信號的值。可供選擇的輸出格式包括：short、long、sh

20、ort_e、long_e、bank等。4. 輸出到文件模塊輸出到文件模塊(to file)功能：功能：按照矩陣的形式把輸入信號保存到一個指定的mat文件。第一行為仿真時間，余下的行則是輸入數(shù)據(jù)，一個數(shù)據(jù)點是輸入矢量的一個分量。5. 輸出到工作空間模塊輸出到工作空間模塊(to workspace)功能：功能：把信號保存到matlab的當前工作空間，是另一種輸出方式。6. 終止信號模塊終止信號模塊(terminator)功能：功能：中斷一個未連接的信號輸出端口。7. 結(jié)束仿真模塊結(jié)束仿真模塊(stop simulation)功能：功能：停止仿真過程。當輸入為非零時，停止系統(tǒng)仿真。第 7 章 sim

21、ulink的應用 7.3.8信號源模塊庫信號源模塊庫(sources)信號源模塊庫(sources)包括的主要模塊如圖7.13所示。圖7.13 信號源模塊庫第 7 章 simulink的應用 1輸入常數(shù)模塊輸入常數(shù)模塊(constant)功能：功能：產(chǎn)生一個常數(shù)。該常數(shù)可以是實數(shù)，也可以是復數(shù)。2信號源發(fā)生器模塊信號源發(fā)生器模塊(signal generator)功能：功能：產(chǎn)生不同的信號，其中包括：正弦波、方波、鋸齒波信號。3從文件讀取信號模塊從文件讀取信號模塊(from file)功能：功能：從一個mat文件中讀取信號，讀取的信號為一個矩陣，其矩陣的格式與to file模塊中介紹的矩陣格式

22、相同。如果矩陣在同一采樣時間有兩個或者更多的列，則數(shù)據(jù)點的輸出應該是首次出現(xiàn)的列。4從工作空間讀取信號模塊從工作空間讀取信號模塊(from workspace)功能：功能：從matlab工作空間讀取信號作為當前的輸入信號。5隨機數(shù)模塊隨機數(shù)模塊(random number)功能：功能：產(chǎn)生正態(tài)分布的隨機數(shù)，默認的隨機數(shù)是期望為0，方差為1的標準正態(tài)分布量。6帶寬限制白噪聲模塊帶寬限制白噪聲模塊(band limited white noise)功能：功能：實現(xiàn)對連續(xù)或者混雜系統(tǒng)的白噪聲輸入。7其它模塊其它模塊 除以上介紹的常用模塊外，還包括其模塊。各模塊功能可通過以下方法查看：各模塊功能可通過

23、以下方法查看：先進入simulink工作窗口，在菜單中執(zhí)行help/simulink help命令，這時就會彈出help界面。然后用鼠標展開using simulinkblock referencesimulink blocklibraries就可以看到simulink的所有模塊。查看相應的模塊的使用方法和說明信息即可。 第 7 章 simulink的應用 7.4 仿真模型的建立與模塊參數(shù)與屬性的設(shè)置1. 1. 仿真模塊的建立仿真模塊的建立 首先啟動simulink命令，建立一個空的模塊窗口“untitled” ，然后利用simulink提供的模塊庫，在 此 窗 口 中 創(chuàng) 建 自 己 需 要

24、 的simulink模型。具體具體方法：方法：在模塊庫瀏覽器中找到所需模塊，選中該模塊后右擊鼠標，把它加入到一個模型窗口中即可完成模塊的建立。 圖圖7.14添加模塊添加模塊 第 7 章 simulink的應用 2. 2. 模塊參數(shù)與屬性的設(shè)置模塊參數(shù)與屬性的設(shè)置 方法：方法：在所建立的模型窗口中，選中相應的模塊，單擊右擊鼠標，在彈出的快捷菜單中單擊“block parameters”選項(如圖7.15所示)，即可打開該模塊的參數(shù)設(shè)置對話框，如圖7.16(a)所示。右擊鼠標，在彈出的快捷菜單中單擊“block properties”選項，即可打開該模塊的屬性設(shè)置對話框，如圖7.16(b)所示。圖

25、圖7.15 block paramenters選項選項 第 7 章 simulink的應用 3.3.模塊的連接模塊的連接 一般情況下，每個模塊都有一個或者多個輸入口或者輸出口。輸入口通常是模塊的左邊的“”符號；輸出口是右邊的“”符號。 模塊的連接方法：模塊的連接方法：把鼠標指針放到模塊的輸出口，這時，鼠標指針將變?yōu)椤?”十字形；然后，拖運鼠標至其它模塊的輸入口，這時信號線就變成了帶有方向箭頭的線段。此時，說明這兩個模塊的連接成功，否則需要重新進行連接。4.4.運行仿真運行仿真 在運行仿真之前，首先保存已設(shè)置和連接的模型，然后就可以運行仿真。第 7 章 simulink的應用 1. simuli

26、nk仿真注意仿真注意(1)simulink的數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)類型 由于simulink在仿真過程中，始終都要檢查模型的類型安全性。模型的類型安全性是指從該模型產(chǎn)生的代碼不出現(xiàn)上溢或者下溢現(xiàn)象，當產(chǎn)生溢出現(xiàn)象時，系統(tǒng)將出錯誤。查看模塊的數(shù)據(jù)類型的方法是：在模型窗口的菜單中執(zhí)行format/port data types命令，這樣每個模塊支持的數(shù)據(jù)類型就顯示出來了。要取消數(shù)據(jù)類型的查看方式，單擊port data types去掉其前面的勾號即可。7.4.3 simulink7.4.3 simulink仿真注意與技巧仿真注意與技巧圖7.23 查看模塊支持的數(shù)據(jù)類型第 7 章 simulink的應用 (

27、2) 數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)據(jù)的傳輸 在仿真過程中，simulink首先查看有沒有特別設(shè)置的信號的數(shù)據(jù)類型，以及檢驗信號的輸入和輸出端口的數(shù)據(jù)類型是否產(chǎn)生沖突。如果有沖突，simulink將停止仿真，并給出一個出錯提示對話框，在此對話框中將顯示出錯的信號以及端口，并把信號的路徑以高亮顯示。遇到該情形，必須改變數(shù)據(jù)類型以適應模塊的需要。(3)提高仿真速度提高仿真速度 simulink仿真過程，仿真的性能受諸多因素的影響，包括模型的設(shè)計和仿真參數(shù)的選擇等。對于大多數(shù)問題，使用simulink系統(tǒng)默認的解法和仿真參數(shù)值就能夠比較好地解決。因素及解決方法：因素及解決方法：(1)仿真的時間步長太小。針對這種情況可

28、以把最大仿真步長參數(shù)設(shè)置為默認值auto。(2)仿真的時間過長。可酌情減小仿真的時間。(3)選擇了錯誤的解法。針對這種情況可以通過改變解法器來解決。(4)仿真的精度要求過高。仿真時，如果絕對誤差限度太小，則會使仿真在接近零的狀態(tài)附近耗費過多時間。通常，相對誤差限為0.1%就已經(jīng)足夠了。(5)模型包含一個外部存儲塊。盡量使用內(nèi)置存儲模塊。第 7 章 simulink的應用 (4)改善仿真精度改善仿真精度 檢驗仿真精度的方法是：通過修改仿真的相對誤差限和絕對誤差限，并在一個合適的時間跨度反復運行仿真，對比仿真結(jié)果有無大的變化，如果變化不大，表示解是收斂的。說明仿真的精度是有效的，結(jié)果是穩(wěn)定的。如果

29、仿真結(jié)果不穩(wěn)定，其原因可參是系統(tǒng)本身不穩(wěn)定或仿真解法不適合。如果仿真的結(jié)果不精確，其原因很可能是：(1)模型有取值接近零的狀態(tài)。如果絕對誤差過大，會使仿真在接近零區(qū)域運行的仿真時間太小。解決的辦法是修改絕對誤差參數(shù)或者修改初始的狀態(tài)。(2)如果改變絕對誤差限還不能達到預期的誤差限，則修改相對誤差限，使可接受的誤差降低，并減小仿真的步長。第 7 章 simulink的應用 2. simulink2. simulink仿真技巧仿真技巧連接分支信號線連接分支信號線 先連接好單根信號線，然后將鼠標指針放在已經(jīng)連接好的信號線上，同時按住“ctrl”鍵，拖動鼠標，連接到另一個模塊。這樣就可以根據(jù)需由一個信

30、號源模塊，引出多條信號線。如圖7.28所示。圖7.28 引出多條信號線示例 模塊的編輯技巧模塊的編輯技巧(1)調(diào)整模塊大小 (2)在同一窗口復制模塊(3)刪除模塊(4)編輯模塊標簽第 7 章 simulink的應用 建模仿真的一般過程是：打開一個空白的編輯窗口；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)；將各個模塊按給定的框圖連接起來；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(jié)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；如果對結(jié)果滿意，可以將模型保存。第 7 章 simulink的應用 7.5 其它應用模塊集和simulink擴展庫1. 通信模塊集通信模塊集(communications blockset)圖7.31 通信模塊集中的模塊庫第 7 章 simulink的應用 2數(shù)字信號處理模塊集數(shù)字信號處理模塊集(dsp blockset)3. 電力系統(tǒng)模塊集電力系統(tǒng)模塊集(power system blockset)第 7 章 simulink的應用 4. simulink擴展庫擴展庫 擴展信號輸出模塊庫擴展信號輸出模塊庫(additional sinks)圖7.35 擴展信號輸出模塊庫第 7 章 simulink的應用 擴展離散庫擴展離散庫(additional discrete)擴展線性庫