MATLAB中Simulink基礎應用

1、安慶師范學院物理與電氣工程學院第七章第七章 Simulink基礎基礎 Simulink是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的集成環(huán)境是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的集成環(huán)境,可以可以實現(xiàn)數(shù)字信號仿真、自動控制仿真等實現(xiàn)數(shù)字信號仿真、自動控制仿真等第第1節(jié)節(jié) Simulink初步初步一、一、 Simulink簡介簡介 Simulink提供了圖形化用戶界面，可以輕易地完成提供了圖形化用戶界面，可以輕易地完成模型的創(chuàng)建、調(diào)試和仿真工作。它提供了大量的系模型的創(chuàng)建、調(diào)試和仿真工作。它提供了大量的系統(tǒng)模塊，包括了信號、運算、顯示和系統(tǒng)等方面的統(tǒng)模塊，包括了信號、運算、顯示和系統(tǒng)等方面的功能。功能。 Simulink模塊分

2、層樹形排列，便于用戶查找、使用模塊分層樹形排列，便于用戶查找、使用 Simulink內(nèi)置的分析工具：仿真算法、系統(tǒng)線性化、內(nèi)置的分析工具：仿真算法、系統(tǒng)線性化、尋求平衡點等。尋求平衡點等。安慶師范學院物理與電氣工程學院2Simulink仿真結(jié)果可以顯示也可以保存。仿真結(jié)果可以顯示也可以保存。模型建構(gòu)和定義+模型的分析顯示修正Simulink可以仿真線性或非線性系統(tǒng)；能創(chuàng)建連可以仿真線性或非線性系統(tǒng)；能創(chuàng)建連續(xù)時間、離散時間或者混合的系統(tǒng)。續(xù)時間、離散時間或者混合的系統(tǒng)。Simulink支持多采樣頻率系統(tǒng)，即可以以不同的支持多采樣頻率系統(tǒng)，即可以以不同的采樣頻率進行組合，可以仿真較大的復雜系統(tǒng)采

3、樣頻率進行組合，可以仿真較大的復雜系統(tǒng)Simulink操作框圖操作框圖安慶師范學院物理與電氣工程學院二、運行二、運行 SimulinkSimulink三、三、Simulink幫助幫助右鍵單擊模塊，選擇右鍵單擊模塊，選擇help菜單菜單DEMOS雙擊子項，打開示范模塊雙擊子項，打開示范模塊四、退出 Simulink關閉所有模型編輯窗口和關閉所有模型編輯窗口和SimulinkSimulink模塊庫瀏覽器窗口模塊庫瀏覽器窗口 在啟動在啟動Simulink模塊庫瀏覽器后再單擊其工具欄模塊庫瀏覽器后再單擊其工具欄中的中的Create a new model命令按鈕，會彈出模型命令按鈕，會彈出模型編輯窗口

4、。利用模型編輯窗口，可以通過鼠標的編輯窗口。利用模型編輯窗口，可以通過鼠標的拖放操作創(chuàng)建一個模型。拖放操作創(chuàng)建一個模型。 在在MATLAB的命令窗口輸入的命令窗口輸入simulink或單擊或單擊MATLAB主主窗口工具欄上的窗口工具欄上的Simulink命令按鈕即可啟動命令按鈕即可啟動Simulink。Simulink啟動后會顯示啟動后會顯示Simulink模塊庫瀏覽器模塊庫瀏覽器(Simulink Library Browser)窗口。窗口。安慶師范學院物理與電氣工程學院第第2 2節(jié)節(jié) SimulinkSimulink 的基本模塊的基本模塊 SimulinkSimulink有大量的模塊，可以

5、在有大量的模塊，可以在SimulinkSimulink Library BrowLibrary Brow左側(cè)窗口的選定模塊單擊右鍵，打開左側(cè)窗口的選定模塊單擊右鍵，打開對應選項的子模型，也可以直接在右側(cè)窗口選擇子對應選項的子模型，也可以直接在右側(cè)窗口選擇子模型。模型。一、信號源模型庫一、信號源模型庫SourceSource 17 17種信號源模塊，有各種信號輸入方法種信號源模塊，有各種信號輸入方法In1In1輸入端輸入端 ConstantConstant常量常量 PulsePulse脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器SineSine正弦波正弦波 StepStep階躍信號階躍信號 ClockClock當前時間

6、當前時間Signal generatorSignal generator信號發(fā)生器信號發(fā)生器From WorkspaceFrom Workspace 從工作空間讀取數(shù)據(jù)從工作空間讀取數(shù)據(jù)Random NumberRandom Number隨機信號隨機信號Uniform Random NumberUniform Random Number均勻隨機信號均勻隨機信號Band_LimitedBand_Limited Random Number Random Number帶限白噪聲帶限白噪聲安慶師范學院物理與電氣工程學院基于時間基于時間(time based),(time based),且采且采樣時間樣

7、時間sample time=0sample time=0為連續(xù)為連續(xù)信號信號波形幅值波形幅值角頻率角頻率初始相位初始相位每點采樣時間每點采樣時間非信源模塊：非信源模塊：Sample time=-1,則繼承前面的則繼承前面的信號采樣時間信號采樣時間偏置偏置基于采樣點基于采樣點(sample based)(sample based)離散信號時離散信號時, ,為為sample sample per period,per period,每個周期每個周期的采樣點的采樣點基于采樣點基于采樣點(sample based),(sample based),且采樣時間且采樣時間sample time=nsampl

8、e time=n時時, ,該信號為離散信號該信號為離散信號: :周周期期=sample time=sample time* *sample per periodsample per period安慶師范學院物理與電氣工程學院二、信宿模型庫二、信宿模型庫Sinks1Sinks1OutOut輸出端輸出端ScopeScope示波器示波器XY GraphXY GraphXYXY關系圖關系圖DisplayDisplay實時數(shù)值顯示實時數(shù)值顯示To WorkspaceTo Workspace輸出到工作空間輸出到工作空間TerminateTerminate通用終端，用于端口無輸出時，避通用終端，用于端口無輸

9、出時，避免系統(tǒng)提示錯誤信息免系統(tǒng)提示錯誤信息Stop SimulationStop Simulation輸入非輸入非0 0時停止仿真時停止仿真, ,一般情一般情況下接況下接“關系算子模塊關系算子模塊”安慶師范學院物理與電氣工程學院屬性設置縮放按鈕自動滿刻度顯示坐標軸 1坐標軸 2坐標軸 3浮動示波器選擇信號來源安慶師范學院物理與電氣工程學院三、連續(xù)系統(tǒng)模塊庫三、連續(xù)系統(tǒng)模塊庫ContinuousContinuousIntegratorIntegrator積分器積分器 DerivativeDerivative微分器微分器MemoryMemory延時輸出，用以切斷代數(shù)環(huán)，提高計延時輸出，用以切斷代

10、數(shù)環(huán)，提高計算速度算速度 Zero-poleZero-pole零極點，零極點，State-SpaceState-Space狀態(tài)方程狀態(tài)方程Transfer FcnTransfer Fcn傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) Transfer DelayTransfer Delay傳輸延時傳輸延時 Transfer FcnTransfer Fcn可變傳輸延時可變傳輸延時安慶師范學院物理與電氣工程學院四、離散系統(tǒng)模塊庫四、離散系統(tǒng)模塊庫DiscreteDiscreteZero-Order HoldZero-Order Hold零階保持器零階保持器, ,保持保持sample time sample time Unit

11、Delay Unit Delay 單位延遲單位延遲采樣保持采樣保持Discrete-Time integeratorDiscrete-Time integerator離散時間積分器離散時間積分器Discrete State-SpaceDiscrete State-Space離散狀態(tài)方程離散狀態(tài)方程Discrete Transfer FcnDiscrete Transfer Fcn離散傳遞函數(shù)離散傳遞函數(shù) DiscreteDiscrete Zero-PoleZero-Pole離散離散零極點零極點安慶師范學院物理與電氣工程學院五、數(shù)學運算模塊庫五、數(shù)學運算模塊庫MathMathSum 求和求和 R

12、ounding function取整取整Combinatorial Logic 邏輯真值表邏輯真值表Logical Operator 邏輯算子邏輯算子Relational Operator 關系算子關系算子Gain 常數(shù)增益常數(shù)增益 Slider Gain 可變增益可變增益Sign 符號函數(shù)符號函數(shù) Trigonometric Function 三角函數(shù)三角函數(shù)Abs 求絕對值求絕對值安慶師范學院物理與電氣工程學院六、信號與系統(tǒng)模塊庫六、信號與系統(tǒng)模塊庫Signal &SystemsSignal &SystemsMux 多路復合器多路復合器Demux多路分離器多路分離器Data

13、 type conversion 數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換安慶師范學院物理與電氣工程學院第第3節(jié)節(jié) Simulink建模建模一、模塊的創(chuàng)建與操作一、模塊的創(chuàng)建與操作1、創(chuàng)建模塊創(chuàng)建模塊瀏覽列表中選擇模塊瀏覽列表中選擇模塊左鍵拖至模塊窗口適當位置左鍵拖至模塊窗口適當位置 雙擊模塊設置參數(shù)雙擊模塊設置參數(shù) 雙擊模塊名修改模塊名雙擊模塊名修改模塊名 2、模塊操作、模塊操作模塊選擇：單擊模塊選擇：單擊模塊移動：選擇并拖動模塊移動：選擇并拖動模塊縮放：拖動四個標記點模塊縮放：拖動四個標記點復制模塊：復制模塊： copy paste模塊旋轉(zhuǎn)：模塊旋轉(zhuǎn)：format rotate block順時針順時針90

14、0 /次次模塊翻轉(zhuǎn)：模塊翻轉(zhuǎn)：format flip block順時針順時針1800 /次次安慶師范學院物理與電氣工程學院 模塊連接：輸出處至輸入處模塊連接：輸出處至輸入處,十字形十字形狀為連線狀態(tài)狀為連線狀態(tài) 連接分支線：鼠標右鍵拖動；或用連接分支線：鼠標右鍵拖動；或用Ctrl+左鍵左鍵 斜線連接：斜線連接：Shift+左鍵左鍵 連線標識：雙擊鼠標左鍵添加或修改連線標識：雙擊鼠標左鍵添加或修改 信號線寬度顯示：信號線寬度顯示：fomat wide vectorlines 信號線頻率顏色：信號線頻率顏色：fomat sample time color 黑色表示連續(xù)信號線，黑色表示連續(xù)信號線，其

15、他顏色其他顏色依次表示離散信號依次表示離散信號的采樣頻率高低的采樣頻率高低安慶師范學院物理與電氣工程學院3、簡單模型舉例、簡單模型舉例信號發(fā)生器信號發(fā)生器生成生成幅值值為幅值值為1，頻，頻率為率為0.2Hz的正弦的正弦信號，信號分兩信號，信號分兩路，一路去示波路，一路去示波器，另一路放大器，另一路放大5倍后送至另一倍后送至另一個示波器。個示波器。SignalGeneratorScope1Scope5Gain正弦波形正弦波形信號幅值信號幅值信號頻率信號頻率頻率單位頻率單位常數(shù)增益常數(shù)增益示波器示波器安慶師范學院物理與電氣工程學院二、模塊的修飾二、模塊的修飾1、模塊陰影模塊陰影 fomat sho

16、w drop shadow2、模塊顏色、模塊顏色 前景前景 fomat foreground color 背背景景 fomat background color 屏幕顏色屏幕顏色 fomat screen color3、改變模塊名的顯示位置、改變模塊名的顯示位置 對稱位置對調(diào)：對稱位置對調(diào)：fomat flip name 隱藏模塊名：隱藏模塊名： fomat hide name安慶師范學院物理與電氣工程學院1s+1Transfer Fcnsimout1To Workspace1simoutTo WorkspaceSignalGeneratorScope2Scope1RandomNumber4

17、4、模塊修飾簡、模塊修飾簡例例 安慶師范學院物理與電氣工程學院第第4節(jié)節(jié) 仿真計算與分析方法仿真計算與分析方法一、連續(xù)系統(tǒng)建模一、連續(xù)系統(tǒng)建模1、用積分模塊創(chuàng)建求解微分方程的模型、用積分模塊創(chuàng)建求解微分方程的模型【例【例9-1】使用】使用Simulink的積分模塊求解二階微分方程：的積分模塊求解二階微分方程：x+0.2x+0.4x =0.2u(t) ，u (t) 是單位階躍函數(shù)是單位階躍函數(shù)思路思路:利用連續(xù)系統(tǒng)模塊庫中的積分器利用連續(xù)系統(tǒng)模塊庫中的積分器Integrator，解，解微分方程。微分方程。 改寫微分方程，使最高階微分移至等式左端改寫微分方程，使最高階微分移至等式左端: 建模仿真：

18、階躍信號建模仿真：階躍信號Step ，求和，求和sum,常數(shù)增益常數(shù)增益gain,積分器積分器,示波器示波器scope，工作空間模塊，工作空間模塊To workspace等等x =0.2u(t) -0.2x-0.4x安慶師范學院物理與電氣工程學院0.2u(t)xxx0.2x0.4xu(t)simyTo WorkspaceScope1sIntegrator11sIntegrator0.2Gain20.4Gain10.2GainClock輸出帶時間的模輸出帶時間的模型輸出型輸出單端輸入示波器單端輸入示波器積分器積分器矩形加法器矩形加法器常數(shù)增益常數(shù)增益階躍信號階躍信號外部復位設置外部復位設置容差設

19、置容差設置初始條件初始條件初始條件來源初始條件來源輸出范圍限制輸出范圍限制輸出上限輸出上限輸出下限輸出下限狀態(tài)輸出狀態(tài)輸出安慶師范學院物理與電氣工程學院2、用傳遞函數(shù)求微分方程、用傳遞函數(shù)求微分方程【例【例9-2】使用】使用Simulink的傳遞函數(shù)模塊求解二階微分方程：的傳遞函數(shù)模塊求解二階微分方程：x+0.2x+0.4x=0.2u (t) ，u (t) 是單位階躍函數(shù)是單位階躍函數(shù)思路思路:對微分方程作對微分方程作laplace變換，移項整理后求得傳遞函數(shù)，變換，移項整理后求得傳遞函數(shù)，利用連續(xù)系統(tǒng)模塊庫中的傳遞函數(shù)模塊利用連續(xù)系統(tǒng)模塊庫中的傳遞函數(shù)模塊Transfer Fcn ，解微，解

20、微分方程。分方程。)(2 . 0)(4 . 0)(2 . 0)(2sUsXssXsXs)4 . 02 . 0/(2 . 0)(/ )()(2sssUsXsG作作laplace變換變換移項整理移項整理建模仿真：建模仿真： 階躍信號階躍信號Step ，示波器，示波器scope，傳遞函數(shù)模，傳遞函數(shù)模塊塊Transfer Fcn等等安慶師范學院物理與電氣工程學院u(t)0.2s +0.2s+0.42Transfer FcnScope階躍信號階躍信號傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)示波器示波器階躍時間階躍時間階躍初始值階躍初始值階躍終值階躍終值傳遞函數(shù)分子式傳遞函數(shù)分子式傳遞函數(shù)分母式傳遞函數(shù)分母式容差容差安慶師范學

21、院物理與電氣工程學院二、二、Simulink仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析1、仿真參數(shù)的認識與設置、仿真參數(shù)的認識與設置解算器設置解算器設置 solver仿真終止時間仿真終止時間解算器參數(shù)解算器參數(shù)設置：根據(jù)設置：根據(jù)具體對象設具體對象設置，主要分置，主要分為變步長和為變步長和定步長定步長兩種容差兩種容差通信仿真時應設通信仿真時應設為離散參數(shù)為離散參數(shù)每步長采樣數(shù)每步長采樣數(shù)安慶師范學院物理與電氣工程學院輸入、輸出參數(shù)輸入、輸出參數(shù) 輸入設置輸入設置仿真輸出變量仿真輸出變量輸出時間變量設置輸出時間變量設置記錄最后的指定數(shù)據(jù)長度記錄最后的指定數(shù)據(jù)長度保存頻度保存頻度: :每隔多少每隔多少點保存一次點保

22、存一次數(shù)據(jù)記錄格式：數(shù)據(jù)記錄格式：structure with time; structure; array安慶師范學院物理與電氣工程學院2、輸出信號的觀察、輸出信號的觀察輸出到顯示模塊輸出到顯示模塊示波器：示波器：scopescope135246Display3x2ConstantXY GraphSine WaveClockXYXY圖形：圖形：XY GraphXY Graph數(shù)字顯示：數(shù)字顯示：display display 可以單行或多行顯示可以單行或多行顯示安慶師范學院物理與電氣工程學院仿真結(jié)果存儲到工作空間仿真結(jié)果存儲到工作空間仿真參數(shù)設置仿真參數(shù)設置:Simulink paramet

23、re:Simulink parametre輸出變量名輸出變量名取結(jié)束時刻以前取結(jié)束時刻以前指定數(shù)據(jù)長度指定數(shù)據(jù)長度取值頻度取值頻度采樣間隔采樣間隔,-1,-1為繼為繼承前面信號頻率承前面信號頻率輸出變量類型輸出變量類型示波器示波器To workspaceTo workspace模塊模塊安慶師范學院物理與電氣工程學院時間范圍時間范圍坐標軸數(shù)坐標軸數(shù)采樣和顯示頻度采樣和顯示頻度采樣和顯示頻度：采樣和顯示頻度：當為當為0 0時，則采用系時，則采用系統(tǒng)默認頻率統(tǒng)默認頻率安慶師范學院物理與電氣工程學院輸出到工作空間變量輸出到工作空間變量數(shù)據(jù)記錄長度數(shù)據(jù)記錄長度變量名變量名數(shù)據(jù)記錄類型數(shù)據(jù)記錄類型安慶師范

24、學院物理與電氣工程學院3、一般性分析、一般性分析A B C D= linmod（模型名稱模型名稱） 獲取非線性系統(tǒng)的獲取非線性系統(tǒng)的近似近似線性模型線性模型【例【例9-3】對于下面的模型】對于下面的模型lmod，使用，使用Simulink獲取線獲取線性系統(tǒng)的性系統(tǒng)的狀態(tài)空間狀態(tài)空間矩陣矩陣2Out21Out12s+1Transfer Fcn12s +s+12Transfer Fcn1In1 A B C D=linmod(lmod) 輸入端口數(shù)輸入端口數(shù)1系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)3輸出端口數(shù)輸出端口數(shù)2推導推導對于一線性系統(tǒng)對于一線性系統(tǒng):輸入?yún)?shù)向量輸入?yún)?shù)向量um,狀態(tài)參數(shù)向量狀態(tài)參數(shù)向量xn

25、;輸輸出參數(shù)向量出參數(shù)向量yk。狀態(tài)方程狀態(tài)方程A,B,C和和D表示表示:DuCxyBuAxx對于對于A、B、C和和D由右由右式計算所得：式計算所得：jiijjiijjiijjiijuydxycuxbxxa;)()()()(mkDnkCmnBnnA狀態(tài)空間矩陣安慶師范學院物理與電氣工程學院輸入端口:1 輸出端口:2系統(tǒng)狀態(tài):3120001211A001B200020C10D輸入端口數(shù)輸入端口數(shù):m 系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù):n輸出端口數(shù)輸出端口數(shù):k)()()()(mkDnkCmnBnnA狀態(tài)空間矩陣下面是下面是lmod模型的用傳遞函數(shù)之前的原始模型模型的用傳遞函數(shù)之前的原始模型lmod_inti

26、aliztion1322132312132112222uxyxyxxxxxuxxxx由狀態(tài)方程由狀態(tài)方程A A、B B、C C和和D D ，可得微分方程如下，可得微分方程如下1321132110200020001120001211uxxxyuxxxxx1x2x2x3x32Out21Out11sIntegrator31sIntegrator11sIntegrator2Gain22Gain12Gain1In1輸入端口數(shù)輸入端口數(shù)1 1系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)3 3輸出端口數(shù)輸出端口數(shù)2 2安慶師范學院物理與電氣工程學院【例【例9-4】使用】使用ss（state-space）函數(shù)將狀態(tài)空間矩）函數(shù)將狀態(tài)

27、空間矩陣形式化陣形式化,轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為LTI對象對象(LTI:linear time-invariant線線性時不變系統(tǒng)性時不變系統(tǒng)) sys=ss(A,B,C,D)a = x1 x2 x3 x1 -1 0 2 x2 -2 -1 -1 x3 0 1 0 b = u1 x1 0 x2 1 x3 0c = x1 x2 x3 y1 -2 0 0 y2 0 0 2d = u1 y1 1 y2 0Continuous-time model【例【例9-5】使用】使用Simulink繪制波德頻響圖形繪制波德頻響圖形bode(A,B,C,D)-20020To: Out(1)-360-1800To: Out(1)

28、-1000100To: Out(2)10-210-1100101102-360-1800To: Out(2)Bode DiagramFrequency (rad/sec)Magnitude (dB) ; Phase (deg)安慶師范學院物理與電氣工程學院【例【例9-6】使用】使用Simulink繪制階躍和脈沖信號時間繪制階躍和脈沖信號時間響應圖形響應圖形step(A,B,C,D)%打開打開lmod_step、lmod_intializtion_step模型對比模型對比impulse(A,B,C,D) -1000-500050010001500To: Out(1)0102030405060708090100-1500-1000-50005001000To: Out(2)Step ResponseTime (sec)Amplitude-100-50050100To: Out(1)0102030405060-100-50050100To: Out(2)Impulse ResponseTime (sec)Amplitude安慶師范學院物理與電氣工程學院4 4、求系統(tǒng)平衡點、求系統(tǒng)平衡點 非線性系統(tǒng)中，分析評估系統(tǒng)穩(wěn)定性非線性系統(tǒng)中，分析評估系統(tǒng)穩(wěn)定性或穩(wěn)定狀態(tài)時需要計算平衡點或穩(wěn)定狀態(tài)時需要計算平衡點當要使輸出為當