Simulink仿真教程重點(diǎn)講義

1、Simulink仿真教程1.1 Simulink 基本操作1.1.1 啟動Simulinka)打開單擊MATLAB Command窗口工具條上的Simulink圖標(biāo)，或者在MATLAB命令窗口輸入Simulink，即彈出圖示的模塊庫窗口界面(Simulink Library Browser)。該界面右邊的窗口給出Simulink所有的子模塊庫。常用的子模塊庫有Sources(信號源)，Sink(顯示輸出),Continuous(線性連續(xù)系統(tǒng))，Discrete（線性離散系統(tǒng))，F(xiàn)unction & Table（函數(shù)與表格)，Math(數(shù)學(xué)運(yùn)算)， Discontinuities (非線

2、性)，Demo（演示）等。每個(gè)子模塊庫中包含同類型的標(biāo)準(zhǔn)模型，這些模塊可直接用于建立系統(tǒng)的Simulink框圖模型。可按以下方法打開子模塊庫:1) 用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊某子模塊庫(如【Continuous】)，Simulink瀏覽器右邊的窗口即顯示該子模塊庫包含的全部標(biāo)準(zhǔn)模塊。2)用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊Simulink菜單項(xiàng)，則彈出一菜單條，點(diǎn)擊該菜單條即彈出該子庫的標(biāo)準(zhǔn)模塊窗口.如單擊左圖中的【Sinks】,出現(xiàn)“Open the SinksLibrary”菜單條，單擊該菜單條，則彈出右圖所示的該子庫的標(biāo)準(zhǔn)模塊窗口。b)打開空白窗口模型模型窗口用來建立系統(tǒng)的仿真模型。只有先創(chuàng)建一個(gè)空白的模型窗口，才能將模

3、塊庫的相應(yīng)模塊復(fù)制到該窗口，通過必要的連接，建立起Simulink仿真模型。也將這種窗口稱為Simulink仿真模型窗口。以下方法可用于打開一個(gè)空白模型窗口：1) 在MATLAB主界面中選擇【File:New®Model】菜單項(xiàng)；2) 單擊模塊庫瀏覽器的新建圖標(biāo)；3) 選中模塊庫瀏覽器的【File : New ® Model】菜單項(xiàng)。所打開的空白模型窗口如圖所示。1.1.2 建立Simulink仿真模型a) 打開Simulink模型窗口(Untitled)b) 選取模塊或模塊組在Simulink模型或模塊庫窗口內(nèi)，用鼠標(biāo)左鍵單擊所需模塊圖標(biāo)，圖標(biāo)四角出現(xiàn)黑色小方點(diǎn)，表明該模

4、塊已經(jīng)選中。c)模塊拷貝及刪除在模塊庫中選中模塊后，按住鼠標(biāo)左鍵不放并移動鼠標(biāo)至目標(biāo)模型窗口指定位置，釋放鼠標(biāo)即完成模塊拷貝。模塊的刪除只需選定刪除的模塊，按Del鍵即可。d)模塊調(diào)整改變模塊位置、大?。桓淖兡K方向:使模塊輸入輸出端口的方向改變。選中模塊后，選取菜單FormatRotateBlock，可使模塊旋轉(zhuǎn)900。e)模塊參數(shù)設(shè)置用鼠標(biāo)雙擊指定模塊圖標(biāo)，打開模塊對話框，根據(jù)對話框欄目中提供的信息進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或修改。例如雙擊模型窗口的傳遞函數(shù)模塊，彈出圖示對話框，在對話框中分別輸入分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)，點(diǎn)擊OK鍵，完成該模型的設(shè)置，如右下圖所示：f)模塊的連接模塊之間的連接是用連接線將

5、一個(gè)模塊的輸出端與另一模塊的輸入端連接起來；也可用分支線把一個(gè)模塊的輸出端與幾個(gè)模塊的輸入端連接起來。連接線生成是將鼠標(biāo)置于某模塊的輸出端口(顯一個(gè)十字光標(biāo)) ，按下鼠標(biāo)左鍵拖動鼠標(biāo)置另一模塊的輸入端口即可。 分支線則是將鼠標(biāo)置于分支點(diǎn)，按下鼠標(biāo)右鍵，其余同上。操作流程如下：g)模塊文件的取名和保存選擇模型窗口菜單File Save as后彈出一個(gè)“Save as”對話框，填入模型文件名，按保存(s)即可。說明Ø 模塊的修改、調(diào)整、連接通常只能在仿真模型窗口中進(jìn)行，不要直接對模塊庫中的模塊進(jìn)行修改或調(diào)整。1.1.3 系統(tǒng)仿真運(yùn)行 1. Simulink模型窗口下仿真步驟a) 打開Si

6、mulink仿真模型窗口，或打開指定的.mdl文件;b) 設(shè)置仿真參數(shù)：在模型窗口選取菜單【Simulation: Parameters】,彈出 “Simulation Parameters” 對話框，設(shè)置仿真參數(shù)，然后按【OK】即可；說明若不設(shè)置仿真參數(shù),則采用Simulink缺省設(shè)置.c)仿真運(yùn)行和終止：在模型窗口選取菜單【Simulation: Start】，仿真開始，至設(shè)置的仿真終止時(shí)間，仿真結(jié)束。若在仿真過程中要中止仿真，可選擇【Simulation: Stop】菜單。也可直接點(diǎn)擊模型窗口中的（或）啟動（或停止）仿真。2. MATLAB 命令窗口下的仿真運(yùn)行在Matlab命令窗口下可

7、直接運(yùn)行一個(gè)已存在的Simulink模型：t,x,y=sim(model,timespan,option,ut)其中，t為返回的仿真時(shí)間向量；Ø x為返回的狀態(tài)矩陣；Ø y為返回的輸出矩陣；Ø model為系統(tǒng)Simulink模型文件名；Ø timespan為仿真時(shí)間；Ø option為仿真參數(shù)選擇項(xiàng)，由simset設(shè)置；Ø ut為選擇外部產(chǎn)生輸入,ut=T,u1,u2,un。說明Ø 上述參數(shù)中，若省略timespan,option,ut則由框圖模型的對話框Simulation Parameters設(shè)置仿真參數(shù)。9.2 模塊

8、庫和系統(tǒng)仿真9.2.1 Simulink模塊庫 1. Sources庫也可稱為信號源庫，該庫包含了可向仿真模型提供信號的模塊。它沒有輸入口，但至少有一個(gè)輸出口。雙擊圖標(biāo)即彈出該庫的模塊圖：在該圖中的每一個(gè)圖標(biāo)都是一個(gè)信號模塊，這些模塊均可拷貝到用戶的模型窗里。用戶可以在模型窗里根據(jù)自己的需要對模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置（但不可在模塊庫里進(jìn)行模塊的參數(shù)設(shè)置).1) Sine Wave：產(chǎn)生幅值、頻率可設(shè)置的正弦波信號。 雙擊圖標(biāo) (認(rèn)定該模塊已拷貝到用戶模型窗),彈出正弦波的參數(shù)設(shè)置框圖。圖中參數(shù)為Simulink默認(rèn)值，用戶可根據(jù)需要對這些參數(shù)重新設(shè)置。2) Step：產(chǎn)生幅值、階躍時(shí)間可設(shè)置的階躍信

9、號。 雙擊圖標(biāo), 彈出階躍信號的參數(shù)設(shè)置框圖。圖中參數(shù)為Simulink默認(rèn)值。2. Sinks 庫 1)該庫包含了顯示和寫模塊輸出的模塊。雙擊即彈出該庫的模塊圖： ：數(shù)字表，顯示指定模塊的輸出數(shù)值。2) ：X-Y繪圖儀用同一圖形窗口，顯示X-Y坐標(biāo)的圖形(需先在參數(shù)對話框中設(shè)置每個(gè)坐標(biāo)的變化范圍)，當(dāng)X、Y分別為正、余弦信號時(shí)，其顯示圖形如下：3) ：示波器。顯示在仿真過程產(chǎn)生的信號波形。雙擊該圖標(biāo),彈出示波器窗如右圖所示：示波器屬性對話框:【例9-1】示波器應(yīng)用示例。Simulink仿真模型如左圖所示，示波器輸入為3（Y軸個(gè)數(shù)為3）。右圖為該示波器顯示的三路輸入信號的波形. 3. Cont

10、inuous 庫 該庫包含描述線性函數(shù)的模塊。雙擊即彈出下圖：1) ：微分環(huán)節(jié)。其輸出為其輸入信號的微分。2) ：積分環(huán)節(jié)。其輸出為其輸入信號的積分。雙擊該模塊,彈出積分器的參數(shù)對話框,可設(shè)置積分器的復(fù)位、積分上限和下限等。當(dāng)設(shè)置為信號下跳過零復(fù)位、積分器限幅為5時(shí)，積分器對諧波輸入的輸出如圖所示：3) ：分子分母為多項(xiàng)式形式的傳遞函數(shù)。雙擊該模塊，彈出傳遞函數(shù)的參數(shù)對話框，設(shè)置框圖中的參數(shù)后，該傳遞函數(shù)顯示如下：4) ：零極點(diǎn)增益形式的傳遞函數(shù)。雙擊該模塊，彈出傳遞函數(shù)的參數(shù)對話框，設(shè)置框圖中的參數(shù)后，該傳遞函數(shù)顯示如下：4. Math 庫 該庫包含描述一般數(shù)學(xué)函數(shù)的模塊。雙擊即彈出右圖。該

11、庫中模塊的功能就是將輸入信號按照模塊所描述的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)計(jì)算，并把運(yùn)算結(jié)果作為輸出信號輸出。1) ：加法器。該模塊為求和裝置。求和器形狀，輸入信號個(gè)數(shù)和符號可設(shè)置，如右邊框圖。若設(shè)置如框圖。則模塊顯示為：2) ：符號函數(shù)。該模塊的輸出為輸入信號的符號。下圖為對正弦信號經(jīng)符號運(yùn)算后的波形。3) ：實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)。 右圖為該函數(shù)的參數(shù)設(shè)置框。點(diǎn)擊函數(shù)設(shè)置的下拉窗口，可選擇所需要的函數(shù)。選定函數(shù)后，該模塊圖標(biāo)將顯示所選函數(shù)。如選擇“Square”，則模塊圖標(biāo)變?yōu)椋?. Signals & Systems 庫1) ：信號分路器 。 將混路器輸出的信號依照原來的構(gòu)成方法分解成多路信號。2) ：

12、信號匯總器 將多路信號依照向量的形式混合成一路信號。 1.2.2 Simulink環(huán)境下的仿真運(yùn)行 1. 仿真參數(shù)對話框 1) Solver頁Simulation time（仿真時(shí)間）: 設(shè)置Start time（仿真開始時(shí)間）和Stop time（仿真終止時(shí)間）可通過頁內(nèi)編輯框內(nèi)輸入相應(yīng)數(shù)值，單位“秒”。另外，用戶還可以利用Sinks庫中的Stop模塊來強(qiáng)行中止仿真。Solver options（仿真算法選擇）: 分為定步長算法和變步長算法兩類。定步長支持的算法可在Fixed step size編輯框中指定步長或選擇auto，由計(jì)算機(jī)自動確定步長，離散系統(tǒng)一般默認(rèn)地選擇定步長算法，在實(shí)時(shí)控制

13、中則必須選用定步長算法；變步長支持的算法如圖9-16所示，對于連續(xù)系統(tǒng)仿真一般選擇ode45，步長范圍使用auto項(xiàng)。Error Tolerance（誤差限度）： 算法的誤差是指當(dāng)前狀態(tài)值與當(dāng)前狀態(tài)估計(jì)值的差值，分為Relative tolerance（相對限度）和Absolute tolerance（絕對限度），通常可選auto。Output options(輸出選擇項(xiàng))：有Refine output(細(xì)化輸出）、Produce additional output（產(chǎn)生附加輸出）、Produce specified output only（只產(chǎn)生指定輸出）。2) Workspace I/O頁

14、 這個(gè)頁面的作用是定義將仿真結(jié)果輸出到工作空間，以及從工作空間得到輸入和初始狀態(tài)。Ø Load from workspace：勾選相應(yīng)方框表明從工作空間獲得輸入或初始狀態(tài)。 若勾選Input，則工作空間提供輸入，且為矩陣形式。輸入矩陣的第一列必須是升序的時(shí)間向量，其余列分別對應(yīng)不同的輸入信號。Ø Save to workspace：勾選相應(yīng)方框表明保存輸出到MATLAB工作空間。 time 和 output 為缺省選中的。即一般運(yùn)行一個(gè)仿真模型后，在MATLAB 工作空間都會增加兩個(gè)變量tout、yout。變量名可以設(shè)置。Ø Save options（存儲選項(xiàng)）：

15、存儲數(shù)據(jù)到工作空間的格式，可選數(shù)組、構(gòu)架數(shù)組、包含時(shí)間數(shù)據(jù)的構(gòu)架數(shù)組。2. Simulink中的LTI Viewer 在Simulink中建立的仿真模型也可直接輸入到LTI Viewer中進(jìn)行分析，具體方法如下:1) 在Simulink 模型窗建立起仿真模型(線性系統(tǒng))。2) 點(diǎn)擊Simulink模型窗上的【Tool：Linear analysis】，在彈出的界面中將輸入輸出接點(diǎn)分別復(fù)制到仿真模型的輸入和輸出。3) 再次點(diǎn)擊SIMULINK模型窗上的Tool®Linear analysis，打開LTI Viewer仿真界面，點(diǎn)擊該界面上Simulink ®Get Linea

16、rized Model選項(xiàng)，即畫出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，表明SIMULINK中的仿真模型已和LTI Viewer相連接，因此可利用LTI Viewer對該系統(tǒng)進(jìn)行分析。4) 如果在Simulink模型窗對已輸入到LTI Viewer中的模型進(jìn)行了修改，應(yīng)重復(fù)步驟（3）重新裝入模型，并刪除掉舊模型。方法是點(diǎn)擊LTI Viewer仿真界面上的【Edit®Delete systems】，在彈出的對話框中，進(jìn)行模型的刪除，如圖1.3 子系統(tǒng)創(chuàng)建與封裝在建立的Simulink系統(tǒng)模型比較大或很復(fù)雜時(shí)，可將一些模塊組合成子系統(tǒng)，這樣可使模型得到簡化，便于連線；可提高效率，便于調(diào)試；可生成層次化的模

17、型圖表，用戶可采取自上而下或自下而上的設(shè)計(jì)方法。將一個(gè)創(chuàng)建好的子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，也就是使子系統(tǒng)象一個(gè)模塊一樣，例如可以有自己的參數(shù)設(shè)置對話框，自己的模塊圖標(biāo)等。這樣就使子系統(tǒng)使用起來非常方便。 1.3.1 子系統(tǒng)的創(chuàng)建1. 通過子系統(tǒng)模塊來建立子系統(tǒng)在Simulink庫瀏覽器，有一個(gè)子系統(tǒng)(Subsystems)的庫模塊(有的版本在Signals & Systems子庫里)，點(diǎn)擊該圖標(biāo)即可看到不同類型的子系統(tǒng)模塊。下面以PID控制器子系統(tǒng)創(chuàng)建，說明子系統(tǒng)的創(chuàng)建過程：1) 將子系統(tǒng)庫模塊中的Subsystem模塊復(fù)制到模型窗，如圖9-23。2) 雙擊該圖標(biāo)即打開該子系統(tǒng)的編輯窗口，如圖9-

18、24；3) 將組成子系統(tǒng)的模塊填加到子系統(tǒng)編輯窗口：4) 將模塊按設(shè)計(jì)要求連接：5) 設(shè)置子系統(tǒng)各模塊參數(shù)（可以是變量）；修改 in1 和 out1 模塊下面的標(biāo)簽；6) 關(guān)閉子系統(tǒng)的編輯窗口，返回模型窗口，修改子系統(tǒng)的標(biāo)簽（PID），該P(yáng)ID子系統(tǒng)即可作為模塊在構(gòu)造系統(tǒng)模型時(shí)使用。2. 組合已存在的模塊來建立子系統(tǒng)如果現(xiàn)有的模型已經(jīng)包含了需要轉(zhuǎn)化成子系統(tǒng)的模塊，就可以通過組合這些模塊的方式建立子系統(tǒng)。步驟如下：1) 確定需建立Subsystem的模型（被選中的均標(biāo)記有黑塊）2) 點(diǎn)擊模型窗Edit菜單下的Create Subsystem 命令，則所選定的模型組合自動轉(zhuǎn)化成子系統(tǒng)：3) 雙擊該

19、圖標(biāo)，可打開該子系統(tǒng)窗口，改寫輸入輸出符號：4) 關(guān)閉子系統(tǒng)編輯窗口，設(shè)置子系統(tǒng)標(biāo)簽，則系統(tǒng)模型如下圖所示：1.3.2 子系統(tǒng)的封裝 子系統(tǒng)可以建立自己的參數(shù)設(shè)置對話框，以避免對子系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)模塊分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，因此在子系統(tǒng)建立好以后，需對其進(jìn)行封裝。子系統(tǒng)封裝的基本步驟如下 設(shè)置好子系統(tǒng)中各模塊的參數(shù)變量； 定義提示對話框及其特性； 定義被封裝子系統(tǒng)的描述和幫助文檔； 定義產(chǎn)生模塊圖標(biāo)的命令。1. 設(shè)置子系統(tǒng)參數(shù)變量將原子系統(tǒng)中的常數(shù)改為變量,其中飽和環(huán)節(jié)的上、下限分別設(shè)為au、ab (需打開該環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置框).2. 產(chǎn)生提示對話框 選擇需要封裝的子系統(tǒng)，從模型窗口的 Edit 菜單選擇

20、Mask Subsystem命令，即彈出封裝編輯器：該編輯器分為四頁(MATLAB6.5版)： Icon(圖標(biāo))頁 Parameters(參數(shù)頁) Initialiation(初始化)頁 Documentation(文檔)頁其中對于子系統(tǒng)封裝, 最關(guān)鍵的是Parameters項(xiàng)，用于設(shè)置參數(shù)變量及其類型等。n 假定子系統(tǒng)（Nonlinear system）的參數(shù)變量名已由封裝編輯器全部輸入。雙擊該子系統(tǒng)圖標(biāo)，即彈出如圖所示子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置框圖。如圖所示逐欄輸入與變量所對應(yīng)的參數(shù)，即完成對該子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。9.3.3 條件子系統(tǒng)1. 使能子系統(tǒng)該子系統(tǒng)當(dāng)使能端控制信號為正時(shí)，系統(tǒng)處于“允許”狀態(tài)，否則為“禁止”狀態(tài)?！笆鼓堋笨刂菩盘柨梢詾闃?biāo)量，也可以為向量。當(dāng)為標(biāo)量信號時(shí)，只要該信號大于零，子系統(tǒng)就開始執(zhí)行；當(dāng)為向量信號時(shí)，只要其中一個(gè)信號大于零，也“使能”子系統(tǒng)。【例9-3】積分分離式PID控制器。這種PID控制器可以讓控制