Matlab控制系統(tǒng)仿真(3)

1、-岡線性系統(tǒng)Simulink仿真應(yīng)用前面一直側(cè)重于線性系統(tǒng)的建模和分析，并未涉及非線性系統(tǒng)的分析方法。在實際中，所有的系統(tǒng)都是非 線性的，其中有的系統(tǒng)非線性不是很明顯，所以可以忽略其非線性特性，將其簡化成線性系統(tǒng)進行處理，這樣 用線性系統(tǒng)的理論和分析方法就可以直接進行分析了。然而有些系統(tǒng)非線性嚴(yán)重，不能忽略其非線性特性將其 簡化成線性系統(tǒng)進行處理，這樣就要求建立非線性系統(tǒng)的建模和分析方法。Matlab下提供的Simulink環(huán)境是解決非線性系統(tǒng)建模、分析和仿真的理想工具。可以用來進行非線性系統(tǒng) 的分析和仿真。它提供了各種各樣的模塊，允許用戶用框圖的形式搭建起任意復(fù)雜的系統(tǒng)，從而對系統(tǒng)進行準(zhǔn) 確

2、的仿真。Simulink是Matlab的一個重要組成部分，它提供的模塊有一般線性、非線性控制系統(tǒng)所需的模塊， 也有更高層的模塊，例如電氣系統(tǒng)模塊集中提供的電機模塊，SimMechanics提供的剛體及關(guān)節(jié)模塊等。滿足用戶對所感興趣的系統(tǒng)進行仿真的要求。Simulink提供了各種可以應(yīng)用到控制系統(tǒng)仿真的模塊，支持一般的控制系統(tǒng)仿真。此外還提供了各種工程 應(yīng)用中可能使用的模塊，如電機系統(tǒng)，通信系統(tǒng)等模塊集，可以直接進行建模和仿真研究。單擊Matlab命令窗口工具欄中的 Simulink圖標(biāo)，可以打開 Simulink模塊瀏覽器窗口，如下圖所示。n SiMulint Library Browser3

3、. 1 Simulink常用模塊簡介從上面的Simulink模塊瀏覽器的主窗口可以看出，Simulink提供了很多的子模塊組，每個子模塊組還包含眾多的下一級子模塊和模塊組，由這些模塊相互連接就可以按需要搭建復(fù)雜的系統(tǒng)模型。這里對常用的模塊進 行簡單的介紹如下：輸入模塊組（Sources）提供用來驅(qū)動系統(tǒng)，作為系統(tǒng)輸入信號源的模塊。如下圖示。主要包含：階躍輸入模塊SteP、時鐘模塊Clock、 信號發(fā)生器Signal Generator、文件輸入模塊From File、正弦信號輸入模塊 Sine、斜坡信號輸入端子 Ramp、脈 沖信號模塊、周期信號發(fā)生器 Rep eati ng Seque ne

4、e等。H SiBulinh Libra.ry BrowserFile Edit Vi ew KelpChirp Signal： Output a linear chirp signal (sine wave 就3eSimulinkCntinuoiisunHtlwd.rpdt Pr卯 Filef,lBiEcontiikiii ti es discreteLaok"Up T aLIa s Math Oprations Model Verifi eati anHodel-Wi ie Utili tiesParts & Subsystems Signal Attributes Si

5、護al Ranting SinksSources臥I User-Defined Functions Aerospace BlecksetCDHA Referenc BlocksetnonmiiTPi rs 11 nriT R1 nrkst“J11GroimdIniJinRampRepeating Sequence00Fulsft GeneratorRuklom HumberSignal Generator輸出池模塊組（Sinks）輸出池模塊組允許用戶將仿真結(jié)果用不同的形式輸出出來。R*ady常用的模塊有示波器模塊Scope和Floating Scope、X Y軌跡示波器 XY Graph、數(shù)字

6、顯示模塊 Dis play、存文件模塊In File、輸出端子模塊 Out等。另外還提 供了 Stop模塊，允許在仿真過程中終止仿真過程。n Si>ulint Libra.ry BrowserFile Edit Vi tw Kelp a 七 find Di splay： Huflieric lispU? of inrut values.SimulinkContinuousB Display?,lRtadyBiscantiATii ti esDiscreteLook-Up TablasMath OperationsModel Verifi cati anIflodel-Wile Utili

7、tiesPorts & Subsystems Signal Attributes Si Rai RautiikgSources臥I Ifser-Defined FunctionsAerospace BlecksetCDHA Referenc Blocks&tnofPmiiTPi rs11 nriT R1 nrk'f“J11>iFloating Scope|STSco peTfl WorkspaceTo PileOiitlStop SimulationTerminator連續(xù)系統(tǒng)模塊組(Contin uous)該模塊組提供了描述連續(xù)系統(tǒng)的基本模塊，包含傳遞函數(shù)模塊S

8、pace、零極點模塊Zero Pole三個最常用的線性連續(xù)系統(tǒng)模塊，還包含時間延遲模塊Variable Transport Delay，還有簡單的積分Integrator 和微分器 Derivative 模塊。Transfer Function、狀態(tài)方程模塊StateTransport Delay 禾口H Si»ulink Library BrowserFile Edit Vi 6w HelpDeriTtiTt： ITwnerical derivative: du/lt.SimulinkDerivative+ l_RtadyDistantiniii ti esDiscreteLock

9、-Up Tati asMath Operti »ns Model Verifi cati on Hadel-Wi ie Utili ties糾 Ports & Sulsystems 魚 Signal Attributes 卻 Si護al Routing4| Sinks糾 Sources|4| User-Defined Functions Aerospace BlocksetCDMA Reference Blockset nortrnnm rst i nnv Rl ork'；*fJUI>1du/dtInt6grat(jr£ = AxH-Bu y = Cx

10、DuStftte-SpaceTransfer FenTransport DelayVariable Transport DelayZero-Fole注意：這些模塊在實際線性系統(tǒng)仿真中具有一定的局限性，因為所有的模塊都是假設(shè)初始條件為零。實際應(yīng)用中有時要求模塊具有非零初始條件，這樣可以從Simulink Extras模塊組中選擇 Additional Linear (附加連續(xù)線性系統(tǒng)模塊組)圖標(biāo)，其包含的模塊均允許非零初始條件，該模塊組還提供了一般PID控制器模塊。如下圖所示。H Si»ulink Library BrowserFile Edit Vi ew Help Q -Ua Fi

11、nd IContinnoQs： simul inJt/Cont inucusEmbedded Target for TI CGOOO I riKftd-Foint ElocksetftftftftftFuizy Logic ToolboxMFC ElocksHVD BlackestNeurfil Network ElocksetReal-Time Windaws TargetRal-Time WorkshcpExport G«nar«tor E-fuiicticft dem&ESinNlecKani csQ SimFowerSysteiftseaSffiSSBB氈3

12、毎一悴Mdi tionalAddi ticnalAddi ticnal711 Ti 卩 1 rmpDi screteLi nearSinksR*aclyfx離散系統(tǒng)模塊組（Discrete）離散系統(tǒng)模塊包含常用的線性離散模塊，其中有零階保持器 Zero-Order Hold、一階保持器First-Order Hold、離散傳遞函數(shù)模塊 Discrete Transfer Function、離散狀態(tài)方程模塊 Discrete State Space、離散零極點模塊 Discrete Zero Pole、離散濾波器 Discrete Filter、單位時間延遲模塊 Un it Delay和離散積分

13、模塊 Discrete In tegrator。n Si»ulink Library BrowserFile Edit Vi tw HelpD GS -ua find fDiscrete Transfer Fen： Ratria «zpr«ssi?n fot numerator, vectorB 雖 Simulink41 ContinuousZS- Biscantiikuiti seDiscreteLook-Up Tallis Math OperatioMModel Verifi cati on Qodel-Wi de Vtili ties Forts ft Su

14、lsystems Sigrtal Attributes Signal RoutingSiilLeZero-FoleFilttvTransfer 負(fù)II _RtadySources|JUFirst-Order HoldVDiscrete-TimeIntegrator注意：和連續(xù)系統(tǒng)相似，這些模塊在實際線性系統(tǒng)仿真中具有一定的局限性，因為所有的模塊都是假設(shè)初始條件為零。實際應(yīng)用中有時要求模塊具有非零初始條件，這樣可以從Simulink Extras模塊組中選擇Additional Discrete (附加離散線性系統(tǒng)模塊組)圖標(biāo)，其包含的模塊均允許非零初始條件。n SiMulint Library

15、 Browser-EFile Eii t Vi ewH也D fiS -ua FindDi screte Transfer Feu (vi th ini ti «I outputs)： Victor-+ S S t- 田 干 0 S 日t-Embedded Target for TT CCOOO I *Fixed-Point EloclfseiFuEiy Logic ToolboxNPC BloctHCD ElocksetEtal-Timt Windows TargetRtal-Time WorkshopReport GeneratorS=fuiiction demosSimMecha

16、ni csEimFotfsrEystems Simulink ExtrasAddi tLonalB1scr&teAddi ticnalLi neurMdi ti onalSinkz>1T1 ； _ Fl ._JU非線性模塊組(Discontinuous)非線性模塊主要包含常見的分段線性非線性靜態(tài)模塊，如飽和非線性模塊Saturati on、死區(qū)非線性模塊DeadZone、繼電非線性模塊Delay、變化率限幅器模塊Rate Limiter、量化器模塊 Quantizer、磁滯回環(huán)Backlash，還可以處理Coulumb摩擦。n Siwl ink Library BrowserFi

17、le EditVi HelpBflckLftsL：S 雖 Simulink41 Continuous町II _Ready魚 discrete劉 Look-Up Tables S Hath Operti ons 國 Mad«l Verifi cati an 智Hodel-Aiie Utili ties 生?orts i Subsystems 魚 Sigjtal Attributes j>| Signal Routing i-| SinksSomrc亡百Rate LimiterJI)3.2 Simulink建模和仿真Coulomb ft Viscous FrictionDed Zo

18、ikfiHit Crossing利用Simulink建模非常簡單和直觀。不需要輸入任何程序，只需要以框圖的形式建立起系統(tǒng)的模型，并通 過Simulink環(huán)境中的菜單直接啟動系統(tǒng)的仿真過程，并將結(jié)果在示波器上顯示出來。利用Simulink建模的步驟如下：首先打開一個模型編輯窗口（可以通過單擊 Simulink工具欄中新模型的圖表或選擇菜單項實現(xiàn)）復(fù)制相關(guān)模塊（將相關(guān)模塊組中需要的模塊拖動到建立的編輯窗口）；修改模塊參數(shù)（打開模塊的參數(shù)對話框，改變模塊參數(shù)以符合要求）；Bloh meters: SumSumAdd cr subtract inpute. Specify enea) string c

19、ontaining 十 cr 一 fcr echspacer between ports (e.+|-|+)b) scalar 1. A vJue > 1 sums all elements ef a single input vectorof the fallcwiikg： input port, | forinputs： 1 SKUDEParametersIcon shap« :List of signs：Show additional parameters =KCane el即plyModel backlash vtiere the 4電也6也nd width spedf

20、ies *heEacklashBlock 卩arameters: Transfer FcnlTransfer FenMatrix enpressiftii far numerator, vector &!cpressi an for denominator. Output width «*口門£ th« number of rows in the numerator. Coefficients are for desceniing powers ofM,Far 頤 etciTSUumierator:insDenonin it or:FoAbsolute t

21、olerance：autoOKCancelHelp沁：Block Parameters: Saturation- SaturationLimit input sienal to the upper an心 lower situration values.-ParametersUpper Limit;ILower Limit;|7 Treat as gain 暫hen line址izingEnable rare crossing detectionE1 Cane el I加 plh-Block Parmeter5： Dead Zonei-E&ad ZoneOutput lero for

22、inputs within the deadzone. Offset input signals by either tke Start cr End value when aulsi de of the deadzone.-FarmetersStart of dead zone:End of dead lone：Siturate on integer overflow|7 Treat as gain when lineariiingOEEnable zero crossing detectiontpp-y模塊連接（將有關(guān)的模塊直接連接起來，用鼠標(biāo)左鍵單擊某模塊的輸出端，拖動鼠標(biāo)到另一模塊的輸

23、入端 再釋放，就可以將兩個模塊連接起來）已 untitled*I I IS 3 茁奄® I 4 I normalDmad Zon«Ready1100%ode45系統(tǒng)仿真研究（建立了模型以后，單擊啟動仿真的按鈕或者選擇 模塊就可以顯示仿真結(jié)果）。Start菜單，則可以啟動仿真過程，雙擊示波器5cope-JSJ x|SB150.5WQ隔刃ft 謂0 liiTime offset: 0從仿真結(jié)果看，系統(tǒng)跟蹤速度比較慢，可以設(shè)計 Ki分別取1和10的響應(yīng)如下所示。PI控制器，增大Ki可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，如下圖所示,nuntitled *ScopeQ盪Q| ft E貂0 s転2.50.5°024Ge10Time cifk或 0-I x|untitled *ScopeasQ盪Q| ft E貂0 S転其仿真的參數(shù)定義如下:simulation Parameters: untitledSolver Workspace I/O Diagnostical Advanced ReaRimeWorkshopSimubton bmeStart time: 0 0Stop tim