ch7simulink仿真

1、1第第7章章 Simulink仿真仿真 7.1Simulink簡介作為MATLAB最重要的組件之一，Simulink提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成仿真環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型的動態(tài)仿真，Simulink為某個特許功能的模塊建立了一個基于模型方塊圖 的 圖 形 用 戶 接 口 ( G U I ) ， 用 戶 通 過Simulink，不需要書寫大量的源代碼，而通過簡單的鼠標(biāo)拖曳和鍵盤操作，就可以構(gòu)造實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的系統(tǒng)，它可以針對控制系統(tǒng)、信號處理及通信系統(tǒng)等進(jìn)行系統(tǒng)的建模、仿真、分析等工作。2它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。它也

2、支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真，最大的優(yōu)點(diǎn)就是易學(xué)易用，同時可以利用Matlab提供的豐富仿真資源，具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和結(jié)果直觀明了、仿真精細(xì)、效率高、靈活多變等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各種控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。3Simulink的特點(diǎn)表現(xiàn)在如下幾個方面：1框圖式建模Simulink提供一種圖形化的建模方式。所謂圖形化建模指的是用Simulink中豐富的按功能分類的模塊庫，幫助用戶輕松地建立起動態(tài)系統(tǒng)的模型(模型用模塊組成的框圖表示)。用戶只需要知道這些模塊的輸入、輸出及實(shí)現(xiàn)的功能，通過對模塊的調(diào)用、連接

3、就可以構(gòu)成所需系統(tǒng)的模型。整個建模的過程只需用鼠標(biāo)進(jìn)行單擊和簡單拖動即可實(shí)現(xiàn)。4利用Simulink圖形化的環(huán)境及提供的豐富的功能模塊，用戶可以創(chuàng)建層次化的系統(tǒng)模型。從建模角度講，用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。從分析研究角度講，用戶可以從最高級觀察模型，然后雙擊其中的子系統(tǒng)，來檢查下一級的內(nèi)容，以此類推，從而看到整個模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各個模塊之間的關(guān)系。52交互式仿真環(huán)境可以利用Simulink中的菜單或者是Matlab的命令窗口輸入命令來對模型進(jìn)行仿真。菜單方式對于交互工作特別方便，而命令行方式對大量重復(fù)仿真很有用。Simulink內(nèi)置很多仿真的分析工具，如

4、仿真算法、系統(tǒng)線性化、尋找平衡點(diǎn)等。仿真的結(jié)果可以以圖形的方式顯示在類似于示波器的窗口內(nèi)，也可以將輸出結(jié)果以變量的方式保存起來，并輸入到Matlab中，讓用戶觀察系統(tǒng)的輸出結(jié)果并做進(jìn)一步的分析。63專用模塊庫(Blocksets)Simulink提供了許多專用模塊庫，如DSPBlocksets和CommunicationBlocksets等。利用這些專用模塊庫，Simulink可以方便地進(jìn)行DSP及通信系統(tǒng)等進(jìn)行仿真分析和原型設(shè)計(jì)。74與Matlab的集成由于Matlab和Simulink是集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境中對自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。87.2Simulink常用模

5、塊在Simulink中，創(chuàng)建模型實(shí)際上是構(gòu)造模型框圖，并且保存為.mdl的ASCII碼文件形式。它實(shí)際上在數(shù)學(xué)上體現(xiàn)了一組微分方程或差分方程，也可以是普通的方程。從行為上來說，這種模型模擬了物理器件構(gòu)成的實(shí)際系統(tǒng)的動態(tài)特性。9從宏觀的框架上看，Simulink模型通常包含3個部分：輸入、系統(tǒng)以及輸出，如圖7-1所示。圖7-1simulink模型的基本結(jié)構(gòu)10輸入一般用信源(Source)表示，可以為常數(shù)、正弦波、方波以及隨機(jī)信號等信號源，代表實(shí)際對系統(tǒng)的輸入信號；輸出一般用信宿(Sink)表示，可以是示波器、圖形記錄儀等。無論是信源、系統(tǒng)還是信宿皆可以從Simulink模塊庫中直接獲得，或由用

6、戶根據(jù)實(shí)際要求采用模塊庫中的模塊搭建而成。當(dāng)然，對于一個具體的Simulink模型而言，這3種結(jié)構(gòu)并不都是必需的，有些模型可能不存在輸入或輸出部分，比如研究系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)就可以不包含信源器件。11Simulink模型的建立離不開其工作環(huán)境-庫瀏覽器(SimulinkLibraryBrowser)與模型窗口，庫瀏覽器為用戶提供了進(jìn)行Simulink建模與仿真的標(biāo)準(zhǔn)模塊庫與專業(yè)工具箱，而模型窗口是用戶創(chuàng)建模型的主要場所。7.2.1 進(jìn)入進(jìn)入Simulink工作環(huán)境的方法工作環(huán)境的方法出于節(jié)省內(nèi)存和加快MATLAB啟動速度的需要，MATLAB啟動后，Simulink并不隨之啟動，因此要建立一個Si

7、mulink模型，首先要進(jìn)入Simulink工作環(huán)境，有以下4個方法：121.在MATLAB主界面上的工作欄點(diǎn)擊(simulink)，則可進(jìn)入如圖7-2所示的庫瀏覽器窗口。2.在Matlab命令提示符下輸入simulink，則可進(jìn)入如圖7-2所示的庫瀏覽器窗口。3.在MATLAB主界面的左下方點(diǎn)，依次點(diǎn)擊simulink-LibraryBrowser,也可以進(jìn)入如圖7-2所示的庫瀏覽器窗口。4.在Matlab命令提示符下輸入simulink3，則可進(jìn)入如圖7-3所示的庫瀏覽器窗口。和圖7-2相比，只是顯示形式不一樣，是用圖標(biāo)形式顯示的Librarysimulink3。13圖7-2Simulin

8、k庫瀏覽器窗口14圖7-3Simulink3庫瀏覽器窗口15若沒有特殊說明，都是以圖7-2所示的庫瀏覽器窗口進(jìn)行操作。7.2.2Simulink模塊庫圖7-2所示窗口的左半部分是Simulink所有庫的名稱。第一個庫是Simulink庫，該庫為Simulink的通用模塊庫，Simulink庫下面的模塊庫為專業(yè)模塊庫，服務(wù)于不同專業(yè)領(lǐng)域，普通用戶用得較少。如：ControlSystemToolbox模塊庫(面向控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析)、CommunicationsBlockset(面向通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析)等。窗口的右半部分是對應(yīng)于左窗口打開的庫中包含的子庫或模塊。161.Simulink通用模塊

9、庫該庫位于library展示欄最上方的第一個庫(Simulink)，點(diǎn)擊前面的+號，即可展開其中包含的子庫情況，如Continuous(連續(xù)模塊庫)、Discrete(離散模塊庫)、Sinks(信宿模塊庫)、Sources(信源模塊庫)等，如圖7-4所示。這個通用庫包含Simulink仿真常用的基本模塊，本章建模所需的模塊大部分在此庫中17圖7-4Simulink通用模塊庫包含的子庫情況18Simulink通用模塊庫的子庫簡介如下:lCommonlyUsedBlocks通用模塊BusCreator輸入信號合并成向量信號BusSelector輸入向量分解成多個信號Creator輸出信號Const

10、ant輸出常量信號DataTypeConversion數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換Demux輸入向量轉(zhuǎn)換成標(biāo)量19Discreat-Time Integrator離散積分器模塊離散積分器模塊Gain增益模塊增益模塊In1輸入模塊輸入模塊Integrator連續(xù)積分器模塊連續(xù)積分器模塊Logical Operator邏輯運(yùn)算模塊邏輯運(yùn)算模塊Mux輸入的向量、標(biāo)量或矩陣信號合成輸入的向量、標(biāo)量或矩陣信號合成Out1輸出模塊輸出模塊Product乘法器模塊乘法器模塊20Relational Operator關(guān)系運(yùn)算關(guān)系運(yùn)算Saturation定義輸入信號的最大和最小值定義輸入信號的最大和最小值Scope輸出示波器輸

11、出示波器Subsystem創(chuàng)建子系統(tǒng)創(chuàng)建子系統(tǒng)Sum加法器加法器Switch選擇器，根據(jù)第二個輸入信號來選擇選擇器，根據(jù)第二個輸入信號來選擇輸出第一個還是第三個信號輸出第一個還是第三個信號Terminator終止輸出終止輸出Unit Delay延時延時21lContinuous連續(xù)模塊Derivative：輸入信號微分Integrator：一階積分IntegratorLimited:積分限制IntegratorSecond:二階積分IntegratorSecond-OrderLimited:二階積分限制PIDController:比例微分積分控制器State-Space：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型T

12、ransfer-Fcn：線性傳遞函數(shù)模型TransportDelay：信號延時一個固定時間輸出VariableTransportDelay：輸入信號延時一個可變時間再輸出Zero-Pole：以零極點(diǎn)表示的傳遞函數(shù)模型22lDiscontinuities分段線性模塊DeadZone:產(chǎn)生死區(qū)Saturation：飽和輸出，讓輸出超過某一值時能夠飽和。Relay：滯環(huán)比較器，限制輸出值在某一范圍內(nèi)變化。Quantizer：量化器23lDiscrete離散模塊Delay:延時Difference：查分DiscreteDerivative：離散時間微分器Discrete-timeIntegrator：

13、離散時間積分器DiscreteFIRFilter：離散FIR濾波器DiscreteIIRFilter：離散IIR濾波器DiscreteFilter：離散濾波器24DiscretePIDController：離散PID控制器DiscreteState-Space：離散狀態(tài)空間系統(tǒng)模型DiscreteTransfer-Fcn：離散傳遞函數(shù)模型DiscreteZero-Pole：以零極點(diǎn)表示的離散傳遞函數(shù)模型DiscreteIntegrator：離散時間積分器First-OrderHold：一階采樣和保持器Zero-OrderHold：零階采樣和保持器Memory：存儲上一時刻的狀態(tài)值TappedD

14、elay：多個采樣周期的延時25lMathOperations數(shù)學(xué)模塊Abs：求絕對值A(chǔ)dd：求和AlgebraicConstraint：代數(shù)約束Sum：加減運(yùn)算Product：乘運(yùn)算Divide：除運(yùn)算DotProduct：點(diǎn)乘運(yùn)算Gain：比例運(yùn)算26MathFunction：包括指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、求平方、開根號等常用數(shù)學(xué)函數(shù)TrigonometricFunction：三角函數(shù)，包括正弦、余弦、正切等MinMax：最值運(yùn)算Sign：符號函數(shù)ComplextoMagnitude-Angle：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為幅值和相角輸出Magnitude-AngletoComplex：由幅值和相角輸入合成復(fù)

15、數(shù)輸出ComplextoReal-Imag：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為實(shí)部和虛部輸出Real-ImagtoComplex：由實(shí)部和虛部輸入合成復(fù)數(shù)輸出27 Logic and Bit Operations邏輯模塊邏輯模塊BitClear將向量信號某一位置為0BitSet將向量信號某一位置為1BitwiseOperator對輸入信號進(jìn)行自定義的邏輯運(yùn)算CombinatorialLogic組合邏輯，實(shí)現(xiàn)一個真值表CompareToZero定義如何與0比較LogicalOperator邏輯運(yùn)算RelationalOperator關(guān)系運(yùn)算ShiftArithmetic算術(shù)平移28l Sinks信宿模塊Displa

16、y：顯示Scope：示波器。FloatingScope:浮點(diǎn)示波器Out1：輸出端StopSimulation：停止仿真Terminator：連接到?jīng)]有連接到的輸出端。ToFile(.mat)：將輸出寫入數(shù)據(jù)文件。ToWorkspace：將輸出寫入MATLAB工作空間。XYGraph：顯示二維圖形。29l Sources輸入源模塊Band-LimitedWhiteNoise：限帶白噪聲ChirpSignal：啁啾信號Clock：時鐘信號。Constant：常數(shù)信號。Ground：接地In1：輸入端。30FromWorkspace：來自MATLAB的工作空間。FromFile(.mat)：來自數(shù)

17、據(jù)文件。PulseGenerator：脈沖發(fā)生器。RepeatingSequence：重復(fù)信號。SignalGenerator：信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦、方波、鋸齒波及隨意波。SineWave：正弦波信號。Step：階躍波信號。31l User-DefinedFunction自定義函數(shù)Fcn：用自定義的函數(shù)（表達(dá)式）進(jìn)行運(yùn)算MATLABFcn：利用matlab的現(xiàn)有函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算S-Function：調(diào)用自編的S函數(shù)的程序進(jìn)行運(yùn)算322.專業(yè)庫專業(yè)庫的模塊對應(yīng)不同的專業(yè)，有航天航空模塊(AerospaceBlockset)、通信模塊庫（ComunicationsBlockset）等。在此不再一一

18、介紹。337.3 Simulink建模建模7.3.1 新建模型窗口新建模型窗口1.新建模型窗口有以下幾種方法：在圖7-2所示的界面上鼠標(biāo)左擊工具欄上的第一個圖標(biāo)，打開如圖7-5所示的空白模型窗。在圖7-2所示的界面上鼠標(biāo)左擊菜單欄的下拉菜單File-New，也可打開如圖7-5所示的空白模型窗。在MATLAB主界面上鼠標(biāo)左擊菜單欄的下拉菜單File-New-Model，也可打開如圖7-5所示的空白模型窗。雙擊MATLAB主界面上當(dāng)前目錄中已有的simulink文件，如圖7-6所示，即帶有.mdl后綴名的文件，可直接打開該文件。34圖7-5空白模型窗35圖7-6打開已有的mdl模型362.模型窗口

19、的組成模型窗口由標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、模型框圖窗口以及狀態(tài)欄組成，如圖7-7所示。圖7-7模型窗口的組成377.3.2 建立新的模型建立新的模型對于新文件，系統(tǒng)默認(rèn)的文件名為untitled.mdl，將其保存為mySimu.mdl，并按照下列步驟構(gòu)建仿真模型，建立如圖7-8所示的模型。38圖7-8f(t)=sin2t*sin(3t)仿真模型391.模塊的輸入從庫瀏覽窗口下的Sources模塊庫中選擇SineWave，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出菜單中選擇AddtomySimu，一個正弦波模塊被輸入到模型文件中，在重復(fù)上述過程加入另一個正弦波模塊。從MathOperations模塊庫下選擇Produc

20、t模塊，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇AddtomySimu，一個乘積模塊被輸入到模型文件中。從Sinks模塊庫下選擇Scope模塊，即示波器模塊，這是一個經(jīng)常使用的信宿模塊，同樣點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵加入一個如圖7-9所示的示波器模塊到模型文件中。40圖7-9加入四個模塊的模型圖412.模塊修改單擊正弦信號模塊下面的模塊名SineWave，出現(xiàn)淺色的編輯框就可對模塊名進(jìn)行修改,改成sin2t(和sin3t)，如圖7-10所示。42圖7-10改變模塊名稱433.模塊參數(shù)的修改在模型文件中，雙擊Scope模塊，進(jìn)入到示波器窗口，在示波器窗口中點(diǎn)擊Parameters圖標(biāo)，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置窗口，設(shè)置坐標(biāo)設(shè)置坐標(biāo)系的數(shù)目3(

21、將ScopeParameters對話框內(nèi)General面板上的Numberofaxes設(shè)為3)，得到的結(jié)果如圖7-11所示。44圖7-11修改示波器參數(shù)后的情形45回到示波器窗口，這時，可以看到在示波器窗口顯示3個黑色顯示屏，在每個黑色顯示屏點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇AxisProperties，改變坐標(biāo)軸的顯示參數(shù)Y-min設(shè)置為-1，Y-max設(shè)置為+1，Tile分別設(shè)為sin2t，sin2t*sin3t，sin3t，如圖7-12所示。467-12示波器模塊參數(shù)設(shè)置窗口47在模型文件mySimu中，選擇第一個正弦波模塊sin(2t)，雙擊該模塊進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置窗口，如圖7-13所示。圖7-13正弦波模

22、塊參數(shù)設(shè)置窗口圖48其中，Amp表示振幅，F(xiàn)req為頻率，Phase為初相，Bias為偏離，在參數(shù)窗口中需要根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)置這些參數(shù)，本處只需要設(shè)置頻率Frequency為2，同樣選擇設(shè)置第2個正弦波的頻率為3。4.連接信號線對圖7-11所示的圖,模塊的左邊、右邊或左右兩邊都有一個或多個符號“”，處于左邊的為輸入接口，處于右邊的為輸出接口。49鼠標(biāo)點(diǎn)擊sin(2t)正弦波模塊的輸出符號“”處（出現(xiàn)一個十字型光標(biāo)），并拖拽到Product乘積模塊的第一個輸入符號“”處（出現(xiàn)一個雙十字型光標(biāo)）,松開鼠標(biāo)按鍵完成連線；同理鼠標(biāo)點(diǎn)擊sin(3t)正弦波模塊的輸出符號“”處，并拖拽到Product乘積

23、模塊的第二個輸入“”處；鼠標(biāo)點(diǎn)擊Product乘積模塊的輸出符號“”處，并將其拖拽到Scope示波器的第二個輸入符號“”處。同樣的方法，將sin(2t)模塊與Scope的第一個輸入連接，將sin(3t)模塊與Scope的第三個輸入連接。如此，整個模型的連接信號線已經(jīng)連接，如圖7-14所示。50圖7-14添加信號線后的結(jié)果。51添加文本注釋后的結(jié)果如圖7-15所示。圖7-15添加信號線和文本注釋后的結(jié)果。527.4 Simulink仿真仿真7.4.1仿真配置仿真配置構(gòu)建好一個系統(tǒng)的模型后，在運(yùn)行仿真前，必需對仿真參數(shù)進(jìn)行配置。仿真參數(shù)的設(shè)置包括：仿真過程中的仿真算法、仿真的起始時刻、誤差容限及錯

24、誤處理方式等的設(shè)置，還可以定義仿真結(jié)果的輸出和存儲方式。在 模 型 窗 口 的 菜 單 中 選 擇 S i m u l a t i o n |ConfigurtionParameters，就會彈出仿真參數(shù)設(shè)置對話框53可以根據(jù)需要設(shè)置各種參數(shù)可以根據(jù)需要設(shè)置各種參數(shù)7.4.2仿真結(jié)果仿真結(jié)果在模型窗口中，點(diǎn)擊圖標(biāo)或通過菜單Simulation-Run，即可開始該模型的仿真執(zhí)行，執(zhí)行完成之后，雙擊Scope模塊，將得到如圖7-16所示的結(jié)果。54圖7-16仿真結(jié)果557.5 案例分析案例分析7.5.1連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)在如圖7-17所示的系統(tǒng)中，質(zhì)量m=1kg，彈簧系數(shù)k=100N/m,阻尼b=2

25、N.s,質(zhì)量塊靜止的初始位移x(0)=0.05,建模仿真x的變化規(guī)律。56圖7-17彈簧-質(zhì)量-阻尼系數(shù)圖57建模過程：1.數(shù)學(xué)建模：根據(jù)物理規(guī)律建立模型對應(yīng)的數(shù)學(xué)方程，根據(jù)物體的受力情況寫出，并整理成：2.選擇模塊：由于加速度與速度,速度與位移的作用原理相同，因此需要2個積分模塊；用增益模塊來模擬等式右邊的每項(xiàng)的非零系數(shù)；加速度是兩者之和，可用add模塊來模擬；對于觀察位移和時間的動態(tài)關(guān)系，需要采用示波器。0mx bx kx2100 xxx 583.打開simulink模塊庫和新建模型窗口，并按照上述章節(jié)的方法，從模塊庫中找出上述模塊：Integrator，sum，gain，scope，一一

26、拖曳到新模型窗口中，再把保存為ex7_1.mdl，如圖7-18。圖7-18各個模塊594.由于增益模塊在反饋之路上，因此必須將它水平反轉(zhuǎn)，方法是：右擊gain模塊，在彈出的菜單Rotate&Flip|FlipBlock,就可以將模塊的輸入輸出方向改成自右向左，同樣將gain1模塊反轉(zhuǎn)，如圖7-19。圖7-19改變模塊的擺放方向605.合理擺放模塊并連線先將積分、加法、示波器放在一條直線上，然后將增益模塊放在下方，并依次連好線，如圖7-20所示。圖7-20連線圖616.標(biāo)識信號線圖7-21標(biāo)識信號線627.修改模塊參數(shù)雙擊gain模塊，修改其參數(shù)Gain為-100，點(diǎn)O K ， 并 將 g a

27、i n 1 的 參 數(shù) 改 成 - 2 。 由 于Integrator1模塊輸出是位移x，而位移初始條件為0.05，因此要雙擊Integrator1模塊，在彈出的對話框中，將Initialcondition改為0.05，點(diǎn)擊OK，用同樣的方法將Integrator模塊的Initialcondition改為0。8.仿真運(yùn)行點(diǎn)擊圖標(biāo)，開始仿真，完成后雙擊Scope模塊，示波器上初次看到縱軸幅度范圍太大，信號線(黃色)不易于觀察，可點(diǎn)擊示波器工具欄上的autoscale，其清晰的可視化結(jié)果如圖7-22所示。63圖7-22仿真結(jié)果647.5.離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)1964年法國天文學(xué)家伊儂（HenonM）在

28、研究球狀星團(tuán)的運(yùn)動規(guī)律，提出了一個自由度為2的哈密頓系統(tǒng)，即在這個方程中，當(dāng)參數(shù)b=0.3，且改變參數(shù)a時，系統(tǒng)運(yùn)動軌道在“相空間”中的分布很奇特。現(xiàn)在要求利用simulink模擬相空間隨時間的變化(a=1.4，b=0.3)。2111nnnnnxb yaxyx 65建模過程：1.由于題目已根據(jù)物理規(guī)律建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程，因此數(shù)學(xué)建模這一步可以省略。2.選擇模塊：這是一個二元一次差分方程，因此需要2個UnitDelay模塊；用增益模塊來模擬等式的每項(xiàng)的非零系數(shù),因此需要3個gain模塊；用乘法器模擬平方功能，因此需要一個乘法器，第一個方程的右邊是三項(xiàng)之和，因此需要一個add模塊；額外，還需要一個常量1，用信號源constant來模擬；為了看相空間，需要一個XYGraph模塊，為了看某個變量的波形，需要一個Scope。663.打開simulink模塊庫和新建模型窗口，并按照上述章節(jié)的方法，從模塊庫中找出上述模塊：UnitDelay，gain，product，add，constant，scope，XYGraph，一一拖曳到新模型窗口中，再把保存為ex7_2.mdl，如圖7-2