第7章 Simulink仿真環(huán)境

1、第第7章章 Simulink仿真環(huán)境仿真環(huán)境7.1 Simulink的概述的概述 7.2 Simulink的工作環(huán)境的工作環(huán)境7.3建立模型建立模型 7.4 Simulink的應(yīng)用實(shí)例的應(yīng)用實(shí)例 7.5 模型的調(diào)試模型的調(diào)試 7.6子系統(tǒng)與封裝子系統(tǒng)與封裝 7.7 S函數(shù)的設(shè)計與應(yīng)用函數(shù)的設(shè)計與應(yīng)用 7.1 Simulink的概述的概述1. Simulink的特點(diǎn)的特點(diǎn)（1）設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用方框圖繪制，以）設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用方框圖繪制，以繪制模型化的圖形代替程序輸入，以鼠標(biāo)操作代替繪制模型化的圖形代替程序輸入，以鼠標(biāo)操作代替編程；編程；（2）分析直觀，用戶不需要考慮系統(tǒng)模塊內(nèi)部）分析

2、直觀，用戶不需要考慮系統(tǒng)模塊內(nèi)部，只要考慮系統(tǒng)中各模塊的輸入輸出；，只要考慮系統(tǒng)中各模塊的輸入輸出；（3）仿真快速、準(zhǔn)確，智能化地建立各環(huán)節(jié)的）仿真快速、準(zhǔn)確，智能化地建立各環(huán)節(jié)的方程，自動地在給定精度要求下以最快速度仿真，方程，自動地在給定精度要求下以最快速度仿真，還可以交互式地進(jìn)行仿真。還可以交互式地進(jìn)行仿真。7.2 Simulink的工作環(huán)境的工作環(huán)境在在MATLAB的命令的命令窗口輸入窗口輸入“simulink”，或單擊工具欄中的，或單擊工具欄中的圖標(biāo)，就可以打開圖標(biāo)，就可以打開Simulink模塊庫瀏覽模塊庫瀏覽器（器（Simulink Library Browser）窗口。）窗口。

3、7.2.1 一個簡單的一個簡單的Simulink實(shí)例實(shí)例例例7-1 將一個階躍輸入信號送到積分環(huán)節(jié)將一個階躍輸入信號送到積分環(huán)節(jié)，并將積分后的信號送到示波器顯示。，并將積分后的信號送到示波器顯示。1. 創(chuàng)建空白模型創(chuàng)建空白模型2. 添加模塊添加模塊3. 添加連接添加連接4. 仿真仿真5. 保存模型保存模型7.2.2 Simulink的模型窗口的模型窗口Simulink模型的創(chuàng)建和仿真都是在模型窗模型的創(chuàng)建和仿真都是在模型窗口中進(jìn)行的，模型窗口包括菜單、工具欄、口中進(jìn)行的，模型窗口包括菜單、工具欄、模型設(shè)計區(qū)和狀態(tài)欄。模型設(shè)計區(qū)和狀態(tài)欄。模型窗口中的模型設(shè)計區(qū)用來創(chuàng)建和修改模型窗口中的模型設(shè)計區(qū)

4、用來創(chuàng)建和修改模型。模型。7.2.3 Simulink的工作原理的工作原理仿真包括以下幾個步驟。仿真包括以下幾個步驟。（1）模型編譯）模型編譯（2）連接）連接（3）仿真執(zhí)行）仿真執(zhí)行一般仿真模型都采用數(shù)值積分來仿真的，一般仿真模型都采用數(shù)值積分來仿真的，相鄰兩個時間點(diǎn)的長度為步長，步長的大小相鄰兩個時間點(diǎn)的長度為步長，步長的大小取決于求解器的類型。取決于求解器的類型。7.2.4 Simulink的模塊庫的模塊庫Simulink的模塊庫瀏覽器提供了各種基本的模塊庫瀏覽器提供了各種基本模塊，并將它們按照應(yīng)用領(lǐng)域和功能進(jìn)行分模塊，并將它們按照應(yīng)用領(lǐng)域和功能進(jìn)行分類以方便用戶查找。類以方便用戶查找。7

5、.3建立模型建立模型7.3.1 創(chuàng)建模型創(chuàng)建模型1. 模塊的操作模塊的操作（1）改變大?。└淖兇笮。?）移動）移動（3）復(fù)制）復(fù)制（4）模塊的翻轉(zhuǎn)）模塊的翻轉(zhuǎn)（5）修改模塊名）修改模塊名（6）模塊名的顯示和隱藏）模塊名的顯示和隱藏（7）模塊名的翻轉(zhuǎn)）模塊名的翻轉(zhuǎn)2. 信號線的操作信號線的操作（1）信號線的分支）信號線的分支（2）信號線的折線）信號線的折線（3）信號線的文本注釋）信號線的文本注釋（4）信號線與模塊分離）信號線與模塊分離練習(xí)練習(xí)7.3.2 仿真參數(shù)的設(shè)置圖仿真參數(shù)的設(shè)置圖1. 仿真器參數(shù)設(shè)置（仿真器參數(shù)設(shè)置（Solver）（1）仿真時間（）仿真時間（Simulation time）

6、仿真的起始時間（仿真的起始時間（Start time）：默認(rèn)為）：默認(rèn)為0，單位，單位為秒。為秒。（2）仿真步長模式（）仿真步長模式（Solver options）（3）Solver diagnostic controls“Solver”：設(shè)置仿真解法的具體算法類型。變步：設(shè)置仿真解法的具體算法類型。變步長的算法有長的算法有discrete、ode45、ode23、ode113、ode15s、ode23s、ode23t和和ode23tb，默認(rèn)使用，默認(rèn)使用ode45。2. 工作空間數(shù)據(jù)輸入輸出的設(shè)置（工作空間數(shù)據(jù)輸入輸出的設(shè)置（Data Import/Outport）（1）從工作空間裝載數(shù)據(jù)（

7、）從工作空間裝載數(shù)據(jù)（Load from workspace）（2）保存數(shù)據(jù)到工作空間（）保存數(shù)據(jù)到工作空間（Save to workspace）（3）變量保存設(shè)置（）變量保存設(shè)置（Save options）7.3.3 常用模塊的設(shè)置常用模塊的設(shè)置打開參數(shù)設(shè)置對話框的方法有：打開參數(shù)設(shè)置對話框的方法有：雙擊模塊；雙擊模塊；或者用鼠標(biāo)右鍵單擊模塊，在快捷菜單中選擇或者用鼠標(biāo)右鍵單擊模塊，在快捷菜單中選擇“Block Parameters”，各模塊的參數(shù)對話框最，各模塊的參數(shù)對話框最上面都顯示了模塊的功能。上面都顯示了模塊的功能。1. 階躍信號模塊（階躍信號模塊（Step）2. 正弦信號模塊（正弦

8、信號模塊（Sine Wave）3. 從工作空間獲取數(shù)據(jù)（從工作空間獲取數(shù)據(jù)（From workspace）和從）和從文件獲取數(shù)據(jù)（文件獲取數(shù)據(jù)（From file）From workspace和和From file分別是從工作空間和分別是從工作空間和MAT文件輸入數(shù)據(jù)，都在文件輸入數(shù)據(jù)，都在“Sources”子模塊庫中。子模塊庫中。4. 求和模塊（求和模塊（Sum） Sum模塊用來計算信號的和，是模塊用來計算信號的和，是“Math Operations”子模塊庫中的。子模塊庫中的。5傳遞函數(shù)（傳遞函數(shù)（Transfer function）和零）和零極點(diǎn)傳遞函數(shù)（極點(diǎn)傳遞函數(shù)（Zero-Pole

9、）例例7-3 創(chuàng)建一個單位負(fù)反饋的二階系統(tǒng)，創(chuàng)建一個單位負(fù)反饋的二階系統(tǒng)，輸入為階躍信號，將輸出送到示波器顯示。輸入為階躍信號，將輸出送到示波器顯示。6. 增益（增益（Gain）Gain模塊是將信號放大模塊是將信號放大K倍，是倍，是“Math Operations”子模塊庫中的。子模塊庫中的。7. 輸出到文件（輸出到文件（To File）和輸出到工作空）和輸出到工作空間（間（To Workspace）8示波器（示波器（Scope）示波器的主要參數(shù)有：示波器的主要參數(shù)有：Number of axes：示波器的輸入端口個數(shù)，默認(rèn)值為：示波器的輸入端口個數(shù)，默認(rèn)值為1表示只有一個輸入；圖表示只有一個

10、輸入；圖7-24 示波器坐標(biāo)設(shè)置示波器坐標(biāo)設(shè)置Time range：設(shè)置顯示信號范圍，默認(rèn)：設(shè)置顯示信號范圍，默認(rèn)auto為仿真時間為仿真時間范圍，如果信號實(shí)際持續(xù)時間超過該范圍，則超出范圍的范圍，如果信號實(shí)際持續(xù)時間超過該范圍，則超出范圍的信號在示波器中不顯示；信號在示波器中不顯示；Limit data points to last：表示緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)的長度：表示緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)的長度，默認(rèn)為，默認(rèn)為5000，示波器的緩沖區(qū)可接收，示波器的緩沖區(qū)可接收30個信號，數(shù)據(jù)長個信號，數(shù)據(jù)長度為度為5000，如果數(shù)據(jù)長度超出，則最早的歷史數(shù)據(jù)會被清，如果數(shù)據(jù)長度超出，則最早的歷史數(shù)據(jù)會被清除。除。Sa

11、ve data to workspace：把示波器緩沖區(qū)中保存的數(shù)：把示波器緩沖區(qū)中保存的數(shù)據(jù)以矩陣或結(jié)構(gòu)數(shù)組的形式送到工作空間，在下面兩欄設(shè)據(jù)以矩陣或結(jié)構(gòu)數(shù)組的形式送到工作空間，在下面兩欄設(shè)置變量名置變量名“Variable name”和數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)類型“Format”。9. 模塊的屬性設(shè)置模塊的屬性設(shè)置（1）“General”選項(xiàng)卡選項(xiàng)卡（3）調(diào)用函數(shù)（）調(diào)用函數(shù)（Callbacks）（2）“Block Annotation”選項(xiàng)卡選項(xiàng)卡7.3.4 仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)化仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)化例例7-4續(xù)續(xù) 將單位負(fù)反饋二階系統(tǒng)的參數(shù)使用變量將單位負(fù)反饋二階系統(tǒng)的參數(shù)使用變量表示，變量的值存放在表示，變

12、量的值存放在“ex7_4_1.m”文件中。文件中。模塊參數(shù)的三個變量在模塊參數(shù)的三個變量在“ex7_4_1.m”文件中設(shè)文件中設(shè)置，則文件內(nèi)容如下：置，則文件內(nèi)容如下：%ex7_4_1 設(shè)置參數(shù)設(shè)置參數(shù)T1,T2,KT1=1;T2=2;K=-1;7.3.5 使用命令創(chuàng)建和運(yùn)行使用命令創(chuàng)建和運(yùn)行Simulink模模型型1. 使用命令創(chuàng)建使用命令創(chuàng)建Simulink模型模型new_system(newmodel,option) %創(chuàng)建新模型創(chuàng)建新模型（2）模塊和信號線函數(shù)）模塊和信號線函數(shù)add_block(源模塊名源模塊名,屬性名屬性名1,屬性值屬性值1,屬性屬性名名2,屬性值屬性值2,)add

13、_line(模塊名模塊名,起始模塊名起始模塊名/輸出端口號輸出端口號, 終終止模塊名止模塊名/輸入端口號輸入端口號)（3）設(shè)置屬性）設(shè)置屬性set_param(對象名對象名,參數(shù)名參數(shù)名1,參數(shù)值參數(shù)值1,參數(shù)名參數(shù)名2,參數(shù)值參數(shù)值2,)練習(xí)練習(xí)例例7-5 使用命令創(chuàng)建一個反饋系統(tǒng)的使用命令創(chuàng)建一個反饋系統(tǒng)的Simulink模型。模型。%創(chuàng)建新模型創(chuàng)建新模型 new_system(ex7_5) open_system(ex7_5) %創(chuàng)建模型創(chuàng)建模型 set_param(ex7_5,location,100,100,500,400)%設(shè)置模型窗口大小設(shè)置模型窗口大小%添加模塊添加模塊 add

14、_block(built-in/Sine Wave,ex7_5/sin,position,40,80,80,120)%設(shè)置模塊參數(shù)設(shè)置模塊參數(shù) set_param(ex7_5/sin,Amplitude,10)%添加信號線添加信號線 add_line(ex7_5,sin/1,sum/1) add_line(ex7_5,300,100;300,180;105,180;115,105)2. 使用命令運(yùn)行仿真使用命令運(yùn)行仿真啟動模型的仿真可以使用啟動模型的仿真可以使用sim函數(shù)來完成，使用函數(shù)來完成，使用simset函數(shù)可以設(shè)置仿真參數(shù)，這樣模型中的模塊參數(shù)和仿真參函數(shù)可以設(shè)置仿真參數(shù)，這樣模型中的

15、模塊參數(shù)和仿真參數(shù)就可以隨機(jī)地設(shè)置和修改。數(shù)就可以隨機(jī)地設(shè)置和修改。t,x,y=sim(model,timespan,options,ut) %利用輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真利用輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真說明：說明：model為模型名，其余參數(shù)都可以省略；為模型名，其余參數(shù)都可以省略；timespan是仿真時間區(qū)間，可以使用是仿真時間區(qū)間，可以使用t0,tf設(shè)置仿真起設(shè)置仿真起始時間和終止時間，如果是標(biāo)量則指終止時間；始時間和終止時間，如果是標(biāo)量則指終止時間；options參數(shù)為模型仿真的相關(guān)參數(shù)，包括仿真參數(shù)和求參數(shù)為模型仿真的相關(guān)參數(shù)，包括仿真參數(shù)和求解器的屬性；解器的屬性；ut為模型的外部輸入向量；為模型的

16、外部輸入向量；t為仿真時間列向量，為仿真時間列向量，x為狀態(tài)變量構(gòu)成的矩陣，為狀態(tài)變量構(gòu)成的矩陣，y為輸出為輸出信號構(gòu)成的矩陣，每列對應(yīng)一路輸出信號。信號構(gòu)成的矩陣，每列對應(yīng)一路輸出信號。7.4 Simulink的應(yīng)用實(shí)例的應(yīng)用實(shí)例7.4.1 Simulink在電路中的應(yīng)用實(shí)例在電路中的應(yīng)用實(shí)例例例7-6 根據(jù)電路橋電路創(chuàng)建一個根據(jù)電路橋電路創(chuàng)建一個Simulink模型，模型，求電路中的電流，電路如圖求電路中的電流，電路如圖7-30所示，已知電阻所示，已知電阻R=5，Ra=25，Rb=100，Rc=125，Rd=100，Re=37.5，求當(dāng)直流電源為，求當(dāng)直流電源為40V時電時電路中的電流。路

17、中的電流。7.4.2 Simulink在數(shù)字電路中的應(yīng)用實(shí)在數(shù)字電路中的應(yīng)用實(shí)例例例例7-7 創(chuàng)建一個創(chuàng)建一個Simulink模型實(shí)現(xiàn)三八模型實(shí)現(xiàn)三八譯碼器的仿真。譯碼器的仿真。7.4.3 Simulink在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例 例例7-8 創(chuàng)建一個創(chuàng)建一個Simulink模型使用模型使用PID控控制器控制三階系統(tǒng)，查看其輸出響應(yīng)。制器控制三階系統(tǒng)，查看其輸出響應(yīng)。練習(xí)練習(xí)7.5 模型的調(diào)試模型的調(diào)試7.5.1 Simulink調(diào)試器調(diào)試器1.調(diào)試器窗口的選項(xiàng)卡調(diào)試器窗口的選項(xiàng)卡“Break Points”：用于設(shè)置斷點(diǎn)，使仿真運(yùn)行到斷點(diǎn)就停止；：用于設(shè)置斷點(diǎn)，使仿真運(yùn)行

18、到斷點(diǎn)就停止；“Simulation Loop”：包含：包含Method、Breakpoints和和ID三列內(nèi)容，用三列內(nèi)容，用于顯示各仿真步以及正在運(yùn)行的相關(guān)信息；于顯示各仿真步以及正在運(yùn)行的相關(guān)信息；“Outputs”：用于顯示調(diào)試結(jié)果，包括調(diào)試命令提示、當(dāng)前運(yùn)行模塊：用于顯示調(diào)試結(jié)果，包括調(diào)試命令提示、當(dāng)前運(yùn)行模塊的輸入、輸出和模塊的狀態(tài)；的輸入、輸出和模塊的狀態(tài)；“Sorted List”：用于顯示被調(diào)試的模塊列表，該列表按模塊執(zhí)行的順：用于顯示被調(diào)試的模塊列表，該列表按模塊執(zhí)行的順序排列；序排列；“Status”：用于顯示調(diào)試器各種選項(xiàng)設(shè)置的值以及其他狀態(tài)信息。：用于顯示調(diào)試器各種選

19、項(xiàng)設(shè)置的值以及其他狀態(tài)信息。7.5.2 在調(diào)試器窗口中調(diào)試模型在調(diào)試器窗口中調(diào)試模型1. 單步運(yùn)行單步運(yùn)行2. 設(shè)置斷點(diǎn)設(shè)置斷點(diǎn)（1）無條件斷點(diǎn)）無條件斷點(diǎn)（2）有條件斷點(diǎn)）有條件斷點(diǎn)（4）取消斷點(diǎn)）取消斷點(diǎn)（3）在某個仿真時刻設(shè)置斷點(diǎn)）在某個仿真時刻設(shè)置斷點(diǎn)7.6子系統(tǒng)與封裝子系統(tǒng)與封裝7.6.1 創(chuàng)建子系統(tǒng)創(chuàng)建子系統(tǒng)1. 在模型中新建子系統(tǒng)在模型中新建子系統(tǒng)（1）將模型中需要創(chuàng)建成子系統(tǒng)的模塊都選中；）將模型中需要創(chuàng)建成子系統(tǒng)的模塊都選中；（2）選擇菜單）選擇菜單“Edit”“Create subsystem”，將選中的模塊用將選中的模塊用“Subsystem”模塊代替；模塊代替；（3）修

20、改子系統(tǒng)名，新建的子系統(tǒng)名默認(rèn)為）修改子系統(tǒng)名，新建的子系統(tǒng)名默認(rèn)為“Subsystem”；（4）修改輸入輸出端口名，新建子系統(tǒng)中的輸入）修改輸入輸出端口名，新建子系統(tǒng)中的輸入端口默認(rèn)名為端口默認(rèn)名為“In1”、“In2”，輸出端口名為，輸出端口名為“Out1”、“Out2”，可以修改端口名稱。，可以修改端口名稱。2. 在已有的子系統(tǒng)基礎(chǔ)上創(chuàng)建在已有的子系統(tǒng)基礎(chǔ)上創(chuàng)建7.6.2 封裝子系統(tǒng)封裝子系統(tǒng)1. 封裝子系統(tǒng)的步驟封裝子系統(tǒng)的步驟（1）選擇需要封裝的子系統(tǒng)并雙擊打開，）選擇需要封裝的子系統(tǒng)并雙擊打開，將需要設(shè)置的模塊參數(shù)設(shè)置為變量；將需要設(shè)置的模塊參數(shù)設(shè)置為變量；（2）選擇菜單）選擇菜單

21、“Edit”“Mask subsystem”，打開封裝對話框，設(shè)置，打開封裝對話框，設(shè)置“Icon”、“Parameters”、“Initialization”和和“Documentation”等各等各種參數(shù)；種參數(shù)；（3）保存設(shè)置。）保存設(shè)置。2. 封裝對話框封裝對話框在封裝對話框中設(shè)置封裝子系統(tǒng)的外觀、輸入?yún)⒃诜庋b對話框中設(shè)置封裝子系統(tǒng)的外觀、輸入?yún)?shù)、初始值和文字說明，封裝對話框中有數(shù)、初始值和文字說明，封裝對話框中有“Icon”、“Parameters”、“Initialization”和和“Documentation”四個選項(xiàng)卡。四個選項(xiàng)卡。7.6.3 定義自己的模塊庫定義自己的模塊庫創(chuàng)建模塊庫的方法是在創(chuàng)建模塊庫的方法是在Simulink環(huán)境中，環(huán)境中，選擇菜單選擇菜單“File”“New”“Library”，則，則會出現(xiàn)空白的模塊庫窗口，將模塊復(fù)制到模會出現(xiàn)空白的模塊庫窗口，將模塊復(fù)制到模塊庫窗口中