第5章 SIMULINK仿真

1、第第 5 章章 SIMULINK仿真仿真2022-5-812022-5-82第五章第五章 MATLAB的的SIMULINK仿真仿真 SIMULINK是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非析的集成軟件包。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)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)。離散事件系統(tǒng)。 在在 SIMULINK 提供的圖形用戶界面提供的圖形用戶界面GUI上，只要進(jìn)行上，只要進(jìn)行鼠標(biāo)的簡(jiǎn)單拖拉操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型。它鼠標(biāo)的簡(jiǎn)單拖拉操作就可構(gòu)造出復(fù)

2、雜的仿真模型。它外表以方塊圖形式呈現(xiàn)，且采用分層結(jié)構(gòu)。外表以方塊圖形式呈現(xiàn)，且采用分層結(jié)構(gòu)。 從建模角度講，這既適于自上而下（從建模角度講，這既適于自上而下（Top-down）的設(shè)的設(shè)計(jì)流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件），計(jì)流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件），又適于自下而上（又適于自下而上（Bottum-up） 逆程設(shè)計(jì)。逆程設(shè)計(jì)。2022-5-83MATLAB的的SIMULINK仿真仿真 從分析研究角度講，這種 SIMULINK 模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)，而且能讓用戶清晰地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。 在 SIMULINK

3、 環(huán)境中，用戶將觀察到現(xiàn)實(shí)世界中非線性因素和各種隨機(jī)因素對(duì)系統(tǒng)行為的影響。 在 SIMULINK 環(huán)境中，用戶可以在仿真進(jìn)程中改變感興趣的參數(shù)，實(shí)時(shí)地觀察系統(tǒng)行為的變化。2022-5-84MATLAB的的SIMULINK仿真仿真 在在MATLAB 7.0 版中，可直接在版中，可直接在 SIMULINK 環(huán)境中運(yùn)環(huán)境中運(yùn)作的工具包很多，已覆蓋通信、控制、信號(hào)處理、作的工具包很多，已覆蓋通信、控制、信號(hào)處理、DSP、電力系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，所涉內(nèi)容專業(yè)性極強(qiáng)。電力系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，所涉內(nèi)容專業(yè)性極強(qiáng)。 本講由淺入深地講述本講由淺入深地講述 SIMULINK 對(duì)各種數(shù)學(xué)、工程問(wèn)對(duì)各種數(shù)學(xué)、工程問(wèn)題的建模、

4、仿真和分析的基本方法，采用題的建模、仿真和分析的基本方法，采用“算例算例”作作為主體，配以適量的歸納性表述。為主體，配以適量的歸納性表述。2022-5-85模型的創(chuàng)建和模型文件模型的創(chuàng)建和模型文件SIMULINK 模型是什么？模型是什么？SIMULINK 模型有以下幾層含義：模型有以下幾層含義： 在視覺上表現(xiàn)為直觀的方框圖；在視覺上表現(xiàn)為直觀的方框圖； 在文件上則是擴(kuò)展名為在文件上則是擴(kuò)展名為 mdl 的的ASCII代碼；代碼； 在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為一組微分方程或差分方在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為一組微分方程或差分方程；程； 在行為上則模擬了實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性在行為上則模擬了實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 。2022-5-8

5、6 SIMULINK SIMULINK 模型通常包含三種模型通常包含三種 “組件組件”： 信源（信源（ SourcesSources）：）：可以是常數(shù)、時(shí)鐘、白噪聲、正可以是常數(shù)、時(shí)鐘、白噪聲、正弦波、階梯波、掃頻信號(hào)、脈沖生成器、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生弦波、階梯波、掃頻信號(hào)、脈沖生成器、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器等信號(hào)源；器等信號(hào)源； 系統(tǒng)（系統(tǒng)（ SystemSystem）：）：即指被研究系統(tǒng)的即指被研究系統(tǒng)的 SIMULINK SIMULINK 方方框圖；框圖； 信宿信宿（ Sink Sink）：）：可以是示波器、圖形記錄儀等?？梢允鞘静ㄆ?、圖形記錄儀等。 對(duì)于具體的對(duì)于具體的 SIMULINK SIMULINK

6、 模型而，不一定完全地包含這模型而，不一定完全地包含這三大組件。例如：研究初始條件對(duì)系統(tǒng)影響就不必包三大組件。例如：研究初始條件對(duì)系統(tǒng)影響就不必包含信源組件。含信源組件。2022-5-87SIMULINK 模型的創(chuàng)建模型的創(chuàng)建 創(chuàng)建模型文件；創(chuàng)建模型文件； 選擇對(duì)象；選擇對(duì)象； 模塊的操作；模塊的操作； 連線的操作；連線的操作； 對(duì)模型的注釋；對(duì)模型的注釋； 創(chuàng)建子系統(tǒng)；創(chuàng)建子系統(tǒng)； 仿真的配置仿真的配置 ； 保存模型；保存模型； 仿真和結(jié)果分析。仿真和結(jié)果分析。2022-5-88仿真運(yùn)行仿真運(yùn)行 使用菜單進(jìn)行仿真使用菜單進(jìn)行仿真 設(shè)置仿真參數(shù)和選擇求解器設(shè)置仿真參數(shù)和選擇求解器 通過(guò)選擇菜單

7、通過(guò)選擇菜單 Simulation 下的下的 Parameters 菜單項(xiàng)，用菜單項(xiàng)，用來(lái)設(shè)置仿真參數(shù)和選擇求解器。其中有三個(gè)頁(yè)面管理來(lái)設(shè)置仿真參數(shù)和選擇求解器。其中有三個(gè)頁(yè)面管理這些仿真參數(shù)。這些仿真參數(shù)。 在在 Solver 頁(yè)面，設(shè)置開始和停止時(shí)間，選擇求解器和頁(yè)面，設(shè)置開始和停止時(shí)間，選擇求解器和指定求解器（指定求解器（solver）的參數(shù)，另外還可以選擇一些輸?shù)膮?shù)，另外還可以選擇一些輸出選項(xiàng)。出選項(xiàng)。 在在 Solver options 中，中， SIMULINK 模型的仿真涉及到模型的仿真涉及到一組常微分方程（一組常微分方程（ODEs）的數(shù)值積分。如果模型是連的數(shù)值積分。如果模型

8、是連續(xù)系統(tǒng)，使用續(xù)系統(tǒng)，使用ode45方法方法；如果模型不是連續(xù)系統(tǒng)，使如果模型不是連續(xù)系統(tǒng)，使用用discrete方法。方法。2022-5-89仿真運(yùn)行仿真運(yùn)行 在在 Workspace I/O Workspace I/O 頁(yè)面，管理對(duì)頁(yè)面，管理對(duì) MATLAB MATLAB 工作空間工作空間的輸入和輸出。的輸入和輸出。 在在 Diagnostics Diagnostics 頁(yè)面，可以選擇在仿真期間顯示的警頁(yè)面，可以選擇在仿真期間顯示的警告信息的層次。告信息的層次。 通過(guò)命令行運(yùn)行仿真通過(guò)命令行運(yùn)行仿真 通過(guò)命令行運(yùn)行仿真與通過(guò)菜單運(yùn)行仿真相比通過(guò)命令行運(yùn)行仿真與通過(guò)菜單運(yùn)行仿真相比 ，有如

9、，有如下的下的 一些優(yōu)點(diǎn)：一些優(yōu)點(diǎn)： 可以不理睬模塊中的初始條件（參數(shù)可以不理睬模塊中的初始條件（參數(shù) x0 x0 ）；）； 可以定義任何外部輸入（用參數(shù)可以定義任何外部輸入（用參數(shù) ut ut ）；）；2022-5-810仿真運(yùn)行仿真運(yùn)行 可以由一個(gè)可以由一個(gè)M 文件來(lái)啟動(dòng)一個(gè)仿真，并且允許模塊中文件來(lái)啟動(dòng)一個(gè)仿真，并且允許模塊中的參數(shù)發(fā)生改變的參數(shù)發(fā)生改變 。 用來(lái)進(jìn)行仿真的命令有四個(gè)：用來(lái)進(jìn)行仿真的命令有四個(gè)： 使用使用 set_param 命令：開始、停止或者繼續(xù)仿真或者命令：開始、停止或者繼續(xù)仿真或者更新模塊的方框圖。更新模塊的方框圖。 get_param 命令來(lái)檢查一個(gè)仿真命令來(lái)檢

10、查一個(gè)仿真的狀態(tài)。的狀態(tài)。 使用使用 sim 命令：?jiǎn)?dòng)仿真命令；命令：?jiǎn)?dòng)仿真命令； 使用使用 simset 命令：用來(lái)向命令：用來(lái)向 sim 命令產(chǎn)生或者編輯仿真命令產(chǎn)生或者編輯仿真參數(shù)和積分法屬性的命令；參數(shù)和積分法屬性的命令； 使用使用 simget 命令：可以得到選項(xiàng)結(jié)構(gòu)體屬性和參數(shù)。命令：可以得到選項(xiàng)結(jié)構(gòu)體屬性和參數(shù)。2022-5-811SIMULINK模型窗的組成 L 工具條工具條：最左邊9個(gè)圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的Windows操作。其余圖標(biāo)含義如下： 打開庫(kù)瀏覽器 模型瀏覽器單雙窗外形切換 展現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)的父系統(tǒng) 打開調(diào)試器 仿真的啟動(dòng)或繼續(xù) 暫停（在仿真執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)） 結(jié)束仿真 顯示

11、庫(kù)連接 觀察封裝子系統(tǒng)2022-5-812如何調(diào)用MATLAB工作空間中的信號(hào)矩陣作為模型輸入。本例所需的輸入為 （1）編寫一個(gè)產(chǎn)生信號(hào)矩陣的）編寫一個(gè)產(chǎn)生信號(hào)矩陣的M函數(shù)文件函數(shù)文件function TU=source82_1(T0,N0,K)t=linspace(0,K*T0,K*N0+1);N=length(t);u1=t(1:(N0+1).2;u2=(t(N0+2):(2*N0+1)-2*T0).2;u3(1:(N-(2*N0+2)+1)=0;u=u1,u2,u3;TU=t,u;elseTtTTttTttu200)2()(222022-5-813（2）構(gòu)造簡(jiǎn)單的接收信號(hào)用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?gòu)

12、造簡(jiǎn)單的接收信號(hào)用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?2022-5-814（3）模塊的參數(shù)設(shè)置）模塊的參數(shù)設(shè)置 雙擊S82_1，在對(duì)話框中的Data中填寫TU（4）在指令窗中，運(yùn)行以下指令，在）在指令窗中，運(yùn)行以下指令，在MATLAB工作空間中產(chǎn)生工作空間中產(chǎn)生TU信號(hào)矩陣信號(hào)矩陣。TU=source82_1(1,100,4);（5）選中模型窗菜單選中模型窗菜單【Simulation：Start】，】，示波器呈現(xiàn)圖右圖信號(hào)。示波器呈現(xiàn)圖右圖信號(hào)。2022-5-815復(fù)位積分器的功用示例 ttttdtttdttf5055 . 0505 . 0)(從實(shí)際抽象出初始狀態(tài)為0的二階微分方程 ， 是單位階躍函數(shù)。本例演示如何用

13、積分器直接構(gòu)搭求解該微分方程的模型。 )(2 .04 .02 .0tuxxx )(tu2022-5-817利用存放在MATLAB工作空間中的仿真數(shù)據(jù)所繪制的曲線Clftt=ScopeData.time;%為書寫簡(jiǎn)單，把構(gòu)架域的時(shí)間數(shù)據(jù)另賦給為書寫簡(jiǎn)單，把構(gòu)架域的時(shí)間數(shù)據(jù)另賦給ttxx=ScopeData.signals.values;%目的同上。目的同上。xm,km=max(xx);plot(tt,xx,r,LineWidth,4);hold onplot(tt(km),xm,b.,MarkerSize,36);hold offstrmax=char(最大值最大值,t = ,num2str(t

14、t(km),x = ,num2str(xm);text(6.5,xm,strmax),xlabel(t),ylabel(x)2022-5-818利用存放在MATLAB工作空間中的仿真數(shù)據(jù)所繪制的曲線0510152000.10.20.30.40.50.60.70.80.9最 大值 t = 4.9144 x = 0.80152tx2022-5-819直接利用傳遞函數(shù)模塊求解方程 2022-5-821利用使能子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)半波整流的仿真模型 Band-Limited White Noise（限帶白噪聲限帶白噪聲）Chirp Signal（掃頻信號(hào)掃頻信號(hào)）Clock（時(shí)鐘時(shí)鐘）Constant（常量）常

15、量）Digital Clock（數(shù)字時(shí)鐘數(shù)字時(shí)鐘） Discrete Pulse Generator（離散脈沖生成器離散脈沖生成器）From Workspace（從工作空間讀取數(shù)據(jù)從工作空間讀取數(shù)據(jù)）From File（從文件讀數(shù)據(jù)從文件讀數(shù)據(jù)）Pulse Generator（脈沖生成器脈沖生成器）Ramp（傾斜）傾斜）Random Number（隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器）Repeating Sequence（重復(fù)序列）重復(fù)序列）Sources 庫(kù)（續(xù)）庫(kù)（續(xù)）Signal Generator（信號(hào)發(fā)生信號(hào)發(fā)生 器器）Sine Wave（正弦波正弦波）Step（階躍階躍）Uniform Ran

16、dom Number（均勻分布隨機(jī)數(shù)）均勻分布隨機(jī)數(shù)）Display（顯示顯示）Scope（示波器示波器）Stop Simulation（停止仿真）停止仿真）To File（寫入文件寫入文件）To Workspace（寫到工作空間寫到工作空間）XY Graph（顯示平面圖形顯示平面圖形）Discrete 庫(kù)庫(kù)Discrete Filter（離散濾波器離散濾波器）Discrete State Space（離散狀態(tài)空間離散狀態(tài)空間）Discrete-Time Integrator（離散時(shí)間積分器離散時(shí)間積分器）Discrete Transfer Fcn（離散傳遞函數(shù)離散傳遞函數(shù)）Discrete

17、Zero-Pole（數(shù)字零極點(diǎn)函數(shù)數(shù)字零極點(diǎn)函數(shù)）First-Order Hold（一階保持）一階保持）Zero-Order Hold（零階保持零階保持）Unit Delay（單位延遲單位延遲）Continuous 庫(kù)庫(kù)Derivative（導(dǎo)數(shù)導(dǎo)數(shù)）Integrator（積分器積分器）Memory（記憶）記憶）State Space（狀態(tài)空間狀態(tài)空間） Transfer Fcn（傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)） Transport Delay（傳遞延遲傳遞延遲） Variable Transport Delay（可變傳輸延遲）可變傳輸延遲） Zero-Pole（零零-極點(diǎn)極點(diǎn)） Math 庫(kù)庫(kù)Abs（絕對(duì)

18、值絕對(duì)值）Algebraic ConstraintCombinatorial Logic（組合組合邏輯邏輯）Complex to Magnitude-Angle Complex to Real-Image Dot Product（點(diǎn)乘點(diǎn)乘）Gain（增益增益） Logical Operator（邏輯邏輯運(yùn)算運(yùn)算） Magnitude-Angle to Complex（）（）Math Function（數(shù)學(xué)函數(shù)數(shù)學(xué)函數(shù)）Matrix Gain（矩陣增益矩陣增益）MinMax（最大最小值最大最小值）Math 庫(kù)（續(xù)）庫(kù)（續(xù)）Product（乘積乘積）Real-Image to ComplexRel

19、ational Operator（關(guān)系關(guān)系運(yùn)算運(yùn)算）Rounding Function（圓整函數(shù)圓整函數(shù)）Sign（符號(hào)符號(hào)） Slider Gain（滑塊增益滑塊增益） Sum（和和） Trigonometric Function（三角函數(shù)三角函數(shù)） Nonlinear 庫(kù)庫(kù)Backlash 模塊模塊Coulomb and Viscous Friction（庫(kù)侖和粘性摩擦庫(kù)侖和粘性摩擦）Dead Zone（死區(qū)）死區(qū)）Manual Switch（手動(dòng)開關(guān)手動(dòng)開關(guān) ） Multiport Switch（多路轉(zhuǎn)換開關(guān)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)） Quantizer（量化）量化） Rate Limiter（限速器限速器）Relay（繼電器繼電器） Saturation（飽和）飽和）Switch（選擇開關(guān)選擇開關(guān)） Signals & Systems Signals & Systems 庫(kù)庫(kù)Bus SelectorBus Selector（總線選擇器總線選擇器）Configurable SubsystemConfigurable Subsystem（可配置子系統(tǒng)可配置子系統(tǒng)）Data Store MemoryData Store Memory（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）Data Store ReadData Store Read（讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)） Da