計算機仿真課件：實驗三 simulink仿真

1、實驗三 simulink仿真一、實驗?zāi)康?模塊的建立、連接、仿真參數(shù)的修改和子系統(tǒng)的創(chuàng)建及封裝。2熟悉系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)圖形式描述的連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真方法和步驟。3學(xué)會分析環(huán)節(jié)參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響1. 有初始狀態(tài)為0的二階微分方程 ，其中u(t)是單位階躍函數(shù)，試用兩種方法建立系統(tǒng)模型并仿真。2.某一單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為它的輸入信號為試使用Simulink構(gòu)造其仿真模型，并且觀察其響應(yīng)曲線。3.將2題中的閉環(huán)控制系統(tǒng)封裝成一個子系統(tǒng)。 第六章Simulink在系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用Simulink是一種用于在MATLAB下建立模塊化的集成軟件工具包。Simulink建模的基礎(chǔ)知識Si

2、mulink含兩層含義：“Simu”表示仿真（simulation）；而link表示它能夠進行系統(tǒng)連接，即：把一系列模塊連接起來，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型。正是由于它的這些功能和特色，使得它成為計算機仿真領(lǐng)域首選的仿真環(huán)境。 前面涉及到的仿真都是較為簡單的靜態(tài)仿真，為了處理更復(fù)雜的和時間有關(guān)的動態(tài)系統(tǒng)，就必須學(xué)習(xí)simulink的使用。Simulink是matlab提供的實現(xiàn)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包。它讓用戶把精力從編程轉(zhuǎn)向模型的構(gòu)造。啟動simulink，只需要在matlab命令窗口輸入：simulink 或者單擊命令窗口里工具欄上的按鈕。Simulink庫瀏覽器模型窗口SIMULINK的基本操

3、作1、SIMULINK窗口：庫瀏覽器、 SIMULINK模型窗口2、 SIMULINK模塊操作：模塊是建立SIMULINK模型的基本單元，用適當(dāng)?shù)姆绞桨迅鞣N模塊連接在一起就能夠建立任何動態(tài)系統(tǒng)模型。選取模塊、放大或縮小模塊、改變模塊名字雙擊某一模塊或在模塊上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇Block Parameters可以對參數(shù)進行設(shè)置，選擇Block Properties可以設(shè)置和查看模塊的特性。模塊的連線：移動鼠標(biāo)到某一模塊的輸出端，鼠標(biāo)的箭頭會變成十字形光標(biāo)，按住鼠標(biāo)左鍵移動鼠標(biāo)到另一模塊的輸入端，當(dāng)十字光標(biāo)出現(xiàn)重影時，釋放左鍵即可。2 SIMULINK的基本模塊在SIMULINK中包含：連續(xù)系統(tǒng)模

4、塊庫（Continuous）、離散系統(tǒng)模塊庫（Discrete）、數(shù)學(xué)運算模塊庫（Math）、非線性模塊庫（Nonlinear）、信號與系統(tǒng)模塊庫（Signal&System）、接收（輸出）模塊庫（Sinks）、輸入源模塊庫（Sources）等。每一個模塊又包含很多子模塊。連續(xù)系統(tǒng)模塊Continuous功能：模塊名 功能簡介Integrator 積分環(huán)節(jié)Derivative 微分環(huán)節(jié)State-Space 狀態(tài)方程Transfer Fcn 傳遞函數(shù)Zero-Pole 零極點模型Memory 把前一步的輸入作為輸出Transport Delay 把輸入信號按給定的時間做延遲Variable T

5、ransport Delay 按第二個輸入指定的時間把第一 個輸入做延遲離散系統(tǒng)模塊Discrete功能：模塊名 功能簡介Zero-Order Hold 零階保持器Unite Delay 采樣保持，延遲一個周期Discrete-Time Integrator 離散時間積分Discrete State-Space 離散狀態(tài)方程Discrete Filter 離散濾波器（IIR、FIR）Discrete Transfer Fcn 離散傳遞函數(shù)Discrete Zero-Pole 離散零極點模型First-Order Hold 一階保持器非線性模塊庫 Rate Limiter 限制輸入變化率的變化大

6、小 Saturation 讓輸出超過某一值時能夠飽和 Quantizer 把輸入轉(zhuǎn)化成階梯狀的量化輸出 Backlash 由deadband設(shè)定， 輸出依據(jù)輸入的改變而改變 Dead Zone 死區(qū)特性 Relay 限制輸出值在某一范圍內(nèi)變化 Switch 根據(jù)臨界值自動判斷選擇所接受的輸入端 Manual Switch 人工判斷選擇所接受的輸入端 Mutiport Switch 在多輸入中選一個輸出 Coulumb & Viscous Friction 當(dāng)輸出值達(dá)到一定值時，輸出才 會根據(jù)輸入而改變接收模塊sink功能：模塊名 功能簡介Scope 示波器XY Graph 兩個信號的關(guān)系圖，用

7、MATLAB圖形顯示Display 實時數(shù)值顯示To File 保存到文件To Workspace 輸出到當(dāng)前工作空間的變量Stop Simulation 輸入不為零時停止仿真用示波器模塊來觀察輸出Sinks庫Scope 示波器窗口X Y graph 繪制二維的圖形Display 將數(shù)據(jù)以數(shù)字的形式顯示出來使用Workspace模塊將信號輸入至Workspace模塊，該模塊將數(shù)據(jù)輸出到Matlab的命令窗口中，以simout變量名保存下來，也可以改變變量名用另外的名字保存時間數(shù)據(jù)用sources中的clock模塊使用返回值將輸出返回Matlab命令窗口中out1輸入源模塊source功能：模塊

8、名 功能簡介Constant 常數(shù)Signal Generator 信號發(fā)生器Step 階躍信號Ramp 線性增加或減少的信號Sine Wave 正弦波Repeating Sequence 重復(fù)的線性信號，類似鋸齒形Discrete Pulse Generator 離散脈沖發(fā)生器，和采樣時間有關(guān)Pulse Generator 脈沖發(fā)生器，和采樣時間無關(guān)Chirp Signal 頻率不斷變化的正弦信號Clock 輸出當(dāng)前的仿真時間Digital Clock 按指定速率輸出當(dāng)前仿真時間From File 從文件讀數(shù)據(jù)Random Number 高斯分布的隨機信號Uniform Random Num

9、ber 平均分布的隨機信號Band-Limited White Noise 帶限白噪聲3仿真模型參數(shù)的設(shè)置 建立模型之后，就可以對模型進行動態(tài)仿真，但在仿真前必須對模型的仿真參數(shù)進行相應(yīng)的設(shè)置。1、輸入信號的參數(shù)設(shè)置 雙擊信號源對象，改變其可設(shè)置值 例如，階躍信號的可設(shè)置參數(shù)有 Step time 階躍時間 Initial value 初值 Final value 終值2、示波器參數(shù)的設(shè)置 雙擊示波器，則出現(xiàn)示波器窗口，用于顯示波形；在示波器上端可設(shè)置屬性，包括顯示時間，采樣周期等。3、其他環(huán)節(jié)的設(shè)置 與輸入信號的設(shè)置一樣，通過雙擊對象彈出屬性窗口， 設(shè)置不同的參數(shù)。 2. 運行模型用戶在選擇

10、適當(dāng)?shù)乃惴ú⑶以O(shè)置好仿真參數(shù)后，就可以運行Simulink仿真模型了。有兩種方法可以啟動仿真：1）選擇SimulationStart；2）點擊圖標(biāo)“ ”。 注意：缺省時，示波器歷史數(shù)據(jù)只保存最后的5000個。如果我們希望顯示完整的仿真曲線，就需要將“Limit data to last 5000”前面復(fù)選框中的“”去掉。4、仿真參數(shù)的設(shè)置：主菜單Simulation選項下的Parameters選項用于設(shè)置仿真參數(shù)，主要包括：(1) 仿真算法，分別為： Euler 歐拉法 Runge-Kutta3 三階龍格庫塔法 Runge-Kutta5 五階龍格庫塔法（缺省） Adams Adams算法 Ge

11、ar 基耶算法 Adams/Gear A/G混合算法 Linsim 線性系統(tǒng)仿真算法(2) 仿真時間與仿真步長的設(shè)置 start time 開始時間 stop time 結(jié)束時間 Relative Tolerance 相對精度 Absolute Tolerance 絕對精度 Max(min) step size最大(最小)允許的步長最大步長=(停止時間-起始時間)/50,若仿真時間很長，有可能會出現(xiàn)失根，這時可根據(jù)需要設(shè)置較小的步長。輸出選項output optionsrefined output 細(xì)化輸出produce additional 產(chǎn)生附加輸出produce specified o

12、utput only只產(chǎn)生指定輸出1、簡單例子例1雙擊Signal Generator跳出屬性窗口Signal Generator模塊的位置在模型庫的simulink的source下，Scope模塊的位置在模型庫的simulink的sinks下。頻率2pi rad/sec未進一步設(shè)置時的仿真圖線：（雙擊Scope） 可見，正弦圖線不夠連續(xù)，這是因為顯示的采樣步長參數(shù)沒有調(diào)整到最好的結(jié)果。 在模型窗口選擇菜單中的simulation下的Configuration Parameters，進一步設(shè)置：將max step size設(shè)置為0.01，將min step size設(shè)置為0.001，再次仿真得

13、到新的圖線：步長為auto時步長調(diào)整后設(shè)置步長的窗口2、火炮隨動系統(tǒng)穩(wěn)定的情況開環(huán)比例系數(shù)增大5倍6.2.3 Simulink在控制系統(tǒng)仿真研究中的應(yīng)用舉例【例1】某一SISO的線性定常如圖所示，試用MATLAB觀測其單位階躍響應(yīng)曲線。解：建立一個Simulink模型文件，構(gòu)造如下圖所示的仿真模型 仿真運行結(jié)果 ：【例6-2】 某一非線性控制系統(tǒng)如圖5-20所示，判斷該系統(tǒng)是否有穩(wěn)定的極限環(huán)，并且分析該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解： 根據(jù)題意，可以列寫出以下方程建立繪制系統(tǒng)相軌跡的Simulink模型如下圖所示 運行仿真模型就繪制出該非線性控制系統(tǒng)相軌跡從相軌跡可以看到該非線性系統(tǒng)具有穩(wěn)定的極限環(huán)。再建立

14、另一種形式的系統(tǒng)仿真模型，并且得到仿真結(jié)果（下圖所示）。可以看到極限環(huán)對應(yīng)的等幅振蕩的振幅大約為0.6；周期大約為6秒。例 有初始狀態(tài)為0的二階微分方程x+0.2x+0.4x=0.2u (t), 其中u(t)是單位階躍函數(shù)，試建立系統(tǒng)模型并仿真。方法1：用積分器直接構(gòu)造求解微分方程的模型。方法2：利用傳遞函數(shù)模塊建模。方法3：利用狀態(tài)方程模塊建模。A=0 1;-0.4 -0.2;B=0;1;C=0.2 0 ;D=0;num,den=ss2tf(A,B,C,D)子系統(tǒng)的建立兩種方法：通過Subsystem模塊建立子系統(tǒng)和通過已有的模塊建立子系統(tǒng)。兩者的區(qū)別是：前者先建立子系統(tǒng)，再為其添加功能模塊

15、；后者先選擇模塊，再建立子系統(tǒng)。1通過Subsystem模塊建立子系統(tǒng)操作步驟為：(1) 先打開Simulink模塊庫瀏覽器，新建一個仿真模型。(2) 打開Simulink模塊庫中的Ports & Subsystems模塊庫，將Subsystem模塊添加到模型編輯窗口中。(3) 雙擊Subsystem模塊打開一個空白的Subsystem窗口，將要組合的模塊添加到該窗口中，另外還要根據(jù)需要添加輸入模塊和輸出模塊，表示子系統(tǒng)的輸入端口和輸出端口。這樣，一個子系統(tǒng)就建好了。創(chuàng)建一個簡單的三角函數(shù)方程 作為子系統(tǒng)Ports&subsystems subsystemPorts&subsystems In

16、1,out1math operationssources constant2通過已有的模塊建立子系統(tǒng)操作步驟為：(1) 先選擇要建立子系統(tǒng)的模塊，不包括輸入端口和輸出端口。(2) 選擇模型編輯窗口Edit菜單中的Create Subsystem 命令，這樣，子系統(tǒng)就建好了。在這種情況下，系統(tǒng)會自動把輸入模塊和輸出模塊添加到子系統(tǒng)中，并把原來的模塊變?yōu)樽酉到y(tǒng)的圖標(biāo)。選中要壓縮的子系統(tǒng) 壓縮成子系統(tǒng)以后 子系統(tǒng)封裝技術(shù)-模塊封裝方法 創(chuàng)建一個封裝模塊的主要步驟如下：（1） 創(chuàng)建一個子系統(tǒng) （2） 選中該子系統(tǒng)模塊，執(zhí)行模型窗口菜單中的“EditMask subsystem”命令，將子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為封裝

17、模塊。這時系統(tǒng)彈出封裝編輯對話框（右圖所示）。 （3） 使用封裝編輯對話框設(shè)置封裝文本、對話框和圖標(biāo)。 我們以簡單的三角函數(shù)方程 的子系統(tǒng)為例，學(xué)習(xí)如何封裝一個子系統(tǒng)。 (見教材87頁)Icon（圖標(biāo)）設(shè)置Parameter（參數(shù)）設(shè)置 該頁分為兩個區(qū)：對話框參數(shù)區(qū)（Dialog parameters）和已選擇參數(shù)選項區(qū)(Options for selected parameters)。對話框參數(shù)區(qū)用于選擇和改變封裝參數(shù)的主要性質(zhì)。已選擇參數(shù)選項區(qū)用于設(shè)置已選擇參數(shù)的其他選項。Initialization(初始化)設(shè)置 初始化頁分為兩個區(qū)：對話框變量區(qū)(Dialog variables)和初始化命令區(qū)（Initialization commands）。對話框變量區(qū)顯示在參數(shù)頁中設(shè)置好的子系統(tǒng)封裝參數(shù)。初始化命令區(qū)中可以輸入MATLAB語句，如定義變量、初始化變量等。Documentation（文本）設(shè)置文本編輯頁分為3個區(qū)：封裝類型區(qū)（Mask type）、封裝描述區(qū)（Mask description）和封裝幫助區(qū)（Mask help）。封裝類型區(qū)中的內(nèi)容將作為模塊的類型顯示在封裝模塊的對話框中。封裝描述區(qū)中的內(nèi)容包括描述該模塊功能的簡短語句，該區(qū)中的內(nèi)容將顯