Simulink動態(tài)仿真集成環(huán)境課件

1、第十章 SIMULINK動態(tài)仿真集成環(huán)境7/23/20221 Simulink操作基礎(chǔ) 系統(tǒng)仿真模型 系統(tǒng)的仿真使用命令操作對系統(tǒng)進(jìn)行仿真子系統(tǒng)及其封裝技術(shù)7/23/2022210.1 Simulink操作基礎(chǔ)10.1.1 Simulink簡介 Simulink是MATLAB的重要組成部分，提供建立系統(tǒng)模型、選擇仿真參數(shù)和數(shù)值算法、啟動仿真程序?qū)υ撓到y(tǒng)進(jìn)行仿真、設(shè)置不同的輸出方式來觀察仿真結(jié)果等功能。7/23/2022310.1.2 Simulink的啟動與退出 1. Simulink的啟動 在MATLAB的命令窗口輸入simulink或單擊MATLAB主窗口工具欄上的Simulink命令按鈕

2、即可啟動Simulink。Simulink啟動后會顯示Simulink模塊庫瀏覽器(Simulink Library Browser)窗口。7/23/20224 在MATLAB主窗口File菜單中選擇New菜單項(xiàng)下的Model命令，在出現(xiàn)Simulink模塊庫瀏覽器的同時(shí)，還會出現(xiàn)一個名字為untitled的模型編輯窗口。在啟動Simulink模塊庫瀏覽器后再單擊其工具欄中的Create a new model命令按鈕，也會彈出模型編輯窗口。利用模型編輯窗口，可以通過鼠標(biāo)的拖放操作創(chuàng)建一個模型。7/23/20225 模型創(chuàng)建完成后，從模型編輯窗口的File菜單項(xiàng)中選擇Save或Save As命

3、令，可以將模型以模型文件的格式(擴(kuò)展名為.mdl)存入磁盤。 如果要對一個已經(jīng)存在的模型文件進(jìn)行編輯修改，需要打開該模型文件，其方法是，在MATLAB命令窗口直接輸入模型文件名(不要加擴(kuò)展名.mdl)。在模塊庫瀏覽器窗口或模型編輯窗口的File菜單中選擇Open命令，然后選擇或輸入欲編輯模型的名字，也能打開已經(jīng)存在的模型文件。另外，單擊模塊庫瀏覽器窗口工具欄上的Open a model命令按鈕或模型編輯窗口工具欄上的Open model命令按鈕，也能打開已經(jīng)存在的模型文件。7/23/202262. Simulink的退出 為了退出Simulink，只要關(guān)閉所有模型編輯窗口和Simulink模塊

4、庫瀏覽器窗口即可。7/23/2022710.2 系統(tǒng)仿真模型10.2.1 Simulink的基本模塊 Simulink的模塊庫提供了大量模塊。單擊模塊庫瀏覽器中Simulink前面的“+”號，將看到Simulink模塊庫中包含的子模塊庫，單擊所需要的子模塊庫，在右邊的窗口中將看到相應(yīng)的基本模塊，選擇所需基本模塊，可用鼠標(biāo)將其拖到模型編輯窗口。同樣，在模塊庫瀏覽器左側(cè)的Simulink欄上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中單擊Open the Simulink Libray 命令，將打開Simulink基本模塊庫窗口。單擊其中的子模塊庫圖標(biāo)，打開子模塊庫，找到仿真所需要的基本模塊。7/23/202

5、2810.2.2 模塊的編輯 1. 添加模塊 2. 選取模塊 3. 復(fù)制與刪除模塊 4. 模塊外形的調(diào)整 5. 模塊名的處理7/23/2022910.2.3 模塊的連接 1. 連接兩個模塊 2. 模塊間連線的調(diào)整 3. 連線的分支 4. 標(biāo)注連線 5. 刪除連線7/23/20221010.2.4 模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置 1. 模塊的參數(shù)設(shè)置 Simulink中幾乎所有模塊的參數(shù)都允許用戶進(jìn)行設(shè)置，只要雙擊要設(shè)置的模塊或在模塊上按鼠標(biāo)右鍵并在彈出的快捷菜單中選擇相應(yīng)模塊的參數(shù)設(shè)置命令就會彈出模塊參數(shù)對話框。該對話框分為兩部分，上面一部分是模塊功能說明，下面一部分用來進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置。 同樣，先選擇

6、要設(shè)置的模塊，再在模型編輯窗口Edit菜單下選擇相應(yīng)模塊的參數(shù)設(shè)置命令也可以打開模塊參數(shù)對話框。7/23/2022112. 模塊的屬性設(shè)置 選定要設(shè)置屬性的模塊，然后在模塊上按鼠標(biāo)右鍵并在彈出的快捷菜單中選擇Block properties，或先選擇要設(shè)置的模塊，再在模型編輯窗口的Edit菜單下選擇Block properties命令，將打開模塊屬性對話框。該對話框包括General、Block annotation和Callbacks 3個可以相互切換的選項(xiàng)卡。其中選項(xiàng)卡中可以設(shè)置3個基本屬性：Description(說明)、Priority(優(yōu)先級) 、Tag(標(biāo)記)。7/23/20221

7、2操作過程如下：(1) 在MATLAB主菜單中,選擇File菜單中New菜單項(xiàng)的Model命令，打開一個模型編輯窗口(2) 將所需模塊添加到模型中。(3) 設(shè)置模塊參數(shù)并連接各個模塊組成仿真模型。設(shè)置模塊參數(shù)后，用連線將各個模塊連接起來組成系統(tǒng)仿真模型。模型建好后，從模型編輯窗口的File菜單中選擇Save或Save as命令將它存盤。例10-1 有系統(tǒng)的微分方程，試建立系統(tǒng)仿真模型7/23/20221310.3 系統(tǒng)的仿真10.3.1 設(shè)置仿真參數(shù) 打開系統(tǒng)仿真模型，從模型編輯窗口的Simulation菜單中選擇Simulation parameters命令，打開一個仿真參數(shù)對話框，在其中可

8、以設(shè)置仿真參數(shù)。仿真參數(shù)對話框包含5個可以相互切換的選項(xiàng)卡： (1) Solver選項(xiàng)卡：用于設(shè)置仿真起始和停止時(shí)間，選擇微分方程求解算法并為其規(guī)定參數(shù)，以及選擇某些輸出選項(xiàng)。 (2) Workspace I/O選項(xiàng)卡：用于管理對MATLAB工作空間的輸入和輸出。7/23/202214(3) Diagnostics選項(xiàng)卡：用于設(shè)置在仿真過程中出現(xiàn)各類錯誤時(shí)發(fā)出警告的等級。(4) Advanced選項(xiàng)卡：用于設(shè)置一些高級仿真屬性，更好地控制仿真過程。(5) Real-time Workshop選項(xiàng)卡：用于設(shè)置若干實(shí)時(shí)工具中的參數(shù)。如果沒有安裝實(shí)時(shí)工具箱，則將不出現(xiàn)該選項(xiàng)卡。7/23/202215

9、10.3.2 啟動系統(tǒng)仿真與仿真結(jié)果分析 設(shè)置完仿真參數(shù)之后，從Simulation中選擇Start菜單項(xiàng)或單擊模型編輯窗口中的Start Simulation命令按鈕，便可啟動對當(dāng)前模型的仿真。此時(shí)，Start菜單項(xiàng)變成不可選, 而Stop菜單項(xiàng)變成可選, 以供中途停止仿真使用。從Simulation菜單中選擇Stop項(xiàng)停止仿真后，Start項(xiàng)又變成可選。 為了觀察仿真結(jié)果的變化軌跡可以采用3種方法：(1) 把輸出結(jié)果送給Scope模塊或者XY Graph模塊。(2) 把仿真結(jié)果送到輸出端口并作為返回變量，然后使用MATLAB命令畫出該變量的變化曲線。(3) 把輸出結(jié)果送到To Worksp

10、ace模塊，從而將結(jié)果直接存入工作空間，然后用MATLAB命令畫出該變量的變化曲線。7/23/202216仿真過程如下：(1) 啟動Simulink并打開模型編輯窗口。(2) 將所需模塊添加到模型中。(3) 設(shè)置模塊參數(shù)并連接各個模塊組成仿真模型。 設(shè)置模塊參數(shù)后，用連線將各個模塊連接起來組成仿真模型。(4) 設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)。(5) 開始系統(tǒng)仿真。(6) 觀察仿真結(jié)果。例10-2 利用Simulink仿真曲線。7/23/202217例10-3 利用Simulink仿真求解微分方程模型。仿真過程如下：(1) 打開一個模型編輯窗口。(2) 將所需模塊添加到模型中。(3) 設(shè)置模塊參數(shù)并連接各個模

11、塊組成仿真模型。(4) 設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)。(5) 開始系統(tǒng)仿真。(6) 觀察仿真結(jié)果。7/23/20221810.3.3 系統(tǒng)仿真實(shí)例 至此，可以總結(jié)出利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真的步驟如下： (1) 建立系統(tǒng)仿真模型，這包括添加模塊、設(shè)置模塊參數(shù)以及進(jìn)行模塊連接等操作。 (2) 設(shè)置仿真參數(shù)。 (3) 啟動仿真并分析仿真結(jié)果。例10-4 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 7/23/202

12、2197/23/2022207/23/2022217/23/20222210.4 使用命令操作對系統(tǒng)進(jìn)行仿真 從命令窗口運(yùn)行仿真的函數(shù)有4個，即sim、simset、simget和set_param。 1. sim函數(shù) sim函數(shù)的作用是運(yùn)行一個由Simulink建立的模型，其調(diào)用格式為：t, x, y =sim(modname,timespan,options,data)7/23/2022232. simset函數(shù) simset 函數(shù)用來為sim函數(shù)建立或編輯仿真參數(shù)或規(guī)定算法，并把設(shè)置結(jié)果保存在一個結(jié)構(gòu)變量中。它有如下4種用法：(1) options=simset(property,val

13、ue,)：把property代表的參數(shù)賦值為value，結(jié)果保存在結(jié)構(gòu)options中。(2) options=simset(old_opstruct,property,value,)：把已有的結(jié)構(gòu)old_opstruct(由simset產(chǎn)生)中的參數(shù)property重新賦值為value，結(jié)果保存在新結(jié)構(gòu)options中。(3) options=simset(old_opstruct,new_opstruct)：用結(jié)構(gòu)new_opstruct的值替代已經(jīng)存在的結(jié)構(gòu)old_opstruct的值。(4) simset：顯示所有的參數(shù)名和它們可能的值。7/23/2022243. simget函數(shù) s

14、imget函數(shù)用來獲得模型的參數(shù)設(shè)置值。如果參數(shù)值是用一個變量名定義的，simget返回的也是該變量的值而不是變量名。如果該變量在工作空間中不存在(即變量未被賦值)，則Simulink給出一個出錯信息。該函數(shù)有如下3種用法：(1) struct=simget(modname)：返回指定模型model的參數(shù)設(shè)置的options結(jié)構(gòu)。(2) value=simget(modname,property)：返回指定模型model的參數(shù)property的值。(3) value=simget(options,property)：獲取options結(jié)構(gòu)中的參數(shù)property的值。如果在該結(jié)構(gòu)中未指定該參數(shù)

15、，則返回一個空陣。 用戶只需輸入能夠唯一識別它的那個參數(shù)名稱的前幾個字符即可，對參數(shù)名稱中字母的大小寫不作區(qū)別。7/23/2022254. set_param函數(shù)set_param函數(shù)的功能很多，這里只介紹如何用set_param函數(shù)設(shè)置Simulink仿真參數(shù)以及如何開始、暫停、終止仿真進(jìn)程或者更新顯示一個仿真模型。(1) 設(shè)置仿真參數(shù)調(diào)用格式為：set_param(modname,property,value,)其中modname為設(shè)置的模型名，property為要設(shè)置的參數(shù)，value是設(shè)置值。這里設(shè)置的參數(shù)可以有很多種，而且和用simset設(shè)置的內(nèi)容不盡相同，相關(guān)參數(shù)的設(shè)置可以參考有關(guān)

16、資料。7/23/202226(2) 控制仿真進(jìn)程調(diào)用格式為：set_param(modname,SimulationCommand,cmd)其中mode為仿真模型名稱，而cmd是控制仿真進(jìn)程的各個命令，包括start、stop、pause、comtinue或update。在使用這兩個函數(shù)的時(shí)候，需要注意必須先把模型打開。7/23/20222710.5 子系統(tǒng)及其封裝技術(shù)10.5.1 子系統(tǒng)的建立 建立子系統(tǒng)有兩種方法：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；后者先選擇模塊，再建立子系統(tǒng)。7/23/2022281. 通過

17、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。7/23/2022292. 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C

18、reate 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)。7/23/202230例10-5 PID控制器是在自動控制中經(jīng)常使用 的模塊，試建立PID控制器的模型并建立 子系統(tǒng)。步驟如下：(1) 先建立PID控制器的模型。(2) 建立子系統(tǒng)。7/23/20223110.5.2 子系統(tǒng)的條件執(zhí)行 1. 使能子系統(tǒng) 建立使能子系統(tǒng)的方法是：打開Simulink模塊庫中的Ports & Subsystems模塊庫，將Enable模塊復(fù)制到子系統(tǒng)模型中，則系統(tǒng)的圖標(biāo)發(fā)生了變化。7/23/202232操作步驟如下

19、：(1) 打開Simulink模塊庫瀏覽器并新建一個仿真模型。(2) 將Sine Wave、Enabled Subsystem、Scope 3個模塊拖至新打開的模型編輯窗口，連接各模塊并存盤。其中使能信號端接Sine Wave模塊。為了便于比較，除顯示半波整流波形外，還顯示正弦波，故在示波器屬性窗口將Number of axes設(shè)置為2。使能子系統(tǒng)建立好后，可對Enable模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 (3) 選擇Simulink菜單中的Start命令，就可看到半波整流波形和正弦波形。例10-6 利用使能子系統(tǒng)構(gòu)成一個正弦半波整流器。7/23/2022332. 觸發(fā)子系統(tǒng) 觸發(fā)子系統(tǒng)是指當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)

20、開始執(zhí)行子系統(tǒng)。與使能子系統(tǒng)相類似，觸發(fā)子系統(tǒng)的建立要把Ports & Subsystems模塊庫中的Trigger模塊添加到子系統(tǒng)中或直接選擇Triggered Subsystem模塊來建立觸發(fā)子系統(tǒng)。7/23/202234操作步驟如下：(1) 用Signal Generator、Triggered Subsystem和Scope模塊構(gòu)成子系統(tǒng)。(2) 選擇Simulink菜單中的Start命令，就可看到波形。例10-7 利用觸發(fā)子系統(tǒng)將一鋸齒波轉(zhuǎn)換成方波。7/23/2022353. 使能加觸發(fā)子系統(tǒng) 所謂使能加觸發(fā)子系統(tǒng)就是把Enable和Tirgger模塊都加到子系統(tǒng)中，使能控制信號和觸發(fā)控制信號共同作用子系統(tǒng)的執(zhí)行，也就是前兩種子系統(tǒng)的綜合。該系統(tǒng)的行為方式與觸發(fā)子系統(tǒng)相似，但只有當(dāng)使能信號為正時(shí)，觸發(fā)事件才起作用。7/23/20223610.5.3 子系統(tǒng)的封裝 所謂子系統(tǒng)的封裝(Masking)，就是為子系統(tǒng)定制對話框和圖標(biāo)，使子系統(tǒng)本身有一個獨(dú)立的操作界面，把子系統(tǒng)中的各模塊的參數(shù)對話框合成一個參數(shù)設(shè)置對話框，在使用時(shí)不必打開每個模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這樣使子系統(tǒng)的使用更加方便。 子系統(tǒng)的封裝過程很簡單，先選中所要封裝的子系統(tǒng)，再選擇模型編輯窗口Edit菜單中的Mask subsystem命令，這時(shí)將出現(xiàn)封裝編輯器(Mask Editor)