《信息與通信系統(tǒng)仿真》課件7 Simulink 基礎(chǔ)

1、別志松 Simulink 基礎(chǔ)2主要內(nèi)容Simulink功能概述簡(jiǎn)單Simulink模型的建立Simulink工作原理子系統(tǒng)Simulink模型調(diào)試方法S-函數(shù)3SIMULINK概述MATLAB作為科學(xué)計(jì)算工具，已經(jīng)幾乎完美。但作為仿真工具，還有不足。SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包。提供了大量的內(nèi)置模塊能夠完成大部分系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，用戶只需要知道模塊的輸入輸出、參數(shù)配置等少數(shù)外部接口即可，不必關(guān)心內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式。這些模塊都是圖形化的。整個(gè)Simulink的建模過程都是在圖形用戶界面上完成的。4SIMULINK概述使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)

2、模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。微分方程和差分方程的求解等復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算問題都由Simulink本身來實(shí)現(xiàn)，用戶只需要根據(jù)問題類型及精度要求對(duì)求解器類型進(jìn)行配置即可。通過對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。采用類似于繪圖的方法建立系統(tǒng)框圖模型。（建模過程與Visio非常類似）5SIMULINK概述SIMULINK與MATLAB是相對(duì)獨(dú)立的，但是兩者之間可以相互傳遞數(shù)據(jù)。交互性動(dòng)態(tài)仿真：用戶可以在仿真的同時(shí)修改系統(tǒng)參數(shù)，仿真輸出結(jié)果隨著參數(shù)的改變而改變。層次化建模為了使模型結(jié)構(gòu)更加清楚，Simulink支持層次化建模的方法。支持自頂向下和自底向上兩

3、種層次化建模方法。6主要內(nèi)容Simulink功能概述簡(jiǎn)單Simulink模型的建立Simulink工作原理子系統(tǒng)Simulink模型調(diào)試方法S-函數(shù)舉例7打開Simulink命令窗口輸入Simulink或new or open a model(.mdl file)，然后在Simulink中啟動(dòng)library browser或點(diǎn)擊Matlab工具欄的Simulink按鈕。Simulink主要工作環(huán)境Library BrowserModel Editor8繪圖Simulink繪圖操作找到需要的模塊拖動(dòng)到相應(yīng)位置連線連線操作連接兩個(gè)模塊：拖動(dòng)或Ctrl+左鍵連線分支：按著ctrl鍵從線上某一點(diǎn)開始拖

4、動(dòng)刪除將一個(gè)模塊從連線處斷開：按著Shift鍵拖動(dòng)模塊9標(biāo)注雙擊線、空白分別可添加對(duì)線和模型的文本描述。字體等可調(diào)整有回調(diào)函數(shù)。10修改模塊參數(shù)通常雙擊模塊可以打開參數(shù)修改界面。不同的模塊可修改參數(shù)不同多參閱幫助，獲得關(guān)于模塊的使用說明和參數(shù)配置方法。11選擇求解器在Simultion菜單中選擇Configuration Parameters，所打開的窗口中第一個(gè)選項(xiàng)就是Solver。在這里可以設(shè)置起止時(shí)間、步長(zhǎng)、求解器類型等各種用于控制仿真的參數(shù)。12執(zhí)行仿真一般在模型中應(yīng)包含顯示、分析數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)輸出到Matlab工作區(qū)等模塊。執(zhí)行仿真后則能在相應(yīng)部分觀察輸出結(jié)果并分析正確性。1314Si

5、mulink建模一般步驟16主要內(nèi)容Simulink功能概述簡(jiǎn)單Simulink模型的建立與運(yùn)行Simulink工作原理Simulink模型的建立、運(yùn)行與調(diào)試S-函數(shù)的編寫Simulink的本質(zhì)特點(diǎn)Simulink是一個(gè)動(dòng)態(tài)仿真工具，它能夠適用于連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)仿真。Simulink中模型由模塊和線構(gòu)成，模塊隨著時(shí)間的變化不斷改變它們的狀態(tài)和輸出，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（信號(hào)）通過線進(jìn)行傳遞。Simulink的模塊和線從形式上來看非常類似于Microsoft Visio等軟件繪制的框圖或數(shù)據(jù)流圖，但是它不同于一般的框圖或數(shù)據(jù)流圖。其本質(zhì)特點(diǎn)在于其內(nèi)部包含了各模塊屬性、輸入、狀態(tài)和輸出等要素隨

6、時(shí)間變化的關(guān)系，這種特點(diǎn)體現(xiàn)了Simulink的動(dòng)態(tài)性。Simulink模塊的含義Simulink 框圖定義了信號(hào)和狀態(tài)變量之間的關(guān)系，這種關(guān)系與時(shí)間有關(guān)。Simulink仿真就是對(duì)這種“關(guān)系”在指定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行求解，該過程是通過對(duì)多個(gè)時(shí)間點(diǎn)上分別進(jìn)行求解來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)這些關(guān)系的每次求值稱為一個(gè)“時(shí)間步”.信號(hào)和狀態(tài)變量之間的關(guān)系由一組方程定義，這一組方程由模塊表示。每個(gè)模塊包含一組方程，給出輸出信號(hào)、輸入信號(hào)和狀態(tài)變量之間的關(guān)系18Simulink中的時(shí)間時(shí)間是Simulink模型中隱含著的、固定存在的一個(gè)量。時(shí)間從設(shè)定的初始時(shí)間開始，按照時(shí)間步變化，直到設(shè)定的結(jié)束時(shí)間為止。各個(gè)模塊在各個(gè)時(shí)

7、間步對(duì)它所代表的方程進(jìn)行求解.這些方程可能是隨時(shí)間發(fā)生變化的,體現(xiàn)了模型的動(dòng)態(tài)性。19Simulink中的狀態(tài)大部分模塊需要將當(dāng)前時(shí)間步的一些變量保存下來，供下一時(shí)刻計(jì)算輸出使用。這些變量就是狀態(tài)。有些情況下狀態(tài)是隱式定義的。在仿真的編譯階段Simulink會(huì)在模型的各個(gè)模塊中找到所有狀態(tài)量。狀態(tài)分為兩種：連續(xù)狀態(tài)離散狀態(tài)20連續(xù)狀態(tài)連續(xù)系統(tǒng)的多種模塊都包含有連續(xù)狀態(tài)的計(jì)算問題。連續(xù)狀態(tài)的計(jì)算需要知道狀態(tài)的變化率，即導(dǎo)數(shù)。連續(xù)狀態(tài)的計(jì)算問題用積分來實(shí)現(xiàn)。本質(zhì)上是常微分方程（ODE）的求解問題，通過數(shù)值積分來實(shí)現(xiàn)。數(shù)值積分的執(zhí)行過程不是在模塊內(nèi)部完成的，屬于Simulink仿真引擎范疇。21連續(xù)

8、狀態(tài)的求解數(shù)值積分的精度取決于：算法步長(zhǎng)Simulink提供了一系列數(shù)值積分算法供使用者根據(jù)對(duì)速度、精度的需求以及系統(tǒng)特征等因素選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值積分算法。Solver選項(xiàng)用于算法選擇和步長(zhǎng)設(shè)置。22Solver類型變步長(zhǎng)Solver步長(zhǎng)可以根據(jù)狀態(tài)的變化情況以及所要求的精度要求進(jìn)行調(diào)整，為了降低仿真復(fù)雜度，通常要求在滿足精度要求的條件下使得步長(zhǎng)盡可能大。固定步長(zhǎng)Solver用戶可設(shè)定步長(zhǎng)，在仿真過程中步長(zhǎng)不發(fā)生變化。23離散狀態(tài)離散狀態(tài)值的計(jì)算需要知道當(dāng)前時(shí)間步狀態(tài)值與前一時(shí)間步狀態(tài)值和當(dāng)前輸入之間的關(guān)系：狀態(tài)更新函數(shù)。Simulink自帶的離散模塊和Simulink的通信工具箱基本上都屬于這一

9、類。離散狀態(tài)的更新也有步長(zhǎng)方面的要求，離散狀態(tài)步長(zhǎng)的管理由離散Solver來實(shí)現(xiàn)。也分為變步長(zhǎng)和定步長(zhǎng)兩類。定步長(zhǎng)確定了一個(gè)時(shí)間步之后，每一個(gè)時(shí)間步不管狀態(tài)是否發(fā)生變化都會(huì)執(zhí)行一次仿真步變步長(zhǎng)只有離散狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)是才會(huì)觸發(fā)仿真步24混和狀態(tài)如果模型中既存在連續(xù)狀態(tài)又存在不連續(xù)狀態(tài)，Simulink的變步長(zhǎng)控制按如下準(zhǔn)則進(jìn)行時(shí)間步管理：離散求解器根據(jù)離散狀態(tài)的要求給出一個(gè)關(guān)于時(shí)間步的限制。連續(xù)求解器把這個(gè)條件作為一個(gè)約束條件，再根據(jù)連續(xù)狀態(tài)可變步長(zhǎng)的準(zhǔn)則計(jì)算步長(zhǎng)。Solver選擇時(shí)不能選擇discrete Solver。25Simulink仿真引擎工作過程26Simulink仿真的不同階段模型

10、編譯階段Simulink引擎調(diào)用模型編譯器，將模型編譯成執(zhí)行的形式。編譯器主要完成以下任務(wù)：對(duì)模塊參數(shù)中的表達(dá)式求值；確定信號(hào)屬性，如名字、數(shù)據(jù)類型等。傳遞信號(hào)屬性以確定未定義信號(hào)的屬性；優(yōu)化模塊；展平模塊的繼承關(guān)系；確定模塊運(yùn)行的優(yōu)先級(jí)；確定模塊的采樣時(shí)間；27Simulink仿真的不同階段連接階段Simulink引擎按執(zhí)行的次序排列方法（函數(shù)）運(yùn)行列表，同時(shí)定位和初始化存儲(chǔ)每個(gè)模塊運(yùn)行信息的存儲(chǔ)器；28Simulink仿真的不同階段仿真環(huán)階段分為兩個(gè)子階段：仿真環(huán)初始化階段和仿真環(huán)迭代階段。仿真環(huán)初始化階段只運(yùn)行一次，用于初始化系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出。 仿真迭代環(huán)階段，Simulink引擎在設(shè)定

11、的仿真開始時(shí)間到結(jié)束時(shí)間內(nèi)，在每一個(gè)時(shí)間步按順序計(jì)算系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出，并更新模型使它能反映系統(tǒng)最新的計(jì)算值。29仿真環(huán)迭代階段1、計(jì)算模型輸出面向?qū)ο蟮母拍钣?jì)算模型輸出方法-計(jì)算系統(tǒng)輸出方法-計(jì)算模塊輸出方法。其中計(jì)算模塊輸出方法中各個(gè)模塊計(jì)算的先后順序在連接階段確定。2、計(jì)算模型狀態(tài)解法器-計(jì)算模型狀態(tài)方法-計(jì)算系統(tǒng)狀態(tài)方法-計(jì)算模塊狀態(tài)方法狀態(tài)更新順序在連接階段確定。30仿真環(huán)迭代階段3、（可選）對(duì)連續(xù)狀態(tài)模塊檢查其不連續(xù)性。4、計(jì)算下一個(gè)仿真步（時(shí)間步）的時(shí)間。重復(fù)這四個(gè)步驟直到達(dá)到設(shè)定的仿真終止時(shí)間。3132主要內(nèi)容Simulink功能概述簡(jiǎn)單Simulink模型的建立Simulink

12、工作原理子系統(tǒng)Simulink模型調(diào)試方法S-函數(shù)子系統(tǒng)當(dāng)模型的規(guī)模較大或較復(fù)雜時(shí)，用戶可以將多個(gè)模塊組合成一個(gè)新的模塊，這樣的組合模塊稱為子系統(tǒng)。子系統(tǒng)可以把功能上密切相關(guān)的模塊集中到一起進(jìn)行管理，能夠減少系統(tǒng)中模塊的數(shù)目，便于系統(tǒng)建模和調(diào)試，體現(xiàn)了層次化建模的特點(diǎn)。子系統(tǒng)創(chuàng)建可以通過兩種方法來創(chuàng)建子系統(tǒng)。第一種方法可以看做是自頂向下的方法，即在上一級(jí)模型中增加一個(gè)子系統(tǒng)模塊，然后打開這個(gè)模塊添加要包含的模塊到子系統(tǒng)窗口。第二種方法是自底向上的形式，先添加組成子系統(tǒng)的模塊，然后將這些模塊組成一個(gè)子系統(tǒng)。也可以將已經(jīng)建好的模型中的一部分模塊組成子系統(tǒng)子系統(tǒng)的條件執(zhí)行一個(gè)子系統(tǒng)是否執(zhí)行可以由輸入

13、信號(hào)控制，用于控制子系統(tǒng)執(zhí)行的信號(hào)稱為控制信號(hào)，而這種受控制信號(hào)控制的子系統(tǒng)稱為條件執(zhí)行子系統(tǒng)。在復(fù)雜模型中，有的模塊執(zhí)行依賴于其他模塊，這種情況下，條件執(zhí)行子系統(tǒng)是非常有用的。根據(jù)控制信號(hào)對(duì)條件執(zhí)行子系統(tǒng)的控制方式不同，可以將條件執(zhí)行子系統(tǒng)劃分為4種基本類型：使能子系統(tǒng)、觸發(fā)子系統(tǒng)、觸發(fā)使能子系統(tǒng)和控制流子系統(tǒng)。條件執(zhí)行子系統(tǒng)的類型使能子系統(tǒng)包含一個(gè)使能控制信號(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)從負(fù)值經(jīng)過經(jīng)過零點(diǎn)變?yōu)檎禃r(shí)，子系統(tǒng)開始執(zhí)行，直到控制信號(hào)重新回到零或負(fù)值。觸發(fā)子系統(tǒng)包含一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)的符號(hào)發(fā)生改變，即出現(xiàn)過零現(xiàn)象時(shí)開始執(zhí)行，按不同的執(zhí)行條件還可以分為上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)和雙沿觸發(fā)子系統(tǒng)。

14、某些條件執(zhí)行子系統(tǒng)的執(zhí)行條件比較復(fù)雜，其控制信號(hào)可能不止一個(gè)，同時(shí)具有觸發(fā)控制信號(hào)和使能控制信號(hào)，這樣的條件執(zhí)行子系統(tǒng)稱為觸發(fā)使能子系統(tǒng)，只有觸發(fā)條件和使能條件同時(shí)滿足子系統(tǒng)才執(zhí)行?？刂屏髯酉到y(tǒng)類似于編程語言中的for、while、if和switch語句等，其中for循環(huán)子系統(tǒng)和while循環(huán)子系統(tǒng)能控制在一個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)循環(huán)執(zhí)行子系統(tǒng)；表達(dá)式條件執(zhí)行子系統(tǒng)和選擇執(zhí)行子系統(tǒng)用于根據(jù)輸入的不同取值執(zhí)行不同的分支，這兩種分支子系統(tǒng)需要與switchcase模塊和if模塊配合使用。封裝(mask)子系統(tǒng) 所謂子系統(tǒng)封裝，就是為子系統(tǒng)自定義對(duì)話框和圖標(biāo)，隱藏了子系統(tǒng)的內(nèi)容，使子系統(tǒng)看起來像一個(gè)普通的模塊

15、一樣。有一個(gè)獨(dú)立的操作界面，在使用時(shí)不必打開子系統(tǒng)中各模塊的對(duì)話框進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。子系統(tǒng)封裝還可以隱藏各個(gè)模塊的內(nèi)容以防無意識(shí)的修改，還能夠把常用的子系統(tǒng)加入到自定義的模塊庫實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)重用。38主要內(nèi)容Simulink功能概述簡(jiǎn)單Simulink模型的建立Simulink工作原理子系統(tǒng)Simulink模型調(diào)試方法S-函數(shù)Simulink 調(diào)試器功能Simulink調(diào)試器是分步驟檢測(cè)仿真結(jié)果，定位并診斷Simulink模型所包含的問題的交互式工具。Simulink調(diào)試器允許用戶設(shè)置斷點(diǎn)、控制仿真的執(zhí)行以及顯示模型的信息。Simulink調(diào)試器有一個(gè)圖形用戶界面和一個(gè)命令行用戶界面。圖形用戶界面可以使

16、用大部分常用的調(diào)試器的功能命令行用戶界面允許你使用所有調(diào)試器的功能。圖形用戶界面可以清晰看出形式觀察模型的執(zhí)行狀態(tài)，并使用顏色標(biāo)識(shí)的，模型仿真的同時(shí)，可以顯示模塊狀態(tài)的信息，模塊的輸入輸出信息以及模塊執(zhí)行的動(dòng)態(tài)過程等其他信息。Simulink Debugger選擇模型窗口中Tools-Simulink Debugger可以打開Simulink調(diào)試器的圖形用戶界面。Simulink Debugger在這個(gè)界面下可以實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)設(shè)置、逐方法調(diào)試等各種調(diào)試方法，在每一步執(zhí)行結(jié)束都可以在右側(cè)的Outputs和Status選項(xiàng)卡中觀察各模塊輸出和狀態(tài)量的變化情況。調(diào)試器支持動(dòng)畫調(diào)試模式，像放動(dòng)畫一樣一個(gè)方法

17、接著一個(gè)方法連續(xù)進(jìn)行仿真。對(duì)初學(xué)者而言，Simulink不僅是必不可少的調(diào)試調(diào)試工具，也是大家更好的理解Simulink仿真引擎的有效手段之一。仿真結(jié)果的可視化工具Simulink提供多個(gè)仿真結(jié)果可視化工具。42Simulink Debugger提供逐方法執(zhí)行、斷點(diǎn)設(shè)置等功能。可以對(duì)輸出、狀態(tài)、方法執(zhí)行順序進(jìn)行跟蹤。4344主要內(nèi)容Simulink功能概述簡(jiǎn)單Simulink模型的建立Simulink工作原理子系統(tǒng)Simulink模型調(diào)試方法S-函數(shù)S函數(shù)子系統(tǒng)可以看做是用戶在Simulink現(xiàn)有模塊基礎(chǔ)上組合成自己所需模塊的一個(gè)過程，但是Simulink的現(xiàn)有模塊不可能實(shí)現(xiàn)用戶所需要的所有仿

18、真功能，這時(shí)用戶就需要根據(jù)Simulink的工作原理，從最底層編寫自定義模塊對(duì)Simulink的功能進(jìn)行擴(kuò)展。Simulink提供的進(jìn)行這類二次開發(fā)的手段就是S函數(shù)。S函數(shù)最廣泛的用途是定制用戶自己的Simulink模塊。它的形式十分通用，能夠支持連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。45S函數(shù)S函數(shù)是系統(tǒng)函數(shù)（System Function）的簡(jiǎn)稱，是指采用非圖形化的方式（即計(jì)算機(jī)語言，區(qū)別于Simulink的系統(tǒng)模塊）描述的一個(gè)功能塊。用戶可以采用MATLAB，C，C+，F(xiàn)ORTRAN或Ada等語言編寫S-函數(shù)。S-函數(shù)由一種特定的語法構(gòu)成，用來描述并實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)以及復(fù)合系統(tǒng)等動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，

19、S-函數(shù)提供的是關(guān)于模塊內(nèi)部模型的程序表示，如對(duì)連續(xù)系統(tǒng)，S-函數(shù)中需要表示出該模塊常微分方程形式的狀態(tài)方程和相對(duì)應(yīng)的輸出方程，對(duì)離散系統(tǒng)則給出差分狀態(tài)方程和相應(yīng)的輸出方程。S-函數(shù)與仿真引擎的交互S-函數(shù)能夠接受來自Simulink求解器的相關(guān)信息，并對(duì)求解器發(fā)出的命令做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，這種交互作用非常類似于Simulink系統(tǒng)模塊與求解器的交互作用。S-函數(shù)作為與其他語言相結(jié)合的接口，可以使用這些語言所提供的強(qiáng)大能力。例如，MATLAB語言編寫的S-函數(shù)可以充分利用MATLAB所提供的豐富資源，方便地調(diào)用各種工具箱函數(shù)和圖形函數(shù)；使用C語言編寫的S-函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)的訪問，如實(shí)現(xiàn)與其它進(jìn)程的通信和同步等。S-function如何工作描述一個(gè)Simulink模塊需要三個(gè)基本元素，即輸入向量u，狀態(tài)向量x和輸出向量y。S函數(shù)的計(jì)算步驟計(jì)算連續(xù)狀態(tài)微分計(jì)算輸出更新離散狀態(tài)計(jì)算連續(xù)狀態(tài)積分另外還需要加上初始化和結(jié)束任務(wù)兩個(gè)階段4849M文件S函數(shù)m文件形式的S函數(shù)又分為兩種類型，分別稱為level-1 m文件S函數(shù)和level-2m文件S函數(shù)，兩者之間有密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而level-1 m文件S函數(shù)的概念更加清晰，因此我們重點(diǎn)介紹level-1 m文件S函數(shù)的編寫方法。在MATLAB安裝目錄的/toolbox/simulink/blocks/目錄下可以找