Simulink的控制系統(tǒng)建模與仿真

1第五章Simulink的控制系統(tǒng)建模與仿真 本節(jié)基于MATLAB7.1版本，Simulink6.3版本詳細(xì)介紹Simulink在控制系統(tǒng)中的建模與仿真方法。25.1Simulink模塊庫(kù)圖5.1.1Simulink啟動(dòng)界面3常用模塊組（CommonlyUsedBlocks）

圖5.1.2常用模塊組4表5.1.1常用模塊組模塊介紹及說(shuō)明模塊名稱(chēng)模塊形狀功能說(shuō)明常數(shù)模塊Constant恒值輸出；數(shù)值可設(shè)置。分路器模塊Demux將一路信號(hào)分解成多路信號(hào)。混路器模塊Mux將幾路信號(hào)按向量形式混合成一路信號(hào)。增益模塊Gain將模塊的輸入信號(hào)乘以設(shè)定的增益值。輸入端口模塊In1標(biāo)準(zhǔn)輸入端口；生成子系統(tǒng)或作為外部輸入的輸入端。5輸出端口模塊ut1標(biāo)準(zhǔn)輸出端口；生成子系統(tǒng)或作為模型的輸出端口。示波器模塊Scope顯示實(shí)時(shí)信號(hào)。求和模塊Sum實(shí)現(xiàn)代數(shù)求和；與ADD模塊功能相同。飽和模塊Saturation實(shí)現(xiàn)飽和特性；可設(shè)置線(xiàn)性段寬度。積分模塊Integrator輸入輸出信號(hào)的連續(xù)時(shí)間積分；可設(shè)置輸入信號(hào)的初始值。子系統(tǒng)模塊Subsystems子系統(tǒng)模塊。單位延遲模塊UnitDelay將信號(hào)延遲一個(gè)時(shí)間單位；可設(shè)置初始條件6連續(xù)模塊組（Continuous）7連續(xù)模塊組的模塊及功能介紹名稱(chēng)形狀功能說(shuō)明積分模塊Integrator計(jì)算積分。微分模塊Derivative計(jì)算微分。狀態(tài)空間模塊State-Space創(chuàng)建狀態(tài)空間模型。傳遞函數(shù)模塊TransferFcn創(chuàng)建傳遞函數(shù)模型。零極點(diǎn)增益模塊Zero-Pole創(chuàng)建零極點(diǎn)增益模型。時(shí)間延遲模塊TransportDelay創(chuàng)建延遲環(huán)節(jié)模型；輸入、輸出信號(hào)在給定時(shí)間的延遲?？勺儠r(shí)間延遲模塊VariableTimeDelay輸入、輸出信號(hào)的可變時(shí)間延遲。變量延遲模塊VariableTransportDelay與可變時(shí)間延遲模塊相似。8非連續(xù)模塊組（Discontinuities）9非連續(xù)模塊組的模塊及功能介紹名稱(chēng)形狀功能說(shuō)明飽和模塊Saturation實(shí)現(xiàn)飽和特征。死區(qū)模塊DeadZone實(shí)現(xiàn)死區(qū)非線(xiàn)性特征。動(dòng)態(tài)死區(qū)模塊DeadZoneDynamic實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)死區(qū)。磁滯回環(huán)模塊Backlash實(shí)現(xiàn)磁滯回環(huán)。滯環(huán)繼電模塊Relay實(shí)現(xiàn)有滯環(huán)的繼電特性。量化模塊Quantizer對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。庫(kù)侖與粘性摩擦模塊Coulomb&ViscousFriction實(shí)現(xiàn)庫(kù)侖摩擦加粘性摩擦。10離散模塊組（Discrete）11離散模塊組的模塊及功能介紹名稱(chēng)形狀功能介紹單位延遲模塊UnitDelay實(shí)現(xiàn)Z域單位延遲，等同于離散時(shí)間算子z-1。離散時(shí)間積分模塊Discrete-TimeIntegrator實(shí)現(xiàn)離散時(shí)間變量積分。離散傳遞函數(shù)模塊DiscreteTransferFcn實(shí)現(xiàn)脈沖傳遞函數(shù)模型。離散濾波器模塊DiscreteFilter實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)模型。離散零極點(diǎn)增益模塊DiscreteZero-Pole實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)增益形式脈沖傳遞函數(shù)模型。離散狀態(tài)空間模塊DiscreteState-Space實(shí)現(xiàn)離散狀態(tài)空間模型。一階保持器模塊First-OrderHold實(shí)現(xiàn)一階保持器。零階保持器模塊Zero-OlderHold實(shí)現(xiàn)零階保持器。12數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組（MathOperations）13數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組的模塊及功能介紹名稱(chēng)形狀功能介紹求和模塊Sum實(shí)現(xiàn)代數(shù)求和；和ADD模塊功能相同。相減模塊Subtract對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行減運(yùn)算。增益模塊Gain將輸入信號(hào)值乘以該增益值輸出。叉乘模塊Product實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算。點(diǎn)乘模塊DotProduct對(duì)兩個(gè)輸入矢量進(jìn)行點(diǎn)積運(yùn)算。符號(hào)函數(shù)模塊Sign實(shí)現(xiàn)符號(hào)函數(shù)運(yùn)算。數(shù)學(xué)函數(shù)模塊MathFunction實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)算。正弦波模塊SineWaveFunction正弦波輸出。實(shí)部和虛部轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)模塊Real-ImagtoComplex將實(shí)部和虛部的輸入轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)。幅相轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)模塊Magnitude-AngletoComplex將幅值和相角輸入轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)。14信源模塊組（Sources）15信源模塊組的模塊及功能介紹名稱(chēng)形狀功能介紹輸入端口模塊In1標(biāo)準(zhǔn)輸入端口。接地模塊Ground將未連接的輸入端接地，輸出為零從文件中輸入數(shù)據(jù)模塊FromFile從MATLAB文件中獲取數(shù)據(jù)從工作空間輸入數(shù)據(jù)模塊FromWorkspace從MATLAB工作空間中獲取數(shù)據(jù)常數(shù)模塊Constant恒值輸出。信號(hào)發(fā)生器模塊SignalGenerator周期信號(hào)輸出。16脈沖信號(hào)發(fā)生器PulseGenerator脈沖信號(hào)輸出。斜坡信號(hào)模塊Ramp斜坡信號(hào)輸出。正弦波信號(hào)模塊SineWave正弦波信號(hào)輸出。階躍信號(hào)模塊Step階躍信號(hào)輸出。隨機(jī)信號(hào)模塊RandomNumber隨機(jī)數(shù)輸出。時(shí)鐘模塊Clock連續(xù)仿真時(shí)鐘；在每一仿真步輸出當(dāng)前仿真時(shí)間。數(shù)字時(shí)鐘模塊DigitalClock離散仿真時(shí)鐘；在指定的采樣間隔內(nèi)輸出仿真時(shí)間。17信宿模塊組（Sinks）18信宿模塊組的模塊及功能介紹名稱(chēng)形狀功能介紹輸出端口模塊Out1標(biāo)準(zhǔn)輸出端口。示波器模塊Scope示波器。X-Y示波器模塊XYGraph顯示X-Y圖形。顯示數(shù)據(jù)模塊Display數(shù)值顯示。終止仿真模塊StopSimulation終止仿真。195.2Simulink基本操作利用Simulink進(jìn)行建模和仿真，首先應(yīng)該熟悉Simulink的一些基本操作，包括對(duì)Simulink模塊的操作，對(duì)模塊間信號(hào)線(xiàn)的操作，以及最后模塊的仿真操作等。Simulink的建模和仿真是在其模型窗口內(nèi)操作的。用戶(hù)可以選擇菜單“File｜new”，選擇“Model”打開(kāi)模型窗口20模塊操作 最重要的是模塊參數(shù)的設(shè)置。用鼠標(biāo)雙擊模塊即可打開(kāi)其參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框，然后可以通過(guò)改變對(duì)話(huà)框提供的對(duì)象進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。信號(hào)線(xiàn)操作

和模塊操作類(lèi)似，信號(hào)線(xiàn)的移動(dòng)可以用鼠標(biāo)左鍵按住拖拉，信號(hào)線(xiàn)的刪除可以按下“Delete”鍵。仿真操作

Simulink模型建立完成后，就可以對(duì)其進(jìn)行仿真運(yùn)行。用鼠標(biāo)單擊Simulink模型窗口工具欄內(nèi)“仿真啟動(dòng)或繼續(xù)”圖標(biāo)，即可啟動(dòng)仿真；當(dāng)仿真開(kāi)始時(shí)圖標(biāo)就變成“暫停仿真”圖標(biāo)。仿真過(guò)程結(jié)束后，圖標(biāo)又變回。215.3Simulink建模與仿真Simulink提供了友好的圖形用戶(hù)界面，模型又模塊組成的框圖表示，用戶(hù)通過(guò)單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)的動(dòng)作即可完成系統(tǒng)的建模，如同使用筆來(lái)畫(huà)圖一樣簡(jiǎn)單。而且Simulink支持線(xiàn)性和非線(xiàn)性系統(tǒng)、連續(xù)和離散時(shí)間系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)的建模與仿真。22線(xiàn)性連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的建模與仿真【例5.3.1】控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，試建立Simulink模型并顯示在單位階躍信號(hào)輸入下的仿真結(jié)果。23【例5.3.2】考慮下圖所示的阻尼二階系統(tǒng)。圖中，小車(chē)所受外力為，小車(chē)的位移為。設(shè)小車(chē)質(zhì)量，彈簧的彈性系數(shù)，阻尼系數(shù)。并設(shè)系統(tǒng)的初始狀態(tài)為靜止在平衡點(diǎn)處，即，，外力函數(shù)為幅值恒等于1的階躍量。試仿真其運(yùn)動(dòng)。24試求系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)?！纠?.3.3】已知控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為25非線(xiàn)性連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的建模與仿真 在工程實(shí)際中，嚴(yán)格意義上的線(xiàn)性系統(tǒng)很少存在，大量的系統(tǒng)或器件都是非線(xiàn)性的。非線(xiàn)性系統(tǒng)的Simulink建模方法很靈活。應(yīng)用Simulink構(gòu)建非線(xiàn)性連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的仿真模型時(shí)，根據(jù)非線(xiàn)性元件參數(shù)的取值，既可以使用典型非線(xiàn)性模塊直接實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)對(duì)典型非線(xiàn)性模塊進(jìn)行適當(dāng)組合實(shí)現(xiàn)。26【例5.3.4】設(shè)具有飽和非線(xiàn)性特性的控制系統(tǒng)如圖5.3.14所示，通過(guò)仿真研究系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。27線(xiàn)性離散時(shí)間系統(tǒng)的建模與仿真 離散系