simulink建模與第4章創(chuàng)建模型

第4章創(chuàng)建Simulink模型

4.1啟用Simulink并建立系統(tǒng)模型4.2Simulink模塊庫簡介與使用4.3構(gòu)建Simulink框圖4.4設(shè)計Simulink框圖的界面4.5Simulink與MATLAB的接口設(shè)計4.6使用Simulink進行簡單的仿真

4.1啟用Simulink并建立系統(tǒng)模型

由于Simulink是基于MATLAB環(huán)境之上的高性能的系統(tǒng)級仿真設(shè)計平臺，因此啟動Simulink之前必須首先運行MATLAB，然后才能啟動Simulink并建立系統(tǒng)模型。啟動Simulink有兩種方式：

(1)用命令行方式啟動Simulink。即在MATLAB的命令窗口中直接鍵入如下命令：

>>simulink(2)使用工具欄按鈕啟動Simulink。即用鼠標(biāo)單擊MATLAB工具欄中的Simulink按鈕。啟動Simulink，建立系統(tǒng)模型，其相應(yīng)的基本操作如圖4.1所示。圖4.1啟動Simulink，建立系統(tǒng)模型的基本操作

當(dāng)用戶完成Simulink系統(tǒng)模型的編輯之后，需要保存系統(tǒng)模型，然后設(shè)置模塊參數(shù)與系統(tǒng)仿真參數(shù)，最后便可以進行系統(tǒng)的仿真。無論采用何種方式，用戶都可以在短短幾分鐘內(nèi)熟練掌握啟動Simulink的方法并開始創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型。在系統(tǒng)模型編輯器中，用戶可以“拖動”Simulink提供的大量的內(nèi)置模塊建立系統(tǒng)模型。下一節(jié)將對Simulink中的內(nèi)置系統(tǒng)模塊作一個比較全面的介紹，以便初學(xué)者無需查閱各個模塊的幫助文獻，便可以迅速建立所需的系統(tǒng)模型。4.2Simulink模塊庫簡介與使用

在4.1節(jié)中，用戶已經(jīng)掌握了如何啟動Simulink并新建一個動態(tài)系統(tǒng)模型。為便于用戶能夠快速構(gòu)建自己所需的動態(tài)系統(tǒng)，Simulink提供了大量以圖形方式給出的內(nèi)置系統(tǒng)模塊，使用這些內(nèi)置模塊可以快速方便地設(shè)計出特定的動態(tài)系統(tǒng)。為了便于用戶對Simulink內(nèi)置模塊庫的認識與使用，本節(jié)簡單介紹Simulink中的模塊庫以及模塊庫中具有代表意義的系統(tǒng)模塊。圖4.2所示為Simulink的模塊庫瀏覽器。圖4.2Simulink的模塊庫瀏覽器Simulink的模塊庫能夠?qū)ο到y(tǒng)模塊進行有效的管理與組織，使用Simulink模塊庫瀏覽器可以按照類型選擇合適的系統(tǒng)模塊、獲得系統(tǒng)模塊的簡單描述以及查找系統(tǒng)模塊等，并且可以直接將模塊庫中的模塊拖動或者拷貝到用戶的系統(tǒng)模型中以構(gòu)建動態(tài)系統(tǒng)模型。4.2.1Simulink公共模塊庫

Simulink公共模塊庫是Simulink中最為基礎(chǔ)、最為通用的模塊庫，它可以被應(yīng)用到不同的專業(yè)領(lǐng)域中。Simulink公共模塊庫共包含9個模塊庫，如圖4.3所示。下面分別介紹各個模塊的功能：

1.Continuous（連續(xù)系統(tǒng)模塊庫）連續(xù)系統(tǒng)模塊庫以及其中各模塊的功能如圖4.4所示。

2.Discrete（離散系統(tǒng)模塊庫）離散系統(tǒng)模塊庫以及其中各模塊的功能如圖4.5所示。圖4.3Simulink的公共模塊庫圖4.4連續(xù)系統(tǒng)模塊庫及其功能圖4.5離散系統(tǒng)模塊庫及其功能3.Functions&Tables（函數(shù)與表庫）函數(shù)與表庫以及其中各模塊的功能如圖4.6所示。4.Math（數(shù)學(xué)運算庫）數(shù)學(xué)運算庫以及其中各模塊的功能如圖4.7所示。圖4.6函數(shù)與表庫及其功能圖4.7數(shù)學(xué)運算庫及其能5.Nonlinear（非線性系統(tǒng)模塊庫）非線性系統(tǒng)模塊庫以及其中各模塊的功能如圖4.8所示。6.Signals&Systems（信號與系統(tǒng)模塊庫）信號與系統(tǒng)模塊庫以及其中各模塊的功能如圖4.9所示。圖4.8非線性系統(tǒng)模塊庫及其功能

圖4.9信號與系統(tǒng)模塊庫及其功能7.Sinks（系統(tǒng)輸出模塊庫）系統(tǒng)輸出模塊庫以及其中各模塊的功能如圖4.10所示。8.Sources（系統(tǒng)輸入模塊庫）系統(tǒng)輸入模塊庫以及其中各模塊的功能如圖4.11所示。9.Subsystems（子系統(tǒng)模塊庫）子系統(tǒng)模塊庫以及其中各模塊功能如圖4.12所示。圖4.10系統(tǒng)輸出模塊庫及其功能圖4.11系統(tǒng)輸入模塊庫及其功能圖4.12子系統(tǒng)模塊庫及其功能

之所以用較多的篇幅對Simulink的公共模塊庫進行比較全面的介紹，是因為Simulink的公共模塊庫中提供了大量內(nèi)置的系統(tǒng)模塊，這些系統(tǒng)模塊的用途非常廣泛，并且一般的動態(tài)系統(tǒng)模型都可以使用公共模塊庫中的模塊來構(gòu)建。除了公共模塊庫之外，Simulink中還集成了許多面向不同專業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)模塊庫，普通用戶一般很少用到其中的模塊。因此，在介紹Simulink的專業(yè)模塊庫時，僅對模塊庫的總體功能做簡單的概述。如果用戶需要的話，可以在Simulink中的模塊描述欄了解其主要功能。4.1.1Simulink專業(yè)模塊庫

Simulink集成了許多面向各專業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)模塊庫，不同領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計者可以使用這些系統(tǒng)模塊快速構(gòu)建自己的系統(tǒng)模型，然后在此基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)的仿真與分析，從而完成系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)。這里僅簡單介紹部分專業(yè)模塊庫的主要功能。

(1)ControlSystemToolbox模塊庫：面向控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析，主要提供線性時不變系統(tǒng)的模塊。

(2)?DSPBlockset模塊庫：面向數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設(shè)計與分析，主要提供DSP輸入模塊、DSP輸出模塊、信號預(yù)測與估計模塊、濾波器模塊、DSP數(shù)學(xué)函數(shù)庫、量化器模塊、信號管理模塊、信號操作模塊、統(tǒng)計模塊以及信號變換模塊等。

(3)?SimulinkExtras模塊庫：主要補充Simulink公共模塊庫，提供附加連續(xù)模塊庫、附加線性系統(tǒng)模塊庫、附加輸出模塊庫、觸發(fā)器模塊庫、線性化模塊庫、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模塊庫以及航空航天系統(tǒng)模塊庫等。(4)S-functiondemos模塊庫：主要提供C++、C、FORTRAN以及M文件下S-函數(shù)的模塊庫的演示模塊。

(5)Real-TimeWorkshop與Real-TimeWindowsTarget模塊庫：主要提供各種用來進行獨立可執(zhí)行代碼或嵌入式代碼生成，以實現(xiàn)高效實時仿真的模塊。它們和RTW、TLC有著密切的聯(lián)系。

(6)Stateflow庫：對使用狀態(tài)圖所表達的有限狀態(tài)機模型進行建模仿真和代碼生成。有限狀態(tài)機用來描述基于事件的控制邏輯，也可用于描述響應(yīng)型系統(tǒng)。

(7)定點模塊庫：包含一組用于定點算法仿真的模塊。(8)通訊模塊庫：專用于通信系統(tǒng)仿真的一組模塊。(9)?Dials&Gauges庫：圖形儀表模塊庫，它們實際上是一組ActiveX控件。(10)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊庫：用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分析設(shè)計和實現(xiàn)的一組模塊。(11)模糊控制模塊庫：包括一組有關(guān)模糊控制的分析設(shè)計和實現(xiàn)的模塊。

(12)?xPC模塊庫：提供了一組用于xPC仿真的模塊。

4.3構(gòu)建Simulink框圖

4.2節(jié)中簡單介紹了Simulink中的一些比較常用的系統(tǒng)模塊。本節(jié)將介紹如何使用這些系統(tǒng)模塊以構(gòu)建用戶自己的系統(tǒng)模型。當(dāng)Simulink庫瀏覽器被啟動之后，通過鼠標(biāo)左鍵單擊模塊庫的名稱可以查看模塊庫中的模塊。模塊庫中包含的系統(tǒng)模塊顯示在Simulink庫瀏覽器右邊的一欄中。對Simulink庫瀏覽器的基本操作有：(1)使用鼠標(biāo)左鍵單擊系統(tǒng)模塊庫，如果模塊庫為多層結(jié)構(gòu)，則單擊“+”號載入庫。

(2)使用鼠標(biāo)右鍵單擊系統(tǒng)模塊庫，在單獨的窗口打開庫。

(3)使用鼠標(biāo)左鍵單擊系統(tǒng)模塊，在模塊描述欄中顯示此模塊的描述。

(4)使用鼠標(biāo)右鍵單擊系統(tǒng)模塊，可以得到系統(tǒng)模塊的幫助信息，將系統(tǒng)模塊插入到系統(tǒng)模型中，查看系統(tǒng)模塊的參數(shù)設(shè)置，以及回到系統(tǒng)模塊的上一層庫。

此外還可以進行以下操作：

(1)使用鼠標(biāo)左鍵選擇并拖動系統(tǒng)模塊，并將其拷貝到系統(tǒng)模型中。

(2)在模塊搜索欄中搜索所需的系統(tǒng)模塊。

4.3.1模塊選擇這里用一個非常簡單的例子介紹如何建立動態(tài)系統(tǒng)模型。此簡單系統(tǒng)的輸入為一個正弦波信號，輸出為此正弦波信號與一個常數(shù)的乘積。要求建立系統(tǒng)模型，并以圖形方式輸出系統(tǒng)運算結(jié)果。已知系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述為系統(tǒng)輸入：,t≥0

系統(tǒng)輸出：

啟動Simulink并新建一個系統(tǒng)模型文件。欲建立此簡單系統(tǒng)的模型，需要如下的系統(tǒng)模塊（均在Simulink公共模塊庫中）：

(1)系統(tǒng)輸入模塊庫Sources中的SineWave模塊：產(chǎn)生一個正弦波信號。

(2)數(shù)學(xué)庫Math中的Gain模塊：將信號乘上一個常數(shù)（即信號增益）。

(3)系統(tǒng)輸出庫Sinks中的Scope模塊：圖形方式顯示結(jié)果。選擇相應(yīng)的系統(tǒng)模塊并將其拷貝（或拖動）到新建的系統(tǒng)模型中，如圖4.13所示。圖4.13選擇系統(tǒng)所需模塊

在選擇構(gòu)建系統(tǒng)模型所需的所有模塊后，需要按照系統(tǒng)的信號流程將各系統(tǒng)模塊正確連接起來。連接系統(tǒng)模塊的步驟如下：

(1)將光標(biāo)指向起始塊的輸出端口，此時光標(biāo)變成“+”。

(2)單擊鼠標(biāo)左鍵并拖動到目標(biāo)模塊的輸入端口，在接近到一定程度時光標(biāo)變成雙十字。這時松開鼠標(biāo)鍵，連接完成。完成后在連接點處出現(xiàn)一個箭頭，表示系統(tǒng)中信號的流向，如圖4.14所示。圖4.14系統(tǒng)模塊之間的連線

在Simulink的最新版本中，連接系統(tǒng)模塊還有如下更有效的方式：

(1)使用鼠標(biāo)左鍵單擊起始模塊。

(2)按下Ctrl鍵，并用鼠標(biāo)左鍵單擊目標(biāo)塊。

4.3.2模塊操作下面介紹一些對系統(tǒng)模塊進行操作的基本技巧，掌握它們可使建立動態(tài)系統(tǒng)模型變得更為方便快捷。

1.模塊的復(fù)制如果需要幾個同樣的模塊，可以使用鼠標(biāo)右鍵單擊并拖動某個塊進行拷貝。也可以在選中所需的模塊后，使用Edit菜單上的Copy和Paste或使用熱鍵Ctrl+C和Ctrl+V完成同樣的功能，如圖4.15所示。

圖4.15模塊的復(fù)制2.模塊的插入如果用戶需要在信號連線上插入一個模塊，只需將這個模塊移到線上就可以自動連接。注意這個功能只支持單輸入單輸出模塊。對于其他的模塊，只能先刪除連線，放置塊，然后再重新連線。具體操作如圖4.16所示。

圖4.16系統(tǒng)模塊的插入3.連線分支與連線改變在某些情況下，一個系統(tǒng)模塊的輸出同時作為多個其它模塊的輸入，這時需要從此模塊中引出若干連線，以連接多個其它模塊。對信號連線進行分支的操作方式為：使用鼠標(biāo)右鍵單擊需要分支的信號連線（光標(biāo)變成“+”），然后拖動到目標(biāo)模塊。

對信號連線還有以下幾種常用的操作：

(1)使用鼠標(biāo)左鍵單擊并拖動以改變信號連線的路徑。

(2)按下Shift鍵的同時，在信號連線上單擊鼠標(biāo)左鍵并拖動，可以生成新的節(jié)點。

(3)在節(jié)點上使用鼠標(biāo)左鍵單擊并拖動，可以改變信號連線路徑。信號連線分支與連線改變?nèi)鐖D4.17所示。

圖4.17連線分支與連線改變4.信號組合

在利用Simulink進行系統(tǒng)仿真時，在很多情況下，需要將系統(tǒng)中某些模塊的輸出信號（一般為標(biāo)量）組合成一個向量信號，并將得到的信號作為另外一個模塊的輸入。

圖4.18信號組合4.3.3運行仿真

1.系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置與系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置當(dāng)用戶按照信號的輸入輸出關(guān)系連接各系統(tǒng)模塊之后，系統(tǒng)模型的創(chuàng)建工作便已結(jié)束。為了對動態(tài)系統(tǒng)進行正確的仿真與分析，必須設(shè)置正確的系統(tǒng)模塊參數(shù)與系統(tǒng)仿真參數(shù)。系統(tǒng)模塊參數(shù)的設(shè)置方法如下：

(1)雙擊系統(tǒng)模塊，打開系統(tǒng)模塊的參數(shù)設(shè)置對話框。

(2)在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置合適的模塊參數(shù)。圖4.19系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置

當(dāng)系統(tǒng)中各模塊的參數(shù)設(shè)置完畢后，可設(shè)置合適的系統(tǒng)仿真參數(shù)以進行動態(tài)系統(tǒng)的仿真。有關(guān)系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置的知識將在第5章中進行詳細的介紹，這里不再贅述。對于圖4.19所示的動態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置如圖中所示（增益取值為5），系統(tǒng)仿真參數(shù)采用Simulink的默認設(shè)置。2.運行仿真當(dāng)對系統(tǒng)中各模塊參數(shù)以及系統(tǒng)仿真參數(shù)進行正確設(shè)置之后，單擊系統(tǒng)模型編輯器上的Play圖標(biāo)（黑色三角）或選擇Simulation菜單下的Start便可以對系統(tǒng)進行仿真分析。對于圖4.19所示的動態(tài)系統(tǒng)，采用上述的模塊參數(shù)設(shè)置與默認的仿真參數(shù)進行仿真。仿真結(jié)束后雙擊Scope模塊以顯示系統(tǒng)仿真的輸出結(jié)果，如圖4.20所示。

圖4.20系統(tǒng)仿真及結(jié)果輸出

4.4設(shè)計Simulink框圖的界面

4.3節(jié)中對使用Simulink進行系統(tǒng)建模與仿真做了簡單的介紹，任何動態(tài)系統(tǒng)的模型構(gòu)建與仿真的步驟都與此類似。本節(jié)所要介紹的Simulink界面設(shè)計主要用來改善系統(tǒng)模型的界面，以便于用戶對系統(tǒng)模型的理解與維護。4.4.1模塊及框圖屬性編輯

1.框圖的視圖調(diào)整在Simulink系統(tǒng)模型編輯器中，可以對系統(tǒng)模型的視圖進行調(diào)整以便更好地觀察系統(tǒng)模型。視圖調(diào)整的方法如下所述：

(1)使用View菜單控制模型在視圖區(qū)的顯示，用戶可以對模型視圖進行任意縮放。

(2)使用系統(tǒng)熱鍵R（放大）或V（縮小）。

(3)按空格鍵可以使系統(tǒng)模型充滿整個視圖窗口。視圖調(diào)整效果如圖4.21所示。圖4.21改變系統(tǒng)模型的視圖2.模塊的名稱操作在使用Simulink中的系統(tǒng)模塊構(gòu)建系統(tǒng)模型時，Simulink會自動給系統(tǒng)模型中的模塊命名，如在4.3節(jié)的簡單動態(tài)系統(tǒng)中，正弦信號模塊名稱為SineWave；對于系統(tǒng)模型中相同的模塊，Simulink會自動對其進行編號。一般對于簡單的系統(tǒng)，可以采用Simulink的自動命名；但對于復(fù)雜系統(tǒng)，給每個模塊取一個具有明顯意義的名稱非常有利于系統(tǒng)模型的理解與維護。下面簡單介紹一下模塊名稱的操作。

(1)模塊命名：使用鼠標(biāo)左鍵單擊模塊名稱，進入編輯狀態(tài)，然后鍵入新的名稱。

(2)名稱移動：使用鼠標(biāo)左鍵單擊模塊名稱并拖動到模塊的另一側(cè)，或選擇Format菜單中的FlipName翻轉(zhuǎn)模塊名稱。

(3)名稱隱藏：選擇Format菜單中的HideName隱藏系統(tǒng)模塊名稱。注意，系統(tǒng)模型中模塊的名稱應(yīng)當(dāng)是唯一的，否則Simulink會給出警告并自動改變名稱。系統(tǒng)模型中模塊的名稱操作如圖4.22所示。圖4.22系統(tǒng)模型中模塊的名稱操作3.模塊的其它操作

Simulink允許用戶對模塊的幾何尺寸進行修改，以改善系統(tǒng)模型框圖的界面。例如，對于具有多個輸入端口的模塊，需要調(diào)整其大小使其能夠較好地容納多個信號連線，而非采用模塊的默認大??；另外，對于某些系統(tǒng)模塊，當(dāng)模塊的尺寸足夠大時，模塊的參數(shù)將直接顯示在模塊上面，這非常有利于用戶對模型的理解。Simulink允許改變模塊的顏色。使用鼠標(biāo)右鍵單擊模塊，選擇Foregroundcolor或Backgroundcolor菜單來設(shè)置顏色；或使用模型編輯器中Format菜單中的相應(yīng)命令設(shè)置模塊顏色。如果模塊的前景色發(fā)生改變，則所有由此模塊引出的信號線顏色也隨之改變；當(dāng)系統(tǒng)模型框圖很復(fù)雜時，這個特性能夠有效地增強框圖的可讀性。

此外，還可以使用Format菜單中的ShowDropShadow為模塊生成陰影，或使用FlipBlock、RotateBlock對模塊進行翻轉(zhuǎn)與旋轉(zhuǎn)，或使用Font對模塊字體進行設(shè)置等。對模塊的操作如圖4.23所示。圖4.23模塊的其它操作4.系統(tǒng)框圖注釋作為友好的Simulink系統(tǒng)模型界面，對系統(tǒng)模型的注釋是不可缺少的。在Simulink中對系統(tǒng)模型框圖進行注釋的方法非常簡單，只需在系統(tǒng)模型編輯器的背景上雙擊鼠標(biāo)左鍵以確定添加注釋文本的位置，并打開一個文本編輯框，用戶便可以在此輸入相應(yīng)的注釋文本。輸入完畢后，使用鼠標(biāo)左鍵單擊以退出編輯并移動文本位置（編輯框未被選中情況下）到合適的地方。此外，在文本對象上單擊鼠標(biāo)右鍵，可以改變文本的屬性如大小、字體和對齊方式等。在任何時候都可以雙擊注釋文本進行編輯。系統(tǒng)框圖注釋如圖4.24所示。

圖4.24系統(tǒng)模型框圖注釋4.4.2信號標(biāo)簽與標(biāo)簽傳遞

1.信號標(biāo)簽在創(chuàng)建系統(tǒng)模型尤其是大型復(fù)雜系統(tǒng)模型時，信號標(biāo)簽對理解系統(tǒng)框圖尤為重要。所謂的信號標(biāo)簽，也可以稱為信號的“名稱”或“標(biāo)記”，它與特定的信號相聯(lián)系，是信號的一個固有屬性。這一點與系統(tǒng)框圖注釋不同，框圖注釋是對整個或局部系統(tǒng)模型進行說明的文字信息，它與系統(tǒng)模型相分離。

生成信號標(biāo)簽的方法有如下兩種：

(1)使用鼠標(biāo)左鍵雙擊需要加入標(biāo)簽的信號（即系統(tǒng)模型中與信號相對應(yīng)的模塊連線），這時便會出現(xiàn)標(biāo)簽編輯框，在其中鍵入標(biāo)簽文本即可。與框圖注釋類似，信號標(biāo)簽可以移動到希望的位置，但只能是在信號線的附近。如果強行將標(biāo)簽拖動離開信號線，標(biāo)簽會自動回到原處。當(dāng)一個信號定義了標(biāo)簽后，從這條信號線引出的分支線會繼承這個標(biāo)簽，如圖4.25所示。

圖4.25信號標(biāo)簽操作之一(2)首先選擇需要加入標(biāo)簽的信號，用鼠標(biāo)左鍵單擊信號連線；然后使用Edit菜單下的SignalProperties項，在打開的界面中編輯信號的名稱，而且還可以使用這個界面對信號作簡單的描述并建立HTML文檔鏈接，如圖4.26所示。注意，雖然信號標(biāo)簽的內(nèi)容可以任意指定，但為了系統(tǒng)模型可讀性，信號標(biāo)簽最好使用能夠代表信號特征的名稱（如信號類型、信號作用等）。圖4.26信號標(biāo)簽操作之二2.信號標(biāo)簽的傳遞在系統(tǒng)模型中，信號標(biāo)簽可以由某些稱之為“虛塊”的系統(tǒng)模塊來進行傳遞。這些虛塊主要用來完成對信號的選擇、組合與傳遞，它不改變信號的任何屬性。如Signals&Systems模塊庫中的Mux模塊的功能是組合信號，但并不改變信號的值。信號標(biāo)簽傳遞的方法有如下幾種：

(1)選擇信號線并用鼠標(biāo)左鍵雙擊，在信號標(biāo)簽編輯框中鍵入<>,在此尖括號中鍵入信號標(biāo)簽即可傳遞信號標(biāo)簽。

(2)選擇信號線，然后選擇Edit菜單中的SignalProperties；或單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇彈出式菜單中的SignalProperties，將ShowPropagatedSignals設(shè)置為on即可。注意：只能在信號的前進方向上傳遞該信號標(biāo)簽。當(dāng)一個帶有標(biāo)簽的信號與Scope塊連接時，信號標(biāo)簽將作為標(biāo)題顯示。信號標(biāo)簽的傳遞如圖4.27所示。圖4.27信號標(biāo)簽的傳遞4.4.3Simulink子系統(tǒng)介紹對于簡單的動態(tài)系統(tǒng)而言，用戶很容易建立系統(tǒng)模型并分析系統(tǒng)模型中各模塊之間的相互關(guān)系，以及模塊的輸入輸出關(guān)系。但是對于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)模型中包含的模塊數(shù)目較多，模塊之間的輸入輸出關(guān)系比較復(fù)雜。這時對于分析與設(shè)計系統(tǒng)而言，都會給用戶帶來諸多的不便，而使用子系統(tǒng)技術(shù)則可以較好地解決這一問題1.子系統(tǒng)生成

Simulink提供的子系統(tǒng)功能可以大大地增強Simulink系統(tǒng)模型框圖的可讀性。所謂的子系統(tǒng)可以理解為一種“容器”，此容器能夠?qū)⒁唤M相關(guān)的模塊封裝到一個單獨的模塊中，并且與原來系統(tǒng)模塊組的功能一致。

子系統(tǒng)的建立方法有如下兩種：

(1)在已有的系統(tǒng)模型中建立子系統(tǒng)：首先框選待封裝的區(qū)域，即在模型編輯器背景中單擊鼠標(biāo)左鍵并拖動，選中需要放置到子系統(tǒng)中的模塊與信號（或在按下Shift鍵的同時，用鼠標(biāo)左鍵單擊所需模塊）；然后選擇Edit菜單下的CreateSubsystem，即可建立子系統(tǒng)。如圖4.28所示。

圖4.28子系統(tǒng)建立：選擇模塊生成子系統(tǒng)(2)建立空的子系統(tǒng)：使用Subsystems模塊庫中的模塊建立子系統(tǒng)。這樣建立的子系統(tǒng)內(nèi)容為空，然后雙擊子系統(tǒng)對其進行編輯。如圖4.29所示。

圖4.29子系統(tǒng)建立：生成并編輯空子系統(tǒng)

建立此系統(tǒng)模型所需要的系統(tǒng)模塊如下所述：Subsystems模塊庫中的Subsystem模塊、Sources模塊庫中的SineWave、Sinks模塊庫中的Scope模塊、Sinks模塊庫中的Out1模塊（Subsystem模塊的缺省設(shè)置為單輸入單輸出，使用Out1模塊可以產(chǎn)生多個輸出）、Math模塊庫中的Gain模塊以及Signals&Systems模塊庫中的Mux模塊等。2.子系統(tǒng)操作在生成子系統(tǒng)之后，用戶可以對子系統(tǒng)進行各種與系統(tǒng)模塊相類似的操作，這時子系統(tǒng)相當(dāng)于具有一定功能的系統(tǒng)模塊。例如，子系統(tǒng)的命名、子系統(tǒng)視圖的修改、子系統(tǒng)的顯示顏色等等。當(dāng)然子系統(tǒng)也有其特有的操作，如子系統(tǒng)的顯示（用鼠標(biāo)左鍵雙擊子系統(tǒng)模塊即可打開子系統(tǒng)）、子系統(tǒng)的封裝（將在第7章中進行詳細介紹）等等。3.Inport輸入模塊與Outport輸出模塊在系統(tǒng)模型中建立子系統(tǒng)時，Simulink會自動生成Inport模塊（Sources模塊庫中的In1模塊）與Outport模塊（Sinks模塊庫中的Out1模塊）。Inport模塊作為子系統(tǒng)的輸入端口，Outport作為子系統(tǒng)的輸出端口，它們被用來完成子系統(tǒng)和主系統(tǒng)之間的通訊。

Inport和Outport用來對信號進行傳遞，不改變信號的任何屬性；另外，信號標(biāo)簽可以越過它們進行傳遞。如果需要建立多輸入多輸出的子系統(tǒng)，則需要使用多個Inport模塊與Outport模塊，而且最好使用合適的名稱對Inport模塊與Outport模塊進行命名，如圖4.30所示。圖4.30Inport模塊與Outport模塊的重新命名4.4.4建立復(fù)雜系統(tǒng)模型

Simulink適合建立大型復(fù)雜系統(tǒng)的模型，它為仿真系統(tǒng)模型的界面組織與設(shè)計提供了強大的支持。一般而言，建立復(fù)雜系統(tǒng)模型有兩種不同的思路：

(1)自下向上的設(shè)計思路：如果用戶從草圖開始建立一個復(fù)雜的模型，可以先建底層模型，然后對已經(jīng)建好的塊生成子系統(tǒng)。

(2)自頂向下的設(shè)計思路：首先設(shè)計系統(tǒng)的總體模型，然后再進行細節(jié)設(shè)計。采用這種方法，可以在頂層使用空的子系統(tǒng)塊，然后再實現(xiàn)具體的細節(jié)。

圖4.31模型瀏覽器的使用

4.5Simulink與MATLAB的接口設(shè)計

4.5.1由MATLAB工作空間變量設(shè)置系統(tǒng)模塊參數(shù)如前所述，用戶可以雙擊一個模塊以打開模塊參數(shù)設(shè)置對話框，然后直接輸入數(shù)據(jù)以設(shè)置模塊參數(shù)。其實，用戶也可以使用MATLAB工作空間中的變量設(shè)置系統(tǒng)模塊參數(shù)，這對于多個模塊的參數(shù)均依賴于同一個變量時非常有用。由MATLAB工作空間中的變量設(shè)置模塊參數(shù)的形式有如下兩種：(1)直接使用MATLAB工作空間中的變量設(shè)置模塊參數(shù)。

(2)使用變量的表達式設(shè)置模塊參數(shù)。例如，如果a是定義在MATLAB中的變量，則表達式a、a^2+5、exp(–a)等均可以作為系統(tǒng)模塊的參數(shù)，如圖4.32所示。圖4.32使用MATLAB工作空間變量設(shè)置模塊參數(shù)4.5.2將信號輸出到MATLAB工作空間中使用示波器模塊Scope的輸出信號，可以使用戶對輸出的信號進行簡單的定性分析。使用Sinks模塊庫中的ToWorkspace模塊，可以輕易地將信號輸出到MATLAB工作空間中。信號輸出的名稱在ToWorkspace模塊的對話框中設(shè)置，此對話框還可以設(shè)置輸出數(shù)據(jù)的點數(shù)、輸出的間隔，以及輸出數(shù)據(jù)的類型等。其中輸出類型有三種形式：數(shù)組、結(jié)構(gòu)以及帶有時間變量的結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)束或暫停時信號被輸出到工作空間中，如圖4.33所示。圖4.33系統(tǒng)模型中信號輸出4.5.3使用工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號

Simulink與MATLAB的數(shù)據(jù)交互是相互的，除了可以將信號輸出到MATLAB工作空間中之外，用戶還可以使用MATLAB工作空間中的變量作為系統(tǒng)模型的輸入信號。使用Sources模塊庫中的FromWorkspace模塊可以將MATLAB工作空間中的變量作為系統(tǒng)模型的輸入信號。此變量的格式如下所示：>>t=0:time_step:final_time;%表示信號輸入時間范圍與時間步長>>x=func(t); %表示在每一時刻的信號值>>input=[t',x'];%表示信號的輸入向量，輸入變量第一列須為時間序列，接下來的各列代表信號的取值例如，在MATLAB命令窗口中鍵入如下的語句并運行。>>t=0:0.1:10;>>x=sin(t);>>input=[t',x'];圖4.34MATLAB工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號

運行此系統(tǒng)進行仿真，系統(tǒng)輸入信號input的作用相當(dāng)于Sources模塊中的SineWave模塊，其結(jié)果如圖4.35所示（Scope1顯示結(jié)果）。圖4.35使用input信號作為輸入的仿真結(jié)果

圖4.36三角波輸入的仿真結(jié)果

4.5.4向量與矩陣在前面的系統(tǒng)模型中，Simulink所使用的信號均是標(biāo)量。其實，Simulink也能夠傳遞和使用向量信號。例如，向量增益可以作用在一個標(biāo)量信號上，產(chǎn)生一個向量輸出。在缺省情況下，模塊對向量中的逐個元素進行操作，就像MATLAB中的數(shù)組運算一樣，如圖4.37所示。圖4.37向量增益示意圖Simulink4最重要的特性就是支持矩陣形式的信號，它可以區(qū)分行和列向量并傳遞矩陣。通過對模塊做適當(dāng)?shù)呐渲?，可以使模塊能夠接受矩陣作為模塊參數(shù)。在上面的例子中，如果Constant模塊的參數(shù)為一矩陣，并且Gain增益模塊被配置成按矩陣乘的定義從左邊乘上輸入向量，則Display塊能夠感知到輸入信號的尺寸，即1×2行向量，并對邊框做適當(dāng)調(diào)整，如圖4.38所示。圖4.38矩陣輸入與向量增益示意圖4.5.5MATLABFunction與Function模塊除了使用上述的方式進行Simulink與MATLAB之間的數(shù)據(jù)交互，用戶還可以使用FunctionsandTables模塊庫中的Function模塊（簡稱為Fcn模塊）或FunctionsandTables模塊庫中的MATLABFunction模塊（簡稱為MATLABFcn模塊）進行彼此間的數(shù)據(jù)交互。

Fcn模塊一般