MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)

第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)在上面的章節(jié)中，對SIMULINK使用的一些基礎(chǔ)知識、動態(tài)系統(tǒng)建模方法及仿真的方法做了詳細(xì)的介紹，這些對于簡單的模型仿真已經(jīng)足夠，但事實(shí)上，SIMULINK在許多領(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用，如航空、航天、控制、通信等，這就要求用戶了解一些SIMLINK的高級技術(shù)，如子系統(tǒng)的創(chuàng)建、模型調(diào)試、S-函數(shù)等。本章主要介紹SIMULINK的高級仿真技術(shù)，主要包括：SIMULINK子系統(tǒng)、SIMULINK高級子系統(tǒng)、SIMULINK模型調(diào)試、仿真分析以及系統(tǒng)代數(shù)環(huán)形成與處理、Ｓ函數(shù)的創(chuàng)建與使用等。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!10.1創(chuàng)建SIMULINK子系統(tǒng)對于簡單的系統(tǒng)，可以使用前面介紹的方法建立SIMULINK仿真模型進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)仿真。然而，對于復(fù)雜的系統(tǒng)，直接建立的模型會顯得功能模塊繁多、輸入輸出關(guān)系復(fù)雜，這將給用戶的仿真和分析帶來極大不便。子系統(tǒng)技術(shù)就可以很好的解決遇到的這種情形，通常把復(fù)雜的框圖進(jìn)行分解，然后對分解后若干獨(dú)立功能子系統(tǒng)進(jìn)行處理。此外，用戶還可以將自己開發(fā)的模塊做成模塊組，作為系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。使用子系統(tǒng)技術(shù)，可以使整個(gè)模型更加簡潔、可讀性更強(qiáng)、操作分析更為便捷。創(chuàng)建子系統(tǒng)有兩種方法：將已經(jīng)存在的模型的某些部分或全部使用模型窗口菜單欄【Edit/CreateSubsystem】子項(xiàng)，將其壓縮轉(zhuǎn)換，使之成為子系統(tǒng)。使用Subsystems模塊庫中的Subsystem模塊直接創(chuàng)建子系統(tǒng)。通過創(chuàng)建子系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)以下作用：減少模型窗中的顯示模塊的個(gè)數(shù)，使得模型顯得簡潔整齊，可讀性提高。模型層次化增強(qiáng)，便于用戶按照層次來設(shè)計(jì)模型。子系統(tǒng)可以反復(fù)調(diào)用，節(jié)省建模時(shí)間。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!10.1.1壓縮已有模塊創(chuàng)建子系統(tǒng)這是一種比較簡單的方法，也易于用戶操作。壓縮已有模塊創(chuàng)建子系統(tǒng)的方法其實(shí)也是一種自下而上的設(shè)計(jì)方法。這里將通過一個(gè)實(shí)例來說明通過壓縮來創(chuàng)建子系統(tǒng)的具體方法。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!10.2子系統(tǒng)的封裝使用子系統(tǒng)技術(shù)可以很好的優(yōu)化系統(tǒng)模型得界面，是系統(tǒng)模型的可讀性更強(qiáng)。在對系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，首先要對系統(tǒng)模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對子系統(tǒng)也是如此，需要對子系統(tǒng)所有模塊進(jìn)行合適的參數(shù)設(shè)置。在第8章的例子中，子系統(tǒng)中模塊的參數(shù)是逐一設(shè)置的，這會給用戶帶來極大的不便。子系統(tǒng)的封裝技術(shù)則是對子系統(tǒng)的包裝，使其成為一個(gè)真正意義上的SIMULINK模塊，通過封裝，可以簡化模型，用戶使用一個(gè)動態(tài)設(shè)置的對話框代替多個(gè)靜態(tài)對話框，省去了對子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解，為用戶的直接調(diào)用提供了方便。一個(gè)已經(jīng)創(chuàng)建的子系統(tǒng)的封裝方法主要是通過使用下圖所示的封裝編輯器來實(shí)現(xiàn)的，在封裝編輯器中用戶可以設(shè)置封裝參數(shù)設(shè)置、圖標(biāo)、初始以及文本。歸納起來，即設(shè)定子系統(tǒng)初始值及特性、生成模塊圖標(biāo)以及創(chuàng)建模塊幫助文檔和描述信息。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!10.2.2Initialization標(biāo)簽頁初始化設(shè)置標(biāo)簽頁如圖10.10所示。其中的對話變量表是在用戶設(shè)置了參數(shù)設(shè)置頁（Parameters）之后自動生成的。初始化命令（Initializationconmmands）一般是MATLAB指令，可以通過MATLAB命令定義封裝后子系統(tǒng)空間中的各種變量，以便這些變量在被封子系統(tǒng)模塊圖標(biāo)繪制指令或其他初始化指令中使用。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!10.2.4Documentation標(biāo)簽頁為了方便用戶的理解和使用，Documentation標(biāo)簽頁（如圖所示）可以幫助用戶建立全面的幫助文檔。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!10.3SIMULINK高級子系統(tǒng)技術(shù)在SIMULINK模塊庫中有這樣一類子系統(tǒng)，他只有在滿足一定條件下，才有動作。也就是說，系統(tǒng)的輸出受出輸入信號之外的另一個(gè)信號控制。這個(gè)控制信號是從子系統(tǒng)的一個(gè)單獨(dú)端口輸入的。這類子系統(tǒng)就是SIMULINK中的條件執(zhí)行子系統(tǒng)。按照控制方式的不同，可以將控制施行子系統(tǒng)劃分為以下幾類。使能子系統(tǒng)（EnableSubsystem）：當(dāng)子系統(tǒng)為正時(shí)，子系統(tǒng)將被執(zhí)行。觸發(fā)子系統(tǒng)（TriggeredSubsystem）：當(dāng)控制信號的符號發(fā)生變化時(shí)，即當(dāng)信號過零時(shí)，自系統(tǒng)將被執(zhí)行。其觸發(fā)方式有三種，控制信號上升沿時(shí)觸發(fā)，控制信號下降沿時(shí)觸發(fā)，控制信號上升或下降沿時(shí)觸發(fā)。使能觸發(fā)子系統(tǒng)（EnableandTriggeredSubsystem）：在使能狀態(tài)下被觸發(fā)時(shí)執(zhí)行子系統(tǒng)。即在控制信號為正的同時(shí)出現(xiàn)觸發(fā)信號，子系統(tǒng)才被執(zhí)行。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!10.3.2觸發(fā)子系統(tǒng)（TriggeredSubsystem）觸發(fā)子系統(tǒng)是指當(dāng)控制信號發(fā)生符號變換時(shí)（包括信號由負(fù)變正和信號由正變負(fù)），子系統(tǒng)才開始執(zhí)行。當(dāng)控制信號觸發(fā)子系統(tǒng)之后，子系統(tǒng)將保持系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，直到下一次觸發(fā)信號的到來。按照控制信號符號變化方式的不同，觸發(fā)子系統(tǒng)可分為三類：上升沿觸發(fā)子系統(tǒng)、下降沿觸發(fā)子系統(tǒng)、以及上升或下降沿（雙邊沿）觸發(fā)子系統(tǒng)。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!10.4SIMULINK的模型調(diào)試如同諸多系統(tǒng)設(shè)置平臺一樣，SIMULINK也具有界面友好、功能強(qiáng)大的調(diào)試功能。SIMULINK提供了一個(gè)圖形化的調(diào)試界面，簡化了調(diào)試操作。simulink調(diào)試器是一個(gè)定位和診斷模型錯(cuò)誤的工具．通過SIMULINK調(diào)試工具，用戶可以采用多種方式對模型進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)其中可能存在的問題并加以修改，從而使得用戶的模型設(shè)計(jì)、仿真、分析更加快速、便捷。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!10.4.2SIMULINK調(diào)試窗口如上圖所示的是SIMULINK調(diào)試器窗口，在窗口的標(biāo)題欄中顯示被調(diào)試模型的名稱。調(diào)試器由三部分組成：工具欄、斷點(diǎn)顯示及斷點(diǎn)設(shè)置條件、仿真回路窗和信息顯示標(biāo)簽頁。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!10.4.4系統(tǒng)調(diào)試舉例【例】以例1所建模型說明SIMULINK調(diào)試技術(shù)，例1建立的系統(tǒng)仿真模型見圖所示。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!10.5.1使用sim指令運(yùn)行模型在SIMULINK中進(jìn)行仿真，用戶除了使用模型窗口菜單欄外，還可以使用MATLAB指令來進(jìn)行仿真。這使得模型參數(shù)值和輸入值得更改更加方便，給模型仿真和分析帶來了方便。在MATLAB中，可以通過sim、simset、simget指令來實(shí)現(xiàn)SIMULINK的MATLAB指令仿真。1..sim指令2.simset指令3.simget指令MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!10.5.3平衡點(diǎn)的分析平衡點(diǎn)（Equilibriumpoints）在數(shù)學(xué)上描述為使?fàn)顟B(tài)一階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)。其對于非線性系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析和評估是很有用的。MATLAB中用于求取平衡點(diǎn)的函數(shù)是trim。trim函數(shù)的工作原理是先從一個(gè)指定的初始值開始，借助數(shù)值運(yùn)算，搜索最接近初始值的平衡點(diǎn)。事實(shí)上，該指令并不保證搜索到的平衡點(diǎn)就一定是最接近初始值，當(dāng)trim指令找不到導(dǎo)數(shù)為零的平衡點(diǎn)時(shí)，將返回搜索中使得狀態(tài)導(dǎo)數(shù)最大絕對值最接近零的點(diǎn)。如果搜索失敗，可以改變初始值再進(jìn)行嘗試。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!10.6代數(shù)環(huán)的形成與處理在介紹代數(shù)環(huán)（AlgebraicLoops）前，先看這樣一個(gè)簡單例子。（1）建立如圖所示的模型（含有代數(shù)環(huán)）。（2）設(shè)置仿真模塊參數(shù)。（3）運(yùn)行仿真。將在MATLAB命令窗口中看到如下信息。Foundalgebraicloopcontaining:'li14/k2''li14/Sum'(algebraicvariable)MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!10.6.2如何處理代數(shù)環(huán)問題計(jì)算機(jī)在處理代數(shù)環(huán)計(jì)算時(shí)，采用的是一種迭代算法，也就是說每個(gè)時(shí)間步里，計(jì)算機(jī)都將進(jìn)行這樣的計(jì)算，這會使得計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間增長。同時(shí)，由于這種代數(shù)環(huán)包含的模塊的“無延時(shí)”特性，要求環(huán)上所有模塊的輸出在同一時(shí)刻計(jì)算，這與系統(tǒng)順序仿真的要求不符。要解決代數(shù)環(huán)問題，可以采取以下方式：設(shè)計(jì)模型時(shí)盡量不采用代數(shù)環(huán)設(shè)計(jì)。在計(jì)算速度可以忍受的范圍內(nèi)，可以不必介意代數(shù)環(huán)問難。對代數(shù)環(huán)采取代數(shù)約束。切斷模型中的代數(shù)環(huán)。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!10.7.1S-函數(shù)的概述S-函數(shù)是系統(tǒng)函數(shù)（Systemfunction）的簡稱，是用計(jì)算機(jī)語言描述的功能模塊。在MATLAB，用戶除了可以用MATLAB代碼編寫S-函數(shù)外，還可用C言語、FORTRAN、Ada語言編寫S-函數(shù)。只是在這種程序便攜時(shí)，需要用編譯器生成動態(tài)鏈接庫（.dll）文件。此外，Mex文件也可以用來編寫S-函數(shù)。本結(jié)將主要介紹M-文件編寫的S-函數(shù)。S-函數(shù)采用了一種特殊的調(diào)用語法，實(shí)現(xiàn)S-函數(shù)與SIMULINK解法器的交互。S-函數(shù)可以象其他SIMULINK標(biāo)準(zhǔn)模塊一樣，與SIMULINK解法器Solver交互，接受來自SIMULINK解法器的相關(guān)信息，并對解法器的指令做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，以實(shí)現(xiàn)其功能。并且，S-函數(shù)的這種交互性具有廣泛的適應(yīng)性，雖與連續(xù)、離散和混合系統(tǒng)都適用。S-函數(shù)可以利用MATLAB的豐富資源，其不僅僅局限于SIMULINK提供的模塊，而且可用c或c++等語言寫S-函數(shù)，此外還可以實(shí)現(xiàn)對硬件端口的操作，如操作WindowsAPI等。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!10.7.3S-函數(shù)的工作機(jī)理MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!10.7.5S-函數(shù)的模板在本節(jié)中，主要介紹Ｍ-文件編寫的Ｓ-函數(shù)。由于MATLAB提供了Ｍ-文件的Ｓ-函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)模板，這使得程序的開發(fā)效率大大提高。在Ｓ-函數(shù)模板中，定義了Ｓ-函數(shù)的框架結(jié)構(gòu)，用戶可以按照自己的需要對其進(jìn)行修改。打開模板的方式除了例17所列的兩種方式之外，還可以從MATLAB的根目錄toolbox\simulink\blocks中找到Ｓ-函數(shù)的sfuntmpl.m模板文件。打開Ｓ-函數(shù)模板文件之后，就將看到如下代碼。為了便于讀者理解，本書在適當(dāng)?shù)奈恢锰砑恿酥形淖⑨?。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!10.1.2利用子系統(tǒng)模塊創(chuàng)建子系統(tǒng)通過子系統(tǒng)創(chuàng)建模型的方法又稱作子上而下的設(shè)計(jì)方法。在創(chuàng)建模型的時(shí)候，直接使用子系統(tǒng)模塊，然后，再在模塊中添加組成該子系統(tǒng)的相應(yīng)的模塊。下面是利用該方法創(chuàng)建子系統(tǒng)的演示步驟：MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!10.2.1Parameters標(biāo)簽頁子系統(tǒng)封裝的目的之一就是提供一個(gè)友好的參數(shù)設(shè)置界面。用戶無需了解子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需輸入?yún)?shù)就可以對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。只有使用了子系統(tǒng)編輯器中的Parameters標(biāo)簽頁進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置，才算是真正意義上的完成可封裝，從而使得封裝之后，雙擊模塊能夠出現(xiàn)與SIMULINK模塊庫中模塊一樣的參數(shù)設(shè)置界面。子系統(tǒng)封裝編輯器界面Parameters標(biāo)簽頁如圖所示。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!10.2.3Icon標(biāo)簽頁Icon標(biāo)簽頁（如圖所示）的作用就是讓用戶能夠自定義系統(tǒng)模塊圖標(biāo)，同時(shí)給使用者提供一個(gè)更為友好的框圖，并且使得模塊功能更加明確化。默認(rèn)狀態(tài)下封裝子系統(tǒng)是不使用圖標(biāo)的。Icon標(biāo)簽頁包括圖標(biāo)選項(xiàng)欄Iconoption、繪圖命令欄Drawingmands以及繪圖命令舉例欄Examplesofdrawingmands。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!10.2.5子系統(tǒng)封裝舉例【例】對如圖10.18所示的模型進(jìn)行封裝。改變封裝子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對話框中Gain和Constant的值，設(shè)置Gain為1，Constant為2，即表示賦值k=1、n=2,將變量值傳遞給子系統(tǒng)內(nèi)的模塊。在Display中可以實(shí)時(shí)看到輸出值的變化。圖中Display中顯示的值就是上圖參數(shù)設(shè)置的模塊輸出值。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!10.3.1使能子系統(tǒng)（EnableSubsystem）使能子系統(tǒng)（EnableSubsystem）將控制信號分為允許（enable）和禁止（disenable）兩種。當(dāng)控制信號為正時(shí)，即控制信號為允許狀態(tài)，系統(tǒng)可以執(zhí)行使能子系統(tǒng)中的模塊；否則就禁止模塊功能。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!10.3.3使能觸發(fā)子系統(tǒng)當(dāng)觸發(fā)模塊和使能模塊同時(shí)設(shè)置在同一個(gè)系統(tǒng)中時(shí)，就構(gòu)成了使能觸發(fā)子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理和上兩節(jié)介紹的使能子系統(tǒng)和觸發(fā)子系統(tǒng)工作原理相似。這里不再贅述。注意：1、系統(tǒng)在使能的狀態(tài)下被觸發(fā)才會執(zhí)行。即系統(tǒng)在接受到觸發(fā)事件后，將監(jiān)測使能信號，若使能信號為正，則子系統(tǒng)執(zhí)行一次，否則不執(zhí)行。2、當(dāng)系統(tǒng)由多個(gè)使能或觸發(fā)信號時(shí)，可先將相關(guān)的信號組合，以便接入單一的使能或觸發(fā)輸入端口。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!10.4.1SIMULINK調(diào)試器的啟動SIMULINK圖形調(diào)試界面的啟動方式有兩種：單擊模型窗口工具欄按鈕，打開圖形調(diào)試窗口。選擇菜單欄【Tools/Debugger】子項(xiàng)，打開圖形調(diào)試窗口，如圖所示。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!10.4.3設(shè)置斷點(diǎn)如果用戶知道自己系統(tǒng)執(zhí)行到某些點(diǎn)或者滿足一定條件就會出錯(cuò)，那么設(shè)置斷點(diǎn)就將顯得很有用。簡單來說，斷點(diǎn)就是仿真執(zhí)行到該處時(shí)會暫停仿真，這時(shí)用戶可以通過Continue指令跳過這一斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行到下一斷點(diǎn)。SIMULINK調(diào)試器允許用戶設(shè)置的斷點(diǎn)有兩類：無條件中斷和有條件中斷。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!10.5對仿真進(jìn)行分析10.5.1使用sim指令運(yùn)行模型10.5.2線性化的方法10.5.3平衡點(diǎn)的分析10.5.4仿真速度和精度MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!10.5.2線性化的方法有這樣一種通用的解決問題的辦法，那就是復(fù)雜問題簡單化，未知問題已知化。非線性問題也是如此，常用的方法是通過一定的方式將其線性化，得到線性化模型之后，就利用成熟的線性分析方法來研究非線性問題。1.非線性系統(tǒng)的線性化描述2.連續(xù)系統(tǒng)的線性化函數(shù)3.離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)的線性化函數(shù)MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!10.5.4仿真速度和精度SIMULINK仿真性能和精度受很多因素的影響，其中包括模型的設(shè)計(jì)和仿真參數(shù)的選擇。在大多數(shù)情況下，用戶只需要使用系統(tǒng)默認(rèn)的算法和仿真參數(shù)值就可以解決問題了。但對于一些特殊的模型，用戶必須選擇適當(dāng)?shù)姆抡鎱?shù)和解法器，才可以得到更加理想的仿真結(jié)果。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!10.6.1構(gòu)成代數(shù)環(huán)的常見模塊快及表征在上面的例子中，我們看到了一個(gè)這樣的提示：系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)代數(shù)環(huán)，且代數(shù)環(huán)包括k2(Gain)模塊和Sun模塊。在代數(shù)環(huán)中包含的模塊都具有這樣的特性：當(dāng)前時(shí)刻模塊的輸出依賴于當(dāng)前時(shí)刻模塊的輸入。這種輸入輸出關(guān)系在時(shí)間上“無延時(shí)”模塊被稱為直通模塊（Directfeedthrough）。MATLAB70使用詳解-第10章SIMULINK高級仿真技術(shù)共34頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!10.7S-函數(shù)（系統(tǒng)函數(shù)）的創(chuàng)建和使用SIMULINK為用戶提供了許多內(nèi)置模塊庫，諸如連續(xù)模塊庫（Continous）、離散系