MATLAB程序設(shè)計 課件 第10章 Simulink動態(tài)仿真設(shè)計

1MATLAB程序設(shè)計《MATLAB程序設(shè)計》2第十章Simulink動態(tài)仿真設(shè)計10.1Simulink仿真環(huán)境 10.2Simulink模塊庫 10.3Simulink基本操作和模塊的創(chuàng)建10.4Simulink系統(tǒng)建模 10.5運行仿真 10.1Simulink仿真環(huán)境《MATLAB程序設(shè)計》3

Simulink主要用來實現(xiàn)對工程問題的模型化及動態(tài)仿真，其本身具有良好的圖形交互界面。Simulink體現(xiàn)了模塊化設(shè)計和系統(tǒng)級仿真的思想，采用模塊組合的方法使用戶能夠快速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型，使得建模仿真如同搭積木一樣簡單。10.1Simulink仿真環(huán)境

10.1Simulink仿真環(huán)境《MATLAB程序設(shè)計》4（1）在MATLAB的命令行窗口中輸入Simulink，按Enter鍵，隨后單擊空白模塊按鈕進入Simulink仿真平臺界面10.1Simulink仿真環(huán)境

10.1Simulink仿真環(huán)境《MATLAB程序設(shè)計》5（2）單擊MATLAB瀏覽器窗口工具欄上的Simulink按鈕進入仿真平臺界面10.1Simulink仿真環(huán)境

10.1Simulink仿真環(huán)境《MATLAB程序設(shè)計》6打開Simulink模塊庫瀏覽器窗口10.1Simulink仿真環(huán)境

單擊窗口右上角的叉號，關(guān)閉Simulink仿真平臺和Simulink模塊庫瀏覽器窗口，即可退出Simulink仿真環(huán)境。10.2Simulink模塊庫《MATLAB程序設(shè)計》710.2.1標準模塊庫

標準Simulink模塊庫在Simulink窗口中名為Simulink，單擊該選項，在模塊窗口中展開該模塊庫，標準Simulink模塊庫共含16個子庫10.2Simulink模塊庫《MATLAB程序設(shè)計》810.2.1標準模塊庫

（1）CommonlyUsedBlocks（常用模塊庫）：該模塊庫將各模塊庫中最經(jīng)常使用的模塊放在一起，目的是為了方便用戶使用。（2）Continuous（連續(xù)系統(tǒng)模塊庫）：該模塊庫提供了用于構(gòu)建連續(xù)控制系統(tǒng)仿真模型的模塊。（3）Discontinuities（非連續(xù)系統(tǒng)模塊庫）：該模塊庫用于模擬各種非線性環(huán)節(jié)。（4）Discrete（離散系統(tǒng)模塊庫）：該模塊庫功能基本與連續(xù)系統(tǒng)模塊庫相對應，但它是對離散信號的處理，所包含的模塊較豐富。10.2Simulink模塊庫《MATLAB程序設(shè)計》910.2.1標準模塊庫

（5）LogicandBitOperations（邏輯和位操作模塊庫）：該模塊庫提供了用于完成各種邏輯與位操作（包括邏輯比較、位設(shè)置等）的模塊。（6）LookupTables（查表模塊庫）：該模塊庫提供了一維查表模塊、n維查表模塊等模塊，主要功能是利用查表法近似擬合函數(shù)值。（7）MathOperations（數(shù)學運算模塊庫）：該模塊庫提供了用于完成各種數(shù)學運算（包括加、減、乘、除以及復數(shù)計算、函數(shù)計算等）模塊。10.2Simulink模塊庫《MATLAB程序設(shè)計》1010.2.1標準模塊庫

（8）ModelVerification（模塊聲明庫）：該模塊庫提供了顯示模塊聲明的模塊，如Assertion聲明模塊和CheckDvnamicRanoe檢杏動太范圍植塊。（9）Model-WideUtilities（模塊擴充功能庫）：該模塊庫提供了支持?？鞌U充操作的模塊，如DocBlock文檔模塊等。（10）Ports&Subsystems（端口和子系統(tǒng)模塊庫）：該模塊庫提供了許多按條件判斷執(zhí)行的使能和觸發(fā)模塊，還包括重要的子系統(tǒng)模塊。10.2Simulink模塊庫《MATLAB程序設(shè)計》1110.2.1標準模塊庫

（11）SignalAttributes（信號屬性植塊庫）：該植塊庫提供了支持信號屬性的模塊，如DataTypeConversion數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換植塊等。（12）SignalRouting（信號數(shù)據(jù)流模塊庫）：該模塊庫提供了用于仿真系統(tǒng)中信號和數(shù)據(jù)各種流向控制操作（包括合并、分離、選擇、數(shù)據(jù)讀寫）的模塊。（13）Sinks（接收器模塊庫）：該模塊庫提供了9種常用的顯示和記錄儀表，用于觀察信號的波形或記錄信號數(shù)據(jù)。10.2Simulink模塊庫《MATLAB程序設(shè)計》1210.2.1標準模塊庫

（14）Sources（信號源模塊庫）：

該模塊庫提供了20多種常用的信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生系統(tǒng)的激勵信號，并且可以從MATLAB工作空間及.mat文件中讀入信號數(shù)據(jù)。（15）User-DefinedFunctions（用戶自定義函數(shù)庫）：

該模塊庫的模塊可以在系統(tǒng)模型中插入M函數(shù)、S函數(shù)以及自定義函數(shù)等，使系統(tǒng)的仿真功能更強大。（16）AdditionalMath&Discrete（附加的數(shù)學與離散函數(shù)庫）：

該模塊庫提供了附加的數(shù)學與離散函數(shù)模塊，如Fixed-PointStateSpace修正點狀態(tài)空間模塊。10.2Simulink模塊庫《MATLAB程序設(shè)計》1310.2.2專業(yè)模塊庫

它們是各領(lǐng)域?qū)＜覟闈M足特殊需要在標準Simulink模塊庫基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。比如，電力系統(tǒng)模塊庫。SimPowerSystems（電力系統(tǒng)模塊庫）是專用于RLC電路、電力電子電路、電機傳動控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)仿真的模塊庫。該模塊庫中包含了各種交、直流電源、大量電氣元器件和電工測量儀表以及分析工具等。利用這些模塊可以模擬電力系統(tǒng)運行和故障的各種狀態(tài)，并進行仿真和分析。各專業(yè)模塊庫涉及較深的專業(yè)知識，讀者若有應用，可查看MATLAB幫助文檔。10.3Simulink基本操作和模塊的創(chuàng)建《MATLAB程序設(shè)計》1410.3.1模塊的基本操作

操作內(nèi)容操作目的操作方法選取模塊從模塊庫瀏覽器中選取需要的模塊放入Simulink仿真平臺窗口中方法1：在目標模塊上按下鼠標左鍵，拖動目標模塊進入Simulink仿真平臺中，松開左鍵方法2：在目標模塊上單擊鼠標右鍵，彈出快捷菜單，選擇“Addtountitled”選項刪除模塊刪除窗口中不需要的模塊選中模塊，按下Delete鍵調(diào)整模塊大小改善模型的外觀，調(diào)整整個模型的布置選中模塊，模塊四角將出現(xiàn)小方塊。單擊一個角上的小方塊并按住鼠標左鍵，拖曳鼠標到合理大小位置移動模塊將模塊移動到合適位置，調(diào)整整個模型的布置單擊模塊，拖曳模塊到合適的位置，松開鼠標按鍵旋轉(zhuǎn)模塊適應實際系統(tǒng)的方向，調(diào)整整個模型的布置方法1：選中模塊，選擇菜單命令Diagram→Rotate&Flip→Clockwise，模塊順時針旋轉(zhuǎn)90°；選擇菜單命令Diagram一Rotate&Flip→Counterclockwise，模塊逆時針旋轉(zhuǎn)180°；選擇菜單命令Diagram→Rotate&Flip→FlipBlock，模塊左右或上下翻轉(zhuǎn)；選擇菜單命令Diagram→Rotate&Flip→FlipBlockName，模塊左右或上下翻轉(zhuǎn)模塊名字方法2：右鍵單擊目標模塊，在彈出的快捷菜單中進行與方法1同樣的菜單項選擇復制內(nèi)部模塊內(nèi)部復制已經(jīng)設(shè)置好的模央塊，而不用重新到模塊庫瀏覽器中選取方法1：先按住Ctrl鍵，再單擊模塊，拖曳模塊到合適的位置，松開鼠標按鍵方法2：選中模塊，使用Edit→Copy及Edit→Paste命令模塊參數(shù)調(diào)整按照用戶自己意愿調(diào)整模塊的參數(shù)，滿足仿真需要方法1：雙擊模塊，彈出“...BlockParameter...”對話框，修改參數(shù)方法2：右鍵單擊目標模塊，在彈出的快捷菜單中“...Parameter”選項，彈出“...BlockParameter...”對話框改變標簽內(nèi)容按照用戶自己意愿對模塊進行命名，增強模型的可讀性在標簽的任何位置上單擊鼠標，進入模塊標簽的編輯狀態(tài)，輸入新的標簽，在標簽編輯框外的窗口中任何地方單擊鼠標退出10.3Simulink基本操作和模塊的創(chuàng)建《MATLAB程序設(shè)計》1510.3.2信號線的基本操作

操作內(nèi)容操作目的操作方法在模塊間連線在兩個模塊之間建立信號聯(lián)系在上級模塊的輸出端按住鼠標左鍵，拖動至下級模塊的輸入端，松開鼠標左鍵移動線段調(diào)整線段的位置，改善模型的外觀選中目標線段，按住鼠標左鍵，拖曳到目標位置，松開鼠標左鍵移動節(jié)點可改變折線的走向，改善模型的外觀選中目標節(jié)點，按住鼠標左鍵，拖曳到目標位置，松開鼠標左鍵畫分支信號線從一個節(jié)點引出多條信號線，應用于不同目的方法1：先按住Ctrl鍵，再選中信號引出點，按住鼠標左鍵，拖曳到下級目標模塊的信號輸入端，松開鼠標左鍵方法2：先選中信號引出線，然后在信號引出點按住鼠標右鍵，拖曳到下級目標模塊的信號輸入端，松開鼠標右鍵刪除信號線刪除窗口中不需要的線段或斷開模塊間連線選中目標信號線，然后按Delete鍵信號線標簽設(shè)定信號線的標簽，增強模型的可讀性雙擊要標注的信號線，進入標簽的編輯區(qū)，輸入信號線標簽內(nèi)容，在標簽編輯框外的窗口中單擊鼠標退出10.3Simulink基本操作和模塊的創(chuàng)建《MATLAB程序設(shè)計》1610.3.3系統(tǒng)模型的基本操作

操作內(nèi)容操作目的操作方法創(chuàng)建模型創(chuàng)建一個新的模型方法1：選擇MATLAB菜單命令Home→New→SimulinkModel方法2：單擊Simulink模塊庫瀏覽器窗口工具欄ENewModel（新模型)按鍵打開模型打開一個已有的模型方法1:選擇MATLAB菜單命令Home→Open方法2:單擊Simulink模塊庫瀏覽器窗口OpenModel（打開模型)按鍵保存模型保存仿真平臺中模型方法1：選擇Simulink仿真平臺窗口菜單命令File→Save或者File→Saveas方法2：單擊Simulink仿真平臺窗口Save（保存)按鍵注釋模型使模型更易讀懂在模型窗口中的任何想要加注釋的位置上雙擊鼠標，進入注釋文字編輯框，輸入注釋內(nèi)容，在窗口中任何其他位置單擊鼠標退出10.3Simulink基本操作和模塊的創(chuàng)建《MATLAB程序設(shè)計》1710.3.3系統(tǒng)模型的基本操作

10.3Simulink基本操作和模塊的創(chuàng)建《MATLAB程序設(shè)計》1810.3.4子系統(tǒng)建立

一般而言，規(guī)模較大的系統(tǒng)仿真模型，都包含了數(shù)量可觀的各種模塊。如果這些模塊都直接顯示在Simulink仿真平臺窗口中，將顯得擁擠、雜亂，不利于用戶建模和分析?？梢园褜崿F(xiàn)同一種功能或幾種功能的多個模塊組合成一個子系統(tǒng)，從而簡化模型，其效果如同其他高級語言中子程序和子函數(shù)的功能。10.3Simulink基本操作和模塊的創(chuàng)建《MATLAB程序設(shè)計》1910.3.4子系統(tǒng)建立

方法一：“子系統(tǒng)”模塊①新建一個空白模型。②打開“端口和子系統(tǒng)”模塊庫，選取其中的Subsystem（子系統(tǒng)）模塊，并把它復制到新建的仿真平臺窗口中。③雙擊Subsystem模塊，此時彈出子系統(tǒng)編輯窗口。系統(tǒng)自動在該窗口中添加一個輸入和輸出端子，名為In1和Out1，這是子系統(tǒng)與外部聯(lián)系的端口④將組成子系統(tǒng)的所有模塊都添加到該子系統(tǒng)中，并將添加的模塊進行合理排列。⑤根據(jù)要求用信號線連接各模塊。⑥修改外接端子標簽并重新定義子系統(tǒng)標簽，使子系統(tǒng)更具可讀性。10.3Simulink基本操作和模塊的創(chuàng)建《MATLAB程序設(shè)計》2010.3.4子系統(tǒng)建立

方法二：組合已存在的模塊①打開已經(jīng)存在的模型。②選中要組合到子系統(tǒng)中的所有對象，包括各模塊及其連線。③選擇菜單欄中的建?！鷦?chuàng)建子系統(tǒng)命令，模型自動轉(zhuǎn)換成子系統(tǒng)。④修改外接端子標簽并重新定義子系統(tǒng)標簽，使子系統(tǒng)更具可讀性。10.3Simulink基本操作和模塊的創(chuàng)建《MATLAB程序設(shè)計》2110.3.4子系統(tǒng)建立

方法二：組合已存在的模塊10.4Simulink系統(tǒng)建?！禡ATLAB程序設(shè)計》22

Simulink系統(tǒng)建模的過程和具體操作步驟一般如下。（1）分析待仿真系統(tǒng)，確定待建模型的功能需求和結(jié)構(gòu)。（2）啟動模塊庫瀏覽器窗口，執(zhí)行菜單欄中的“空白模塊”命令，新建一個模型文件。（3）在模塊庫瀏覽器窗口中找到模型所需的各模塊，并分別將其拖曳到新建的仿真平臺窗口中。（4）將各模塊適當排列，并用信號線將其正確連接。（5）對模塊和信號線重新標注。（6）依據(jù)實際需要對相應模塊設(shè)置合適的參數(shù)值。（7）如有必要，可對模型進行子系統(tǒng)建立和封裝處理。（8）保存模型文件。10.4Simulink系統(tǒng)建?！禡ATLAB程序設(shè)計》23

例10-1請采用simlink建立下列二元一次微分方程仿真模型其中，m,c和k分別表示質(zhì)量，阻尼和剛度，F(xiàn)(t)表示激振力，x表示振動位移，x的一階導數(shù)和二階導數(shù)分別表示速度和加速度。（1）分析仿真系統(tǒng)。上述二元一次微分方程描述了物體振動過程，為了方便建立模型，將上述方程變形為，10.4Simulink系統(tǒng)建?！禡ATLAB程序設(shè)計》24

（2）創(chuàng)建Simulink模型文件。創(chuàng)建如圖所示的Simulink模型文件。10.4Simulink系統(tǒng)建?！禡ATLAB程序設(shè)計》25

（3）設(shè)置模塊參數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)的實際物理意義，修改各模塊標簽名稱，本模型比較簡單，除了質(zhì)量，阻尼和剛度用同樣的Gain模塊表示外，其余模塊并不容易混淆，且物理意義比較明確，因此在模型中，修改模塊標簽名稱意義不大，此處不在修改，維持原模型狀態(tài)。（4）創(chuàng)建子系統(tǒng)。對于復雜仿真模型，如果將所有仿真模塊放到一個層級，將顯得特別雜亂，不利于后續(xù)模塊調(diào)試，因此可將部分模塊進行子系統(tǒng)創(chuàng)建，這樣整個模型就可以通過多個子系統(tǒng)相互連接而成，從表型形式上更為簡化和明確，也有利于后續(xù)的模型調(diào)試。10.4Simulink系統(tǒng)建?！禡ATLAB程序設(shè)計》26

（4）創(chuàng)建子系統(tǒng)。對于復雜仿真模型，如果將所有仿真模塊放到一個層級，將顯得特別雜亂，不利于后續(xù)模塊調(diào)試，因此可將部分模塊進行子系統(tǒng)創(chuàng)建，這樣整個模型就可以通過多個子系統(tǒng)相互連接而成，從表型形式上更為簡化和明確，也有利于后續(xù)的模型調(diào)試。10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》27

10.5.1運行仿真過程Simulink一般使用窗口菜單命令進行仿真，方便且人機交互性強，用戶可容易地進行仿真解法以及仿真參數(shù)的選擇、定義和修改等操作。（1）設(shè)置仿真參數(shù)①求解器：設(shè)置仿真的起始和終止時間，設(shè)置積分解法以及步長等參數(shù)；②數(shù)據(jù)導入/導出：Simulink和MATLAB工作空間數(shù)據(jù)的輸入和輸出設(shè)定，以及數(shù)據(jù)存儲時的格式、長度等參數(shù)設(shè)置;③診斷：允許讀者選擇在仿真過程中警告信息顯示等級。選擇適當?shù)乃惴ú⒃O(shè)置好其他仿真參數(shù)后，選擇對話框中的OK或Apply按鈕，使修改的設(shè)置生效。10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》28

10.5.1運行仿真過程（1）設(shè)置仿真參數(shù)10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》29

10.5.1運行仿真過程（2）啟動仿真完成仿真參數(shù)的設(shè)置后，就可以開始仿真。確認待仿真的仿真平臺窗口為當前窗口，選擇菜單命令建模-運行或單擊工具欄中的圖標啟動仿真。（3）顯示仿真結(jié)果如果建立的模型沒有錯誤，選擇的參數(shù)合適，則仿真過程將順利進行。這時，雙擊模型中用來顯示輸出的模塊（如Scope顯示器模塊)，就可以觀察到仿真的結(jié)果。當然，也可以在仿真開始前先打開顯示輸出模塊，再開始仿真。（4）停止仿真對于仿真時間較長的模型，如果在仿真過程結(jié)束之前，用戶想要停止此次仿真過程，可以選擇菜單命令建模-停止或單擊工具欄中的圖標停止仿真。10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》30

10.5.1運行仿真過程（5）仿真診斷在仿真過程中若出現(xiàn)錯誤，Simulink將會終止仿真并彈出“診斷查看器”錯誤信息對話框10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》31

10.5.2仿真參數(shù)設(shè)置（1）仿真時間設(shè)置仿真時間非常重要，它決定了模型仿真的時間或取值范圍，其設(shè)置完全根據(jù)待仿真系統(tǒng)的特性確定，反映在輸出顯示上就是示波器的橫軸坐標值的取值范圍。“開始時間”和“結(jié)束時間”項分別用以設(shè)置仿真開始時間(或取值范圍下限)和終止時間(或取值范圍上限)，默認值分別為0.0和10.0。10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》32

10.5.2仿真參數(shù)設(shè)置（2）選擇仿真算法算法名稱算法說明變步長算法ode45基于顯式Runge-Kutta(4，5)和Dormand-Prince組合的算法，是一種一步算法，即只要前一時間點的解，就可以立即計算當前時間點的方程解。對大多數(shù)仿真模型來說，首先使用ode45來解算模型是最佳的選擇，因此在Simulink的算法選擇中將ode45設(shè)為默認的算法ode23基于顯式Runge-Kutta(2，3)、Bogacki-Shampine相結(jié)合的算法，也是一種一步算法。在容許誤差和計算略帶剛性的問題方面，該算法比ode45更好ode113可變階次的Adams-Bashforth-Moulton算法，是一種多步算法，即需要使用前幾次節(jié)點上的值來計算當前節(jié)點的解。在精度要求高的情況下，該算法比ode45更合適ode15s一種可變階次的多步算法，當遇到帶剛性（Stiff)的問題時或者使用ode45算法很慢時，可以一試ode23s剛性方程固定階次的單步解法。在容許誤差較大時，比ode15s有效。因此，如果系統(tǒng)是剛性系統(tǒng)，可以同時嘗試兩種方法以確定哪一個更快ode23t一種采用自由內(nèi)插方法的梯形算法。如果系統(tǒng)為中度剛性且要求解沒有數(shù)值衰減時，可考慮此解法ode23b采用TR-BDF2算法，即在龍格-庫塔法的第一階段用梯形法，第二階段用二階的BackwardDifferentiationFormulas算法。在容差比較大時，ode23tb和ode23t都比ode15s要好discrete針對非連續(xù)系統(tǒng)（離散系統(tǒng)）的特殊算法注釋模型ode8采用固定步長的8階Dormand-Prince的算法ode5采用固定步長的5階Dormand-Prince的算法，即固定步長的ode45算法ode4采用固定步長的4階Runge-Kutta算法ode3采用固定步長的Bogacki-Shampine算法ode3采用固定步長的2階Runge-Kutta算法，也稱Heun算法ode1固定步長的Eular算法discrete不含積分的固定步長算法，適用于沒有連續(xù)狀態(tài)僅有離散狀態(tài)模型的計算10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》33

10.5.3示波器的使用（1）示波器參數(shù)單擊示波器參數(shù)按鈕，彈出示波器參數(shù)對話框，該對話框中含有三個選項卡，分別是常設(shè)、時間、畫面、記錄。10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》34

10.5.3示波器的使用（1）示波器參數(shù)單擊示波器參數(shù)按鈕，彈出示波器參數(shù)對話框，該對話框中含有三個選項卡，分別是常設(shè)、時間、畫面、記錄。①常設(shè)選項卡

“輸入端口個數(shù)”坐標個數(shù)文本框：用于設(shè)定示波器的y軸數(shù)量，即示波器的輸入信號端口的個數(shù)，默認值為1，即該示波器用以觀察一路信號。若將其設(shè)為2，則可以同時觀察兩路信號，示波器的圖標也自動變?yōu)閮蓚€輸入端口；其示波器窗口內(nèi)顯示的圖形也會變成兩個。10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》35

10.5.3示波器的使用①常設(shè)選項卡10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》36

10.5.3示波器的使用將數(shù)據(jù)點限制為最后：用于數(shù)據(jù)點數(shù)設(shè)置。選中后，其右側(cè)的文本框被激活，默認值為5000，表示示波器顯示5000個數(shù)據(jù)，若超過5000個數(shù)據(jù)，也僅顯示最后的5000個數(shù)據(jù)。若不選該項，所有數(shù)據(jù)都顯示，但對計算機內(nèi)存要求較高。②記錄選項卡10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》37

10.5.3示波器的使用③風格選項卡圖框顏色：選擇圖形繪制的背景顏色；坐標區(qū)顏色：第一個下拉框可以選擇坐標軸的顏色，第二個可以選擇文字的顏色；曲線屬性：分別可以在Line線條屬性和Marker標注屬性中選擇不同的曲線繪制方法，與第二章中圖形繪制所介紹的屬性類似。10.5運行仿真《MATLAB程序設(shè)計》38

10.5.3示波器的使用④圖形放縮仿真波形在示波器中顯示，有時讀者需要對波形顯示區(qū)域和大小進行適當調(diào)整，達到最佳觀察效果。示波器窗口的工具欄提供了兩個工具按鈕用以圖形縮放操作。a區(qū)域放大按鈕:首先在工具欄中單擊該按鈕，然后在窗口中需要放大的區(qū)域上按住鼠標左鍵并拖曳一個矩形框，用矩形框框住需要放大的圖形區(qū)域，