《Simulink的應(yīng)用》教學(xué)課件

第7章Simulink的應(yīng)用

7.1Simulink工作平臺的啟動

7.2Simulink仿真原理7.3Simulink模塊庫7.4仿真模型的建立和模塊參數(shù)及屬性的設(shè)置7.5其他應(yīng)用模塊集及Simulink擴展庫1精選課件ppt7.1Simulink工作平臺啟動Simulink，通常有兩種方法：（1）在MATLAB命令窗口中直接輸入Simulink命令；（2）在MATLAB工具欄上單擊Simulink按鈕，如圖7.1所示。

圖7.1啟動Simulink

這樣就可打開了Simulink的SimulinkLibraryBrower(庫模塊瀏覽器)，如圖7.2所示。在菜單欄中執(zhí)行File/New/Model命令，就建立了一個名為untitled的模型窗口，如圖7.3所示。在建立了空的模塊窗口后，用戶可以在此窗口中創(chuàng)建自己需要的Simulink模型。2精選課件ppt圖7.2庫模塊瀏覽器

圖7.3新建的空白模塊窗口

3精選課件ppt7.2

Simulink的仿真原理7.2.1Simulink仿真模塊通常，Simulink仿真系統(tǒng)包括輸入(Input)、狀態(tài)(states)和輸出(Output)三個部分。·輸入模塊：即信號源模塊，包括常數(shù)字信號源和用戶自定義信號；·狀態(tài)模塊：即被模擬的系統(tǒng)模塊，是系統(tǒng)建模的核心和主要部分；·輸出模塊：即信號顯示模塊，它能夠以圖形方式、文件格式進(jìn)行顯示。注意：在設(shè)計一個模型時，必須先確定這三個部分的意，以及它們之間的聯(lián)系；Simulink的仿真模型并非一定要完全包括這三個部分，它可以缺少其中一個或者兩個；Simulink的狀態(tài)模塊可以是連續(xù)的、離散的，或者它們二者的結(jié)合。4精選課件ppt7.2.2Simulink仿真過程1．初始化階段①對模型的參數(shù)進(jìn)行估計，得到它們實際計算的值。②展開模型的各個層次；③按照更新的次序?qū)δＰ瓦M(jìn)行排序；④確定那些顯式化的信號屬性，并檢查每個模塊是否能夠接受連接它們輸入端的信號；⑤確定所有非顯式的信號采樣時間模塊的采樣時間；⑥分配和初始化存儲空間，以便存儲每個模塊的狀態(tài)和當(dāng)前值的輸出。2．模型執(zhí)行階段模型仿真是通過數(shù)值積分來進(jìn)行完成的，計算數(shù)值積分可以采用以下兩步來進(jìn)行：①按照秩序計算每個模塊的積分；②根據(jù)當(dāng)前輸入和狀態(tài)來決定狀態(tài)的微分，得到微分矢量，然后把它返回給解法器，以計算下一個采樣點的狀態(tài)矢量。在每一個時間步中，Simulink依次解決下列問題：

·按照秩序更新模塊的輸出；

·按照秩序更新模塊的狀態(tài)；

·檢查模塊連續(xù)狀態(tài)的不連續(xù)點；

·計算下一個仿真時間步的時間。5精選課件ppt7.3.1連續(xù)模塊庫(Continuous)

在連續(xù)模塊(Continuous)庫中包括了常見的連續(xù)模塊，這些模塊如圖所示。

7.3Simulink模塊庫

在庫模塊瀏覽器中單擊Simulink前面的“+”號，就能夠看到Simulink的模塊庫，如圖7.2所示。

6精選課件ppt4.傳遞函數(shù)模塊(TransferFcn)功能：用執(zhí)行一個線性傳遞函數(shù)。5.零極點傳遞函數(shù)模塊(Zero-Pole)功能：用于建立一個預(yù)先指定的零點、極點，并用延遲算子s表示的連續(xù)。6．存儲器模塊(Memory)功能：保持輸出前一步的輸入值。7．傳輸延遲模塊(TransportDelay)功能：用于將輸入端的信號延遲指定的時間后再傳輸給輸出信號。8．可變傳輸延遲模塊(VariableTransportDelay)功能：用于將輸入端的信號進(jìn)行可變時間的延遲。1.積分模塊(Integrator)：功能：對輸入變量進(jìn)行積分。說明：模塊的輸入可以是標(biāo)量，也可以是矢量；輸入信號的維數(shù)必須與輸入信號保持一致。2.微分模塊(Derivative)功能：通過計算差分?u/

?t近似計算輸入變量的微分。3.線性狀態(tài)空間模塊(State-Space)功能：用于實現(xiàn)以下數(shù)學(xué)方程描述的系統(tǒng)：7精選課件ppt7.3.2離散模塊庫(Discrete)

離散模塊庫(Discrete)主要用于建立離散采樣的系統(tǒng)模型，包括的主要模塊，如圖所示。1．零階保持器模塊(Zero-Order-Hold)功能：在一個步長內(nèi)將輸出的值保持在同一個值上。8精選課件ppt2．單位延遲模塊(UnitDelay)功能：將輸入信號作單位延遲，并且保持一個采樣周期相當(dāng)于時間算子z-1

。3．離散時間積分模塊(DiscreteTimeIntegrator)功能：在構(gòu)造完全離散的系統(tǒng)時，代替連續(xù)積分的功能。使用的積分方法有：向前歐拉法、向后歐拉法、梯形法。4．離散狀態(tài)空間模塊(DiscreteStateSpace)功能：用于實現(xiàn)如下數(shù)學(xué)方程描述的系統(tǒng)：5．離散濾波器模塊(DiscreteFilter)功能：用于實現(xiàn)無限脈沖響應(yīng)(IIR)和有限脈沖響應(yīng)(FIR)的數(shù)字濾波器。6．離散傳遞函數(shù)模塊(DiscreteTransferFcn)功能：用于執(zhí)行一個離散傳遞函數(shù)。7．離散零極點傳遞函數(shù)模塊(DiscreteZero-Pole)功能：用于建立一個預(yù)先指定的零點、極點，并用延遲算子z-1表示的離散系統(tǒng)。8．一階保持器模塊(FirstOrderHold)功能：在一定時間間隔內(nèi)保持一階采樣。9精選課件ppt7.3.3函數(shù)與表格模塊庫(Function&Table)

函數(shù)與表格模塊庫(Function&Table)主要實現(xiàn)各種一維、二維或者更高維函數(shù)的查表，另外用戶還可以根據(jù)自己需要創(chuàng)建更復(fù)雜的函數(shù)。該模塊庫包括多個主要模塊、如圖7.7所示。10精選課件ppt1.一維查表模塊(Look-UpTable)

一維查表模塊(Look-UpTable)實現(xiàn)對單路輸入信號的查表和線性插值。2．二維查表模塊(Look-UpTable2-D)功能：根據(jù)給定的二維平面網(wǎng)格上的高度值，把輸入的兩個變量經(jīng)過查表、插值，計算出模塊的輸出值，并返回這個值。說明：對二維輸入信號進(jìn)行分段線性變換。3．自定義函數(shù)模塊(Fcn)功能：用于將輸入信號進(jìn)行指定的函數(shù)運算，最后計算出模塊的輸出值。說明：輸入的數(shù)學(xué)表達(dá)式應(yīng)符合C語言編程規(guī)范；與MATLAB中的表達(dá)式有所不同，不能完成矩陣運算。4．MATLAB函數(shù)模塊(MATLABFcn)功能：對輸入信號進(jìn)行MATLAB函數(shù)及表達(dá)式的處理。說明：模塊為單輸入模塊；能夠完成矩陣運算。注意：從運算速度角度，Mathfunction模塊要比Fcn模塊慢。當(dāng)需要提高速度時，可以考慮采用Fcn或者S函數(shù)模塊。5．S-函數(shù)模塊(S-Function)功能：按照Simulink標(biāo)準(zhǔn)，編寫用戶自己的Simulink函數(shù)。它能夠?qū)ATLAB語句、C語言等編寫的函數(shù)放在Simulink模塊中運行，最后計算模塊的輸出值。11精選課件ppt7.3.4數(shù)學(xué)模塊庫(Math)

數(shù)學(xué)模塊庫(Math)包括多個數(shù)學(xué)運算模塊，如圖7.8所示。12精選課件ppt3.矢量的點乘模塊(DotProduct)功能：矢量的點乘模塊(DotProduct)用于實現(xiàn)輸入信號的點積運算。4.增益模塊(Gain)功能：增益模塊(Gain)的作用是把輸入信號乘以一個指定的增益因子，使輸入產(chǎn)生增益。1.求和模塊(Sum)功能：求和模塊(Sum)用于對多路輸入信號進(jìn)行求和運算，并輸出結(jié)果。2.乘法模塊(Product)功能：乘法模塊(Product)用于實現(xiàn)對多路輸入的乘積、商、矩陣乘法或者模塊的轉(zhuǎn)置等。5.常用數(shù)學(xué)函數(shù)模塊(MathFunction)功能：用于執(zhí)行多個通用數(shù)學(xué)函數(shù)，其中包含exp、log、log10、square、sqrt、pow、reciprocal、hypot、rem、mod等。13精選課件ppt6.三角函數(shù)模塊(TrigonometricFunction)功能：用于對輸入信號進(jìn)行三角函數(shù)運算，共有10種三角函數(shù)供選擇。7.特殊數(shù)學(xué)模塊特殊數(shù)學(xué)模塊中包括求最大最小值模塊(MinMax)、取絕對值模塊(Abs)、符號函數(shù)模塊(Sign)、取整數(shù)函數(shù)模塊(RoundingFunction)等。8.數(shù)字邏輯函數(shù)模塊數(shù)字邏輯函數(shù)模塊包括復(fù)合邏輯模塊(CombinationalLogic)、邏輯運算符模塊(LogicalOperator)、位邏輯運算符模塊(BitwiseLogicalOperator)等。9.關(guān)系運算模塊(RelationalOperator)

關(guān)系符號包括：==(等于)、≠(不等于)、<(小于)、<=(小于等于)、>(大于)、>=(大于等于)等。10.復(fù)數(shù)運算模塊復(fù)數(shù)運算模塊包括計算復(fù)數(shù)的模與幅角(ComplextoMagnitude-Angle)、由模和幅角計算復(fù)數(shù)(Magnitude-AngletoComplex)、提取復(fù)數(shù)實部與虛部模塊(ComplextoRealandImage)、由復(fù)數(shù)實部和虛部計算復(fù)數(shù)(RealandImagetoComplex)。14精選課件ppt7.3.5非線性模塊(Nonlinear)非線性模塊(Nonlinear)中包括一些常用的非線性模塊，如圖7.9所示。15精選課件ppt1.比率限幅模塊(RateLimiter)功能：用于限制輸入信號的一階導(dǎo)數(shù)，使得信號的變化率不超過規(guī)定的限制值。2．飽和度模塊(Saturation)功能：用于設(shè)置輸入信號的上下飽和度，即上下限的值，來約束輸出值。3．量化模塊(Quantizer)功能：用于把輸入信號由平滑狀態(tài)變成臺階狀態(tài)。4．死區(qū)輸出模塊(DeadZone)功能：在規(guī)定的區(qū)內(nèi)沒有輸出值。5．繼電模塊(Relay)功能：繼電模塊(Relay)用于實現(xiàn)在兩個不同常數(shù)值之間進(jìn)行切換。6．選擇開關(guān)模塊(Switch)功能：根據(jù)設(shè)置的門限來確定系統(tǒng)的輸出。16精選課件ppt7.3.6信號與系統(tǒng)模塊庫(signals&Systems)信號與系統(tǒng)模塊庫(signals&Systems)包括的主要模塊如圖7.11所示。17精選課件ppt1.Bus信號選擇模塊(BusSelector)功能：用于得到從Mux模塊或其它模塊引入的Bus信號。2.混路器模塊(Mux)功能：把多路信號組成一個矢量信號或者Bus信號。3.分路器模塊(Demux)功能：把混路器組成的信號按照原來的構(gòu)成方法分解成多路信號。4.信號合成模塊(Merge)功能：把多路信號進(jìn)行合成一個單一的信號。5.接收/傳輸信號模塊(From/Goto)功能：接收/傳輸信號模塊(From/Goto)常常配合使用，F(xiàn)rom模塊用于從一個Goto模塊中接收一個輸入信號，Goto模塊用于把輸入信號傳遞給From模塊。6．初始值設(shè)定模塊(IC)功能：初始值設(shè)定模塊(IC)用于設(shè)定與輸出端口連接的模塊的初始值。18精選課件ppt7.3.7信號輸出模塊(Sinks)

信號輸出模塊(Sinks)包括的主要模塊如圖7.12所示。圖7.12輸出顯示模塊庫19精選課件ppt1.示波器模塊(Scope)功能：顯示在仿真過程中產(chǎn)生的輸出信號，用于在示波器中顯示輸入信號與仿真時間的關(guān)系曲線，仿真時間為x軸。2.二維信號顯示模塊(XYGraph)功能：在MATLAB的圖形窗口中顯示一個二維信號圖，并將兩路信號分別作為示波器坐標(biāo)的x軸與y軸，同時把它們之間的關(guān)系圖形顯示出來。3.顯示模塊(Display)功能：按照一定的格式顯示輸入信號的值?？晒┻x擇的輸出格式包括：short、long、short_e、long_e、bank等。4.輸出到文件模塊(ToFile)功能：按照矩陣的形式把輸入信號保存到一個指定的MAT文件。第一行為仿真時間，余下的行則是輸入數(shù)據(jù)，一個數(shù)據(jù)點是輸入矢量的一個分量。5.輸出到工作空間模塊(ToWorkspace)功能：把信號保存到MATLAB的當(dāng)前工作空間，是另一種輸出方式。6.終止信號模塊(Terminator)功能：中斷一個未連接的信號輸出端口。7.結(jié)束仿真模塊(Stopsimulation)功能：停止仿真過程。當(dāng)輸入為非零時，停止系統(tǒng)仿真。20精選課件ppt7.3.8信號源模塊庫(Sources)信號源模塊庫(Sources)包括的主要模塊如圖7.13所示。圖7.13信號源模塊庫21精選課件ppt1．輸入常數(shù)模塊(Constant)功能：產(chǎn)生一個常數(shù)。該常數(shù)可以是實數(shù)，也可以是復(fù)數(shù)。2．信號源發(fā)生器模塊(SignalGenerator)功能：產(chǎn)生不同的信號，其中包括：正弦波、方波、鋸齒波信號。3．從文件讀取信號模塊(FromFile)功能：從一個MAT文件中讀取信號，讀取的信號為一個矩陣，其矩陣的格式與ToFile模塊中介紹的矩陣格式相同。如果矩陣在同一采樣時間有兩個或者更多的列，則數(shù)據(jù)點的輸出應(yīng)該是首次出現(xiàn)的列。4．從工作空間讀取信號模塊(FromWorkspace)功能：從MATLAB工作空間讀取信號作為當(dāng)前的輸入信號。5．隨機數(shù)模塊(RandomNumber)功能：產(chǎn)生正態(tài)分布的隨機數(shù)，默認(rèn)的隨機數(shù)是期望為0，方差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布量。6．帶寬限制白噪聲模塊(BandLimitedWhiteNoise)功能：實現(xiàn)對連續(xù)或者混雜系統(tǒng)的白噪聲輸入。7．其它模塊除以上介紹的常用模塊外，還包括其模塊。各模塊功能可通過以下方法查看：先進(jìn)入Simulink工作窗口，在菜單中執(zhí)行Help/SimulinkHelp命令，這時就會彈出Help界面。然后用鼠標(biāo)展開UsingSimulink\BlockReference\SimulinkBlockLibraries就可以看到Simulink的所有模塊。查看相應(yīng)的模塊的使用方法和說明信息即可。

22精選課件ppt23精選課件ppt7.4仿真模型的建立與模塊參數(shù)與屬性的設(shè)置1.仿真模塊的建立首先啟動Simulink命令，建立一個空的模塊窗口“untitled”

，然后利用Simulink提供的模塊庫，在此窗口中創(chuàng)建自己需要的Simulink模型。具體方法：在模塊庫瀏覽器中找到所需模塊，選中該模塊后右擊鼠標(biāo)，把它加入到一個模型窗口中即可完成模塊的建立。

圖7.14添加模塊

24精選課件ppt2.模塊參數(shù)與屬性的設(shè)置

方法：在所建立的模型窗口中，選中相應(yīng)的模塊，單擊右擊鼠標(biāo)，在彈出的快捷菜單中單擊“Blockparameters”選項(如圖7.15所示)，即可打開該模塊的參數(shù)設(shè)置對話框，如圖7.16(a)所示。右擊鼠標(biāo)，在彈出的快捷菜單中單擊“BlockProperties”選項，即可打開該模塊的屬性設(shè)置對話框，如圖7.16(b)所示。圖7.15Blockparamenters選項

25精選課件ppt3.模塊的連接

一般情況下，每個模塊都有一個或者多個輸入口或者輸出口。輸入口通常是模塊的左邊的“>”符號；輸出口是右邊的“>”符號。

模塊的連接方法：把鼠標(biāo)指針放到模塊的輸出口，這時，鼠標(biāo)指針將變?yōu)椤?”十字形；然后，拖運鼠標(biāo)至其它模塊的輸入口，這時信號線就變成了帶有方向箭頭的線段。此時，說明這兩個模塊的連接成功，否則需要重新進(jìn)行連接。4.運行仿真在運行仿真之前，首先保存已設(shè)置和連接的模型，然后就可以運行仿真。26精選課件ppt1.Simulink仿真注意(1)Simulink的數(shù)據(jù)類型由于Simulink在仿真過程中，始終都要檢查模型的類型安全性。模型的類型安全性是指從該模型產(chǎn)生的代碼不出現(xiàn)上溢或者下溢現(xiàn)象，當(dāng)產(chǎn)生溢出現(xiàn)象時，系統(tǒng)將出錯誤。查看模塊的數(shù)據(jù)類型的方法是：在模型窗口的菜單中執(zhí)行Format/PortDataTypes命令，這樣每個模塊支持的數(shù)據(jù)類型就顯示出來了。要取消數(shù)據(jù)類型的查看方式，單擊PortDataTypes去掉其前面的勾號即可。7.4.3Simulink仿真注意與技巧圖7.23查看模塊支持的數(shù)據(jù)類型27精選課件ppt(2)數(shù)據(jù)的傳輸在仿真過程中，Simulink首先查看有沒有特別設(shè)置的信號的數(shù)據(jù)類型，以及檢驗信號的輸入和輸出端口的數(shù)據(jù)類型是否產(chǎn)生沖突。如果有沖突，Simulink將停止仿真，并給出一個出錯提示對話框，在此對話框中將顯示出錯的信號以及端口，并把信號的路徑以高亮顯示。遇到該情形，必須改變數(shù)據(jù)類型以適應(yīng)模塊的需要。(3)提高仿真速度

Simulink仿真過程，仿真的性能受諸多因素的影響，包括模型的設(shè)計和仿真參數(shù)的選擇等。對于大多數(shù)問題，使用Simulink系統(tǒng)默認(rèn)的解法和仿真參數(shù)值就能夠比較好地解決。因素及解決方法：(1)仿真的時間步長太小。針對這種情況可以把最大仿真步長參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值auto。(2)仿真的時間過長?？勺们闇p小仿真的時間。(3)選擇了錯誤的解法。針對這種情況可以通過改變解法器來解決。(4)仿真的精度要求過高。仿真時，如果絕對誤差限度太小，則會使仿真在接近零的狀態(tài)附近耗費過多時間。通常，相對誤差限為0.1%就已經(jīng)足夠了。(5)模型包含一個外部存儲塊。盡量使用內(nèi)置存儲模塊。28精選課件ppt(4)改善仿真精度檢驗仿真精度的方法是：通過修改仿真的相對誤差限和絕對誤差限，并在一個合適的時間跨度反復(fù)運行仿真，對比仿真結(jié)果有無大的變化，如果變化不大，表示解是收斂的。說明仿真的精度是有效的，結(jié)果是穩(wěn)定的。如果仿真結(jié)果不穩(wěn)定，其