Matlab學習與實驗教程-第11章 Simulink動態(tài)仿真集成環(huán)境

第11章Simulink動態(tài)仿真集成環(huán)境Simulink操作基礎(chǔ)

MATLAB系統(tǒng)仿真模型

MATLAB系統(tǒng)的仿真與分析

MATLAB子系統(tǒng)及其封裝技術(shù)

S函數(shù)的設(shè)計與應用11.1.1Simulink的啟動與退出1．Simulink的啟動在安裝MATLAB的過程中，若選中了Simulink組件，則在MATLAB安裝完成后，Simulink也就安裝好了。如果需要，可以直接啟動Simulink，步驟如下：（1）在MATLAB的命令行窗口輸入simulink命令，或選擇MATLAB主窗口“主頁”選項卡，單擊“SIMULINK”命令組中的“Simulink”命令按鈕，或選擇MATLAB主窗口“主頁”選項卡，單擊“文件”命令組中的“新建”命令按鈕，再從下拉菜單中選擇“SimulinkModel”命令，這時進入Simulink起始頁。11.1Simulink操作基礎(chǔ)（2）在Simulink起始頁單擊“BlankModel”按鈕，打開一個名為untitled的模型編輯窗口，如圖11-1所示。利用模型編輯窗口，可以通過鼠標的拖放操作創(chuàng)建一個仿真模型。

2．模型文件的打開如果要對一個已經(jīng)存在的模型文件進行編輯修改，需要打開該模型文件，其方法有：（1）在MATLAB命令行窗口直接輸入模型文件名（不要加擴展名），這要求該模型文件在當前文件夾下或在已定義的搜索路徑中。（2）在Simulink起始頁單擊“Openfile”按鈕，然后選擇或輸入欲編輯模型的名字?；蛑苯舆x擇最近打開過的模型文件打開模型。（3）在Simulink模型編輯窗口選擇File→Open命令，或按Ctrl+O組合鍵，或單擊工具欄中的Open命令按鈕，然后選擇或輸入欲編輯模型的名字。也可以選擇File→OpenRecent命令打開最近打開過的模型文件。（4）在SimulinkLibraryBrowser窗口中，單擊其工具欄中的Open命令按鈕，也能打開已經(jīng)存在的模型文件。3．Simulink的退出為了退出Simulink，只要關(guān)閉所有模型編輯窗口和Simulink模塊庫瀏覽器窗口即可。11.1.2Simulink仿真初步1．模型元素典型的Simulink模型包括以下3種元素。（1）信號源（source）。信號源可以是Constant（常量）、Clock（時鐘）、SineWave（正弦波）、Step（單位階躍函數(shù)）等。（2）系統(tǒng)模塊。例如，MathOperations模塊（數(shù)學運算）、Continuous模塊（連續(xù)系統(tǒng)）、Discrete模塊（離散系統(tǒng)）等。（3）信宿（sink）。信號可以在Scope（示波器）、XYGraph（圖形記錄儀）上顯示，也可以存儲到文件（ToFile）、導出到工作空間（ToWorkspace）。2．仿真步驟利用Simulink進行系統(tǒng)仿真通常包括以下步驟。（1）建立系統(tǒng)仿真模型，包括添加模塊、設(shè)置模塊參數(shù)、進行模塊連接等操作。（2）設(shè)置仿真參數(shù)。（3）啟動仿真并分析仿真結(jié)果。3．簡單實例下面通過一個簡單實例，說明利用Simulink建立仿真模型并進行系統(tǒng)仿真的方法。例11-1利用Simulink仿真曲線（0≤t≤20）。11.2系統(tǒng)仿真模型的建立11.2.1Simulink的基本模塊Simulink的模塊庫提供了大量模塊。單擊模塊庫瀏覽器中Simulink前面的號，將看到Simulink模塊庫中包含的子模塊庫，單擊所需要的子模塊庫，在右邊的窗口中將看到相應的基本模塊，選擇所需基本模塊，可用鼠標將其拖到模型編輯窗口。同樣，在模塊庫瀏覽器左側(cè)的Simulink欄上單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中單擊Openthe‘Simulink’Libray命令，將打開Simulink基本模塊庫窗口。單擊其中的子模塊庫圖標，打開子模塊庫，找到仿真所需要的基本模塊。11.2.2模塊的編輯1．添加與刪除模塊2．選取模塊3．復制模塊4．模塊外形的調(diào)整5．模塊名的處理11.2.3模塊的連接1．連接兩個模塊2．模塊間連線的調(diào)整3．連線的分支4．標注連線11.2.4模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置1．模塊的參數(shù)設(shè)置Simulink中幾乎所有模塊的參數(shù)都允許用戶進行設(shè)置，只要雙擊要設(shè)置的模塊或在模塊上按鼠標右鍵并在彈出的快捷菜單中選擇相應模塊的參數(shù)設(shè)置命令就會彈出模塊參數(shù)對話框。該對話框分為兩部分，上面一部分是模塊功能說明，下面一部分用來進行模塊參數(shù)設(shè)置。同樣，先選擇要設(shè)置的模塊，再在模型編輯窗口Edit菜單下選擇相應模塊的參數(shù)設(shè)置命令也可以打開模塊參數(shù)對話框。2．模塊的屬性設(shè)置選定要設(shè)置屬性的模塊，然后在模塊上按鼠標右鍵并在彈出的快捷菜單中選擇Blockproperties，或先選擇要設(shè)置的模塊，再在模型編輯窗口的Edit菜單下選擇Blockproperties命令，將打開模塊屬性對話框。該對話框包括General、Blockannotation和Callbacks3個可以相互切換的選項卡。其中選項卡中可以設(shè)置3個基本屬性：Description(說明)、Priority(優(yōu)先級)、Tag(標記)。11.3.1設(shè)置仿真參數(shù)在系統(tǒng)仿真過程中，事先必須對仿真算法、輸出模式等各種仿真參數(shù)進行設(shè)置。其方法是：打開系統(tǒng)仿真模型，從模型編輯窗口的Simulation菜單中選擇ConfigurationParameters命令，打開一個仿真參數(shù)對話框，在其中可以設(shè)置仿真參數(shù)。在此對話框中，仿真參數(shù)設(shè)置被分為9個選項。11.3系統(tǒng)的仿真與分析1．Solver選項設(shè)置在對話框左邊的樹型結(jié)構(gòu)中單擊Solver選項，在右邊的窗口中會列出所有Solver選項。（1）設(shè)置仿真起始和停止時間（Simulinktime）。（2）仿真算法的選擇（Solveroptions）。2．DataImport/Export選項設(shè)置在仿真參數(shù)對話框中選擇DataImport/Export選項，會出現(xiàn)一個對話框。相應的選項設(shè)置分為3組：Loadfromworkspace、Savetoworkspace和Saveoptions。（1）從工作空間中載入數(shù)據(jù)（Loadfromworkspace）。（2）保存到工作空間（Savetoworkspace）。

11.3.2啟動系統(tǒng)仿真與仿真結(jié)果分析1．運行仿真設(shè)置完仿真參數(shù)之后，單擊模型編輯窗口工具欄中的Run按鈕，或選擇Simulation→Run命令，便可啟動對當前模型的仿真。Simulink支持使用仿真步進器(SimulationStepper)進行調(diào)試，便于逐步查看示波器上的仿真數(shù)據(jù)，或檢查系統(tǒng)改變狀態(tài)的方式及時間。單擊模型編輯窗口工具欄中的StepForward按鈕，開始單步仿真。單擊模型編輯窗口工具欄中的Stop按鈕，終止單步仿真。運行仿真前，單擊模型編輯窗口工具欄中的SteppingOptions按鈕，在打開的對話框中選中Enablesteppingback復選框，在仿真時單擊模型編輯窗口工具欄中的StepBack按鈕，回溯仿真過程。2．仿真結(jié)果分析為了觀察仿真結(jié)果的變化軌跡可以采用3種方法：(1)把輸出結(jié)果送給Scope模塊或者XYGraph模塊。(2)把仿真結(jié)果送到輸出端口并作為返回變量，然后使用MATLAB命令畫出該變量的變化曲線。

(3)把輸出結(jié)果送到ToWorkspace模塊，從而將結(jié)果直接存入工作空間，然后用MATLAB命令畫出該變量的變化曲線。例11-2利用Simulink仿真曲線。仿真過程如下：(1)啟動Simulink并打開模型編輯窗口。(2)將所需模塊添加到模型中。(3)設(shè)置模塊參數(shù)并連接各個模塊組成仿真模型。設(shè)置模塊參數(shù)后，用連線將各個模塊連接起來組成仿真模型。(4)設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)。(5)開始系統(tǒng)仿真。(6)觀察仿真結(jié)果。例11-3利用Simulink仿真求定積分。仿真過程如下：(1)打開一個模型編輯窗口。(2)將所需模塊添加到模型中。(3)設(shè)置模塊參數(shù)并連接各個模塊組成仿真模型。(4)設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)。(5)開始系統(tǒng)仿真。(6)觀察仿真結(jié)果。11.3.3系統(tǒng)仿真實例至此，可以總結(jié)出利用Simulink進行系統(tǒng)仿真的步驟：(1)建立系統(tǒng)仿真模型，這包括添加模塊、設(shè)置模塊參數(shù)以及進行模塊連接等操作。(2)設(shè)置仿真參數(shù)。(3)啟動仿真并分析仿真結(jié)果。例11-4有初始狀態(tài)為0的二階微分方程x"+0.2x'+0.4x=0.2u(t),其中u(t)是單位階躍函數(shù)，試建立系統(tǒng)模型并仿真。方法1：用積分器直接構(gòu)造求解微分方程的模型。方法2：利用傳遞函數(shù)模塊建模。方法3：利用狀態(tài)方程模塊建模。11.4子系統(tǒng)及其封裝技術(shù)11.4.1子系統(tǒng)的創(chuàng)建建立子系統(tǒng)有兩種方法：通過Subsystem模塊建立子系統(tǒng)和通過已有的模塊建立子系統(tǒng)。兩者的區(qū)別是：前者先建立子系統(tǒng)，再為其添加功能模塊；后者先選擇模塊，再建立子系統(tǒng)。1．通過Subsystem模塊建立子系統(tǒng)操作步驟為：(1)先打開Simulink模塊庫瀏覽器，新建一個仿真模型。(2)打開Simulink模塊庫中的Ports&Subsystems模塊庫，將Subsystem模塊添加到模型編輯窗口中。(3)雙擊Subsystem模塊打開一個空白的Subsystem窗口，將要組合的模塊添加到該窗口中，另外還要根據(jù)需要添加輸入模塊和輸出模塊，表示子系統(tǒng)的輸入端口和輸出端口。這樣，一個子系統(tǒng)就建好了。2．通過已有的模塊建立子系統(tǒng)操作步驟為：(1)先選擇要建立子系統(tǒng)的模塊，不包括輸入端口和輸出端口。(2)選擇模型編輯窗口Edit菜單中的CreateSubsystem命令，這樣，子系統(tǒng)就建好了。在這種情況下，系統(tǒng)會自動把輸入模塊和輸出模塊添加到子系統(tǒng)中，并把原來的模塊變?yōu)樽酉到y(tǒng)的圖標。例11-5PID控制器是在自動控制中經(jīng)常使用的模塊，試建立PID控制器的模型并建立子系統(tǒng)。步驟如下：(1)先建立PID控制器的模型。(2)建立子系統(tǒng)。11.4.2子系統(tǒng)的條件執(zhí)行1．使能子系統(tǒng)建立使能子系統(tǒng)的方法是：打開Simulink模塊庫中的Ports&Subsystems模塊庫，將Enable模塊復制到子系統(tǒng)模型中，則系統(tǒng)的圖標發(fā)生了變化。例11-6利用使能子系統(tǒng)構(gòu)成一個正弦半波整流器。操作步驟如下：(1)打開Simulink模塊庫瀏覽器并新建一個仿真模型。(2)將SineWave、EnabledSubsystem、Scope3個模塊拖至新打開的模型編輯窗口，連接各模塊并存盤。其中使能信號端接SineWave模塊。為了便于比較，除顯示半波整流波形外，還顯示正弦波，故在示波器屬性窗口將Numberofaxes設(shè)置為2。使能子系統(tǒng)建立好后，可對Enable模塊進行參數(shù)設(shè)置。

(3)選擇Simulink菜單中的Start命令，就可看到半波整流波形和正弦波形。2．觸發(fā)子系統(tǒng)觸發(fā)子系統(tǒng)是指當觸發(fā)事件發(fā)生時開始執(zhí)行子系統(tǒng)。與使能子系統(tǒng)相類似，觸發(fā)子系統(tǒng)的建立要把Ports&Subsystems模塊庫中的Trigger模塊添加到子系統(tǒng)中或直接選擇TriggeredSubsystem模塊來建立觸發(fā)子系統(tǒng)。例11-7利用觸發(fā)子系統(tǒng)將一鋸齒波轉(zhuǎn)換成方波。操作步驟如下：(1)用SignalGenerator、TriggeredSubsystem和Scope模塊構(gòu)成子系統(tǒng)。(2)選擇Simulink菜單中的Start命令，就可看到波形。3．使能加觸發(fā)子系統(tǒng)所謂使能加觸發(fā)子系統(tǒng)就是把Enable和Tirgger模塊都加到子系統(tǒng)中，使能控制信號和觸發(fā)控制信號共同作用子系統(tǒng)的執(zhí)行，也就是前兩種子系統(tǒng)的綜合。該系統(tǒng)的行為方式與觸發(fā)子系統(tǒng)相似，但只有當使能信號為正時，觸發(fā)事件才起作用。

11.4.3子系統(tǒng)的封裝所謂子系統(tǒng)的封裝(Masking)，就是為子系統(tǒng)定制對話框和圖標，使子系統(tǒng)本身有一個獨立的操作界面，把子系統(tǒng)中的各模塊的參數(shù)對話框合成一個參數(shù)設(shè)置對話框，在使用時不必打開每個模塊進行參數(shù)設(shè)置，這樣使子系統(tǒng)的使用更加方便。

子系統(tǒng)的封裝過程很簡單，先選中所要封裝的子系統(tǒng)，再選擇模型編輯窗口Edit菜單中的Masksubsystem命令，這時將出現(xiàn)封裝編輯器(MaskEditor)對話框。MaskEditor對話框中共包括