simulink動態(tài)系統(tǒng)建模仿真 第9章.ppt

1、,第9章 使用子系統(tǒng),9.1 創(chuàng)建子系統(tǒng) 9.2 創(chuàng)建條件執(zhí)行子系統(tǒng) 9.3 控制流語句,9.1 創(chuàng)建子系統(tǒng)當(dāng)用戶模型的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜時，可以通過把多個模塊組合在子系統(tǒng)內(nèi)的方式來簡化模型的外觀。利用子系統(tǒng)創(chuàng)建模型有如下優(yōu)點：減少了模型窗口中顯示的模塊數(shù)目，從而使模型外觀結(jié)構(gòu)更清晰，增強了模型的可讀性；在簡化模型外觀結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上，保持了各模塊之間的函數(shù)關(guān)系；可以建立層級方塊圖，Subsystem模塊是一個層級，組成子系統(tǒng)的其他模塊在另一層上。,9.1.1 Simulink子系統(tǒng)定義1虛擬子系統(tǒng)虛擬子系統(tǒng)在模型中提供了圖形化的層級顯示。它簡化了模型的外觀，但并不影響模型的執(zhí)行，在模型執(zhí)行期間，Si

2、mulink會平鋪所有的虛擬子系統(tǒng)，也就是在執(zhí)行之前就擴展子系統(tǒng)。這種擴展類似于編程語言，如C或C+中的宏操作。,2非虛擬子系統(tǒng)(1) 原子子系統(tǒng)(Atomic Subsystem)。原子子系統(tǒng)與虛擬子系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，原子子系統(tǒng)內(nèi)的模塊作為一個單個單元執(zhí)行，Simulink中的任何模塊都可以放在原子子系統(tǒng)內(nèi)，包括以不同速率執(zhí)行的模塊。用戶可以在虛擬子系統(tǒng)內(nèi)通過選擇Treat as atomic unit選項來創(chuàng)建原子子系統(tǒng)。,(2) 使能子系統(tǒng)(Enabled Subsystem)。使能子系統(tǒng)的動作類似原子子系統(tǒng)，不同的是它只有在驅(qū)動子系統(tǒng)使能端口的輸入信號大于零時才會執(zhí)行。用戶可以通過在

3、子系統(tǒng)內(nèi)放置Enable模塊的方式來創(chuàng)建使能子系統(tǒng)，并通過設(shè)置使能子系統(tǒng)內(nèi)Enable端口模塊中的States when enabling參數(shù)來配置子系統(tǒng)內(nèi)的模塊狀態(tài)。此外，利用Outport輸出模塊的Output when disabled參數(shù)可以把使能子系統(tǒng)內(nèi)的每個輸出端口配置為保持輸出或重置輸出。,(3) 觸發(fā)子系統(tǒng)(Triggered Subsystem)。觸發(fā)子系統(tǒng)只有在驅(qū)動子系統(tǒng)觸發(fā)端口的信號的上升沿或下降沿到來時才會執(zhí)行，觸發(fā)信號沿的方向由Trigger端口模塊中的Trigger type參數(shù)決定。Simulink限制放置在觸發(fā)子系統(tǒng)內(nèi)的模塊類型，這些模塊不能明確指定采樣時間，也

4、就是說，子系統(tǒng)內(nèi)的模塊必須具有-1值的采樣時間，即繼承采樣時間，因為觸發(fā)子系統(tǒng)的執(zhí)行具有非周期性，即子系統(tǒng)內(nèi)模塊的執(zhí)行是不規(guī)則的。用戶可以通過在子系統(tǒng)內(nèi)放置Trigger模塊的方式來創(chuàng)建觸發(fā)子系統(tǒng)。,(4) 函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)(Function-Call Subsystem)。函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)類似于用文本語言(如M語言)編寫的S-函數(shù)，只不過它是通過Simulink模塊實現(xiàn)的。用戶可以利用Stateflow圖、函數(shù)調(diào)用生成器或S-函數(shù)執(zhí)行函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)。Simulink限制放置在函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)內(nèi)的模塊類型，這些模塊不能明確指定采樣時間，也就是說，子系統(tǒng)內(nèi)的模塊必須具有-1值的采樣時間，即繼承采樣時間

5、，因為函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)的執(zhí)行具有非周期性。用戶可以通過把Trigger端口模塊放置在子系統(tǒng)內(nèi)，并將Trigger type參數(shù)設(shè)置為function-call的方式來創(chuàng)建函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)。,(5) 觸發(fā)使能子系統(tǒng)(Enabled and Triggered Subsystem)。觸發(fā)使能子系統(tǒng)在系統(tǒng)被使能且驅(qū)動子系統(tǒng)觸發(fā)端口的信號的上升沿或下降沿到來時才執(zhí)行，觸發(fā)邊沿的方向由Trigger端口模塊中的Trigger type參數(shù)決定。Simulink限制放置在觸發(fā)使能子系統(tǒng)內(nèi)的模塊類型，這些模塊不能明確指定采樣時間，也就是說，子系統(tǒng)內(nèi)的模塊必須具有-1值的采樣時間，即繼承采樣時間，因為觸發(fā)使能子系

6、統(tǒng)的執(zhí)行具有非周期性。用戶可以通過把Trigger端口模塊和Enable模塊放置在子系統(tǒng)內(nèi)的方式來創(chuàng)建觸發(fā)使能子系統(tǒng)。,(6) Action子系統(tǒng)。Action子系統(tǒng)具有使能子系統(tǒng)和函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)的交叉特性，其只能限制一個采樣時間，即連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或繼承采樣時間。Action子系統(tǒng)必須由If模塊或Switch Case模塊執(zhí)行，與這些子系統(tǒng)模塊連接的所有Action子系統(tǒng)必須具有相同的采樣時間。用戶可以通過在子系統(tǒng)內(nèi)放置Action端口模塊的方式來創(chuàng)建Action子系統(tǒng)，子系統(tǒng)圖標會自動反映執(zhí)行Action子系統(tǒng)的模塊類型，也就是If模塊或Switch Case模塊。,Action

7、子系統(tǒng)至多執(zhí)行一次，利用Output端口模塊的Output when disabled參數(shù)，Action子系統(tǒng)也可以控制是否保持輸出值，這是與使能子系統(tǒng)類似的地方。Action子系統(tǒng)與函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)類似，因為函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)在任何給定的時間步內(nèi)可以執(zhí)行多于一次，而Action子系統(tǒng)至多執(zhí)行一次。這種限制就表示Action子系統(tǒng)內(nèi)可以放置非周期性的模塊，而且也可以控制狀態(tài)和輸出的行為。,(7) While-子系統(tǒng)。While-子系統(tǒng)在每個時間步內(nèi)可以循環(huán)多次，循環(huán)的次數(shù)由While Iterator模塊中的條件參數(shù)控制。用戶可以通過在子系統(tǒng)內(nèi)放置While Iterator模塊的方式來創(chuàng)建Whil

8、e-子系統(tǒng)。While-子系統(tǒng)與函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)相同的地方在于它在給定的時間步內(nèi)可以循環(huán)多次，不同的是它沒有獨立的循環(huán)指示器(如Stateflow圖)，而且，通過選擇While Iterator模塊中的參數(shù)，While-子系統(tǒng)還可以存取循環(huán)次數(shù)，通過設(shè)置States when starting參數(shù)還可以控制當(dāng)子系統(tǒng)開始執(zhí)行時狀態(tài)是否重置。,(8) For-子系統(tǒng)。For-子系統(tǒng)在每個模型時間步內(nèi)可執(zhí)行固定的循環(huán)次數(shù)，循環(huán)次數(shù)可以由外部輸入給定，或者由For Iterator模塊內(nèi)部指定。用戶可以通過在子系統(tǒng)內(nèi)放置For Iterator模塊的方式來創(chuàng)建For-子系統(tǒng)。For-子系統(tǒng)也可以通過選擇

9、For Iterator模塊內(nèi)的參數(shù)來存取當(dāng)前循環(huán)的次數(shù)。For-子系統(tǒng)在給定時間步內(nèi)限制循環(huán)次數(shù)上與While-子系統(tǒng)類似。,9.1.2 創(chuàng)建子系統(tǒng)在Simulink中創(chuàng)建子系統(tǒng)的方法有兩種：把Ports /* 設(shè)置第一個輸出分量 */ssSetCallSystemOutput (S, 1);/* 設(shè)置第二個輸出分量 */,在mdlInitializeSampleTimes函數(shù)中指定S-函數(shù)是否能夠使能或關(guān)閉函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)。只有明確地指出使能和關(guān)閉函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)的S-函數(shù)，才能重置系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出，就如同函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)中的Trigger模塊和Outport模塊所定義的那樣。例如：ssSetE

10、xplicitFCSSCtrl (S, 1);這條語句表示在mdlInitializeSampleTimes函數(shù)中指定S-函數(shù)能夠使能和關(guān)閉函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)，這樣，S-函數(shù)在使用ssCallSystemWithTid函數(shù)執(zhí)行子系統(tǒng)前必須調(diào)用ssEnableSystemWithTid。,在mdlOutputs或mdlUpdate的S-函數(shù)程序中執(zhí)行子系統(tǒng)。例如：static void mdlOutputs ()if (int)*uPtrs0) % 2 = 1) if (!ssCallSystemWithTid (S, 0, tid) /* Error occurred, which will be

11、 reported by Simulink*/return; else if (!ssCallSystemWithTid (S, 1, tid) /* Error occurred, which will be reported by Simulink*/return;,需要注意的是，在發(fā)出函數(shù)調(diào)用信號的S-函數(shù)輸出中不要用ssSetOutputPortDataType或ssGetOutputPortDataType函數(shù)，Simulink會控制這些輸出信號的數(shù)據(jù)類型。,9.3 控制流語句控制流模塊用來在Simulink中執(zhí)行類似C語言的控制流語句?？刂屏髡Z句包括：for；if-else；swi

12、tch；while (包括while和do-while控制流)。雖然以前所有的控制流語句都可以在Stateflow中實現(xiàn)，但Simulink中控制流模塊的作用實際是想為Simulink用戶提供一個滿足簡單邏輯要求的工具。用戶可以用子系統(tǒng)和表9-1中Ports break; case u1=2 or u1=3: Action Subsystem2; break; default: Action Subsystem2;,構(gòu)造Simulink中Switch控制流語句的步驟如下：(1) 在當(dāng)前系統(tǒng)中放置Switch Case模塊，并為Switch Case模塊的變量輸入端口提供輸入數(shù)據(jù)。標簽為u1的輸

13、入端口的輸入數(shù)據(jù)是switch控制流語句的變量，這個值決定了執(zhí)行的case條件，這個端口的非整數(shù)輸入均被四舍五入。(2) 打開Switch Case模塊的參數(shù)對話框，如圖9-44所示，在對話框內(nèi)設(shè)置模塊的參數(shù)。,圖9-44, Case conditions：在該參數(shù)文本框內(nèi)輸入case值，每個case值可以是一個整數(shù)或一個整數(shù)組，用戶也可以添加一個可選的缺省case值。例如，輸入1，7，9，4，表示當(dāng)輸入值是1時，執(zhí)行輸出端口case1；當(dāng)輸入值是7、9或4時，執(zhí)行輸出端口case7 9 4。用戶也可以用冒號指定case條件的執(zhí)行范圍，例如，輸入1：5，表示當(dāng)輸入值是1、2、3、4或5時，執(zhí)行

14、輸出端口case1 2 3 4 5。 Show default case：選擇該復(fù)選框后，將在Switch Case模塊上顯示缺省的case輸出端口。如果所有的case條件均為否，則執(zhí)行缺省的case條件。, Enable zero crossing detection：選擇該復(fù)選框后，表示啟用過零檢測。 Sample time(-1 for inherited)：指定模塊的采樣時間，若設(shè)置為-1，則表示使用繼承采樣時間。(3) 向系統(tǒng)中添加Switch Case Action Subsystem子系統(tǒng)模塊。Switch Case模塊的每個case端口與子系統(tǒng)連接，這些子系統(tǒng)內(nèi)包含Action

15、 Port模塊，當(dāng)在子系統(tǒng)內(nèi)放置Action Port模塊時，這些子系統(tǒng)就成為原子子系統(tǒng)，并帶有標簽為Action的輸入端口。,(4) 把Switch Case模塊中的每個case輸出端口和缺省輸出端口與Switch Case Action Subsystem子系統(tǒng)模塊中的Action端口相連，被連接的子系統(tǒng)就成為一個獨立的case語句體。這些子系統(tǒng)的Action端口被重新命名為case，在仿真Switch控制流語句時，從Switch Case模塊到Switch Case Action Subsystem子系統(tǒng)模塊的Action信號線會由實線變?yōu)樘摼€。(5) 在每個Switch Case Ac

16、tion Subsystem子系統(tǒng)中添加執(zhí)行相應(yīng)case條件的Simulink模塊。在Switch Case Action Subsystem子系統(tǒng)中的所有模塊必須與其驅(qū)動模塊Switch Case模塊運行在相同的速率上，做到了這一點，可以把每個模塊的采樣時間設(shè)置為-1(繼承采樣時間)，或者都設(shè)置為Switch Case模塊的采樣時間。,例9-6 Switch控制流系統(tǒng)。要求：利用Switch Case Action Subsystem子系統(tǒng)模塊建立一個執(zhí)行如下算法的Switch控制流系統(tǒng)：,求解： 按照系統(tǒng)要求，輸入的控制信號可以選擇為梯形波，這里可以利用Signal Builder模塊創(chuàng)建

17、波形。,根據(jù)系統(tǒng)要求選擇的Simulink模塊如下：Sources模塊庫中的Signal Builder模塊和Sine Wave模塊；Ports iteration_number = 0;cond = (max_sum 0);while (cond != 0) iteration_number = iteration_number + 1; sum = sum + iteration_number; if (sum max_sum OR iteration_number max_iterations) cond = 0;,例9-7 利用Newton法求取非線性方程。 要求：利用Newton迭代

18、法求取非線性方程的根，直到滿足|f(x)|10-8為止。求解：牛頓迭代公式為,因此，如果給出x1和f(x)，先找到f(x1)，再通過f(x1)作切線，則可求出x2，即,圖9-50,在仿真參數(shù)對話框內(nèi)選擇變步長ode1(Euler)求解器，將Fixed step size參數(shù)設(shè)置為1，運行仿真，最后在Display模塊中顯示的結(jié)果值為-7.4e-014。這個模型相當(dāng)于執(zhí)行下列語句：,9.3.4 For控制流語句Ports iterations = 20;sum_increment = 10;for (i = 0; i iterations; i+) sum = sum + sum_increme

19、nt;,例9-8 利用For子系統(tǒng)或While子系統(tǒng)求取1N的累加和。要求：利用For子系統(tǒng)循環(huán)累加求取1N的累加和，即Sum = 1+2+3+N。求解：根據(jù)系統(tǒng)要求選擇的Simulink模塊如下：Sources模塊庫中的Constant模塊；Ports & Subsystems模塊庫中的For Iterator Subsytem模塊；Discrete模塊庫中的Unit Delay模塊；Sinks模塊庫中的Display模塊。,從數(shù)學(xué)的角度來看，這個公式很容易求得，即Sum = (N*(N+1)/2。利用For子系統(tǒng)建立的Simulink模型如圖9-55所示。模型中添加了一個Fcn模塊，該模塊

20、的表達式參數(shù)Expression為(u*(u+1)/2，這個模塊在模型中不起什么作用，只是用來驗證For子系統(tǒng)的循環(huán)結(jié)果。模型還有一個Data Type Conversion模塊，如果選擇模型窗口中Format菜單下的Port data types命令就會發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)or Iterator模塊輸出的是int32型數(shù)據(jù)，而其驅(qū)動模塊的輸入數(shù)據(jù)類型卻是double型，因此添加了Data Type Conversion模塊進行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。,設(shè)置For Iterator模塊參數(shù)對話框中的State when starting參數(shù)為reset，Iteration limit source參數(shù)為extern

21、al，給定常值N為10，這是一個時間步內(nèi)循環(huán)變量的最大限制值。設(shè)置Unit Delay模塊中的Initial conditions為0，模塊當(dāng)前時間步的輸出是前一個時間步的輸入值。,圖9-55,在仿真參數(shù)對話框內(nèi)選擇定步長離散求解器，設(shè)置仿真時間為10個時間單位，定步長參數(shù)Fixed step size為1，這樣，仿真步數(shù)為11。運行仿真，從結(jié)果可以看到，Display模塊中顯示的是55，這與(N*(N+1)/2公式求得的結(jié)果相同。但是，如果把State when starting參數(shù)設(shè)置為held，那么在一個時間步內(nèi)循環(huán)10次，循環(huán)的累加結(jié)果為55，這個結(jié)果值不再改變，而是一直保持到下一個時

22、間步開始，這樣經(jīng)過11步仿真后最后的輸出結(jié)果就會是605。如果利用While控制流子系統(tǒng)執(zhí)行該任務(wù)，則建立的系統(tǒng)模型如圖9-56所示，模型的運行結(jié)果與圖9-55中的模型相同。,圖9-56,用戶也可以把For Iterator模塊和Assignment模塊結(jié)合在一起使用，這樣可以在向量或矩陣內(nèi)重新賦值，從而更佳地執(zhí)行程序。圖9-57就是For Iterator模塊和Assignment模塊結(jié)合在一起使用的例子。,圖9-57,這個模型用包含Assignment模塊的For Iterator Subsystem子系統(tǒng)輸出sin值，輸入是25矩陣。模型的執(zhí)行過程如下：(1) 將一個25矩陣輸入到Sel

23、ector模塊和Assignment模塊。(2) Selector模塊用For Iterator模塊的當(dāng)前循環(huán)值指定的列位置把輸入矩陣變?yōu)?1矩陣。(3) 求取21矩陣的正弦值。(4) 將21矩陣的正弦值傳遞到Assignment模塊。(5) Assignment模塊用原25矩陣作為該模塊的一個輸入，并把21矩陣按循環(huán)值指定的列位置賦值回原矩陣。,在這個模型中，Assignment模塊參數(shù)對話框中指定的重新分配的行是1，2，因為原矩陣只有兩行，也可以指定-1值，也就是重新分配所有行。注意：sin模塊本身就可以求取矩陣的正弦值，這里使用sin模塊只是在Assignment模塊和For Itera

24、tor模塊結(jié)合使用中作為改變矩陣中每個分量的一個例子。,9.3.5 Stateflow圖和控制流語句的比較如果Simulink模型中包含Stateflow圖，那么在仿真運行時，Stateflow圖與模塊一樣被執(zhí)行。模型中的Stateflow模塊通過輸入和輸出信號與其他模塊相連，利用這種連接方式，Stateflow和Simulink共享數(shù)據(jù)，并對模型和Stateflow圖之間傳遞的事件進行響應(yīng)。Stateflow已經(jīng)具有Simulink控制流語句的邏輯功能，它可以依條件調(diào)用Function-Call子系統(tǒng)或循環(huán)調(diào)用Function-Call子系統(tǒng)。但是，由于Stateflow提供了大量繁雜的邏輯功能，如果用戶的要求很簡單，可能會發(fā)現(xiàn)只使用Simulink控制流模塊的功能就可以充分滿足用戶要求。此外，控制流語句也有如下一些優(yōu)勢：,1采樣時間Stateflow可以調(diào)用的Function-Call子系統(tǒng)是觸發(fā)子系統(tǒng)，觸發(fā)子系統(tǒng)從調(diào)用模塊中繼承采樣時間。但是，在if-else和switch控制流語句中使用的Action子系統(tǒng)，以及構(gòu)成While和For控制流語句的While和For子系統(tǒng)卻都是使能子系統(tǒng)，使能子系統(tǒng)不依賴于調(diào)用模塊，而是有它們自己的采樣時間。這樣，它就允許用戶在循環(huán)子系統(tǒng)內(nèi)使用比Functi