华东交通大学 教材 MATLAB Simulink与控制系统仿真 王正林(第3版) 电子工业出版社matlab第3章 matlab第3章

1、1Simulink 两个功能：两个功能：Simu（仿真）和（仿真）和 Link（连接）（连接）Link 系统连接，即把一系列模型连接起来，构成系统模型。系统连接，即把一系列模型连接起来，构成系统模型。利用鼠标在模型窗口上绘制控制系统模型，然后对系统进行仿真和利用鼠标在模型窗口上绘制控制系统模型，然后对系统进行仿真和分析。分析。本章要求本章要求了解了解 Simulink 基本模块和功能，熟练基本模块和功能，熟练 Simulink 的基本操的基本操作作。2Simulink是是MATLAB软件的扩展，是实现动态系统软件的扩展，是实现动态系统建模和仿真建模和仿真的软件包的软件包。模型化图形输入模型化图

2、形输入：Simulink 提供基本提供基本功能功能模块，通过对基本模块，通过对基本功功能能模块的调用，再将它们连接起来构成系统模型（以模块的调用，再将它们连接起来构成系统模型（以 .mdl 文文件存取），进行仿真与分析。件存取），进行仿真与分析。用户只需要知道用户只需要知道基本功能基本功能模块的模块的输入、输出输入、输出及及功能功能，而不必，而不必知知道道模块内部是如何实现的。模块内部是如何实现的。3Simulink启动启动（两种方法）（两种方法）：1. 启动启动MATLAB后，单击主窗口的快捷按钮后，单击主窗口的快捷按钮2. 在在MATLAB命令窗口中输入命令窗口中输入“Simulink”

3、在桌面上出现在桌面上出现 Simulink Library Browser 窗口窗口4Simulink Library Browser窗口窗口下下选择选择 file new model 出现出现Simulink仿真编辑仿真编辑窗口窗口Simulink的退出的退出：关闭所有模型窗口和关闭所有模型窗口和 Simulink Library Browser 窗口窗口51、Simulink模型模型的基本结构的基本结构-由三种类型的模块构成由三种类型的模块构成信号源模块信号源模块：是是系统的输入系统的输入包括常数信号源、函数信号发生器包括常数信号源、函数信号发生器(如正弦波如正弦波、阶跃函数等阶跃函数等)

4、。被模拟的系统模块：被模拟的系统模块：是是仿真的中心模块，是仿真建模要解决的主要部分。仿真的中心模块，是仿真建模要解决的主要部分。输出显示模块输出显示模块:由显示模块接受由显示模块接受包括图形显示、示波器显示、输出到文件或包括图形显示、示波器显示、输出到文件或MATLAB工作空间工作空间62、Simulink建建模模仿真的步骤仿真的步骤（1）启动）启动Simulink，打开模块库；，打开模块库；（2）打开空白）打开空白模型模型窗口；窗口；（3）建立）建立simulink仿真模型；仿真模型；用鼠标左键选中模块，拖到模型窗口，松开鼠标。再用鼠标在用鼠标左键选中模块，拖到模型窗口，松开鼠标。再用鼠标

5、在功能模块间连线。功能模块间连线。（4）设置仿真参数，进行仿真；）设置仿真参数，进行仿真；双击需要设置参数的模块，打开参数设置对话框设置参数。双击需要设置参数的模块，打开参数设置对话框设置参数。（5）输出仿真结果。）输出仿真结果。73. 模块文件的保存模块文件的保存新创建的模型窗口保存为新创建的模型窗口保存为 simulink 模块文件模块文件 .mdl 。具体方法是：具体方法是：选择模型窗口菜单选择模型窗口菜单【file：save as】后，弹出一后，弹出一个个 “save as” 对话框，添入对话框，添入模型文件名模型文件名，按，按 “保存保存” 键即可。键即可。84. 系统仿真运行系统仿

6、真运行打开打开 simulink 仿真模型窗口，或打开指定的仿真模型窗口，或打开指定的 .mdl 文件，文件，在模型窗口选择菜单在模型窗口选择菜单【simulation：start】，仿真开始。，仿真开始。95. 系统结果的输出系统结果的输出利用利用scope模块模块在模型窗口内实时显示信号的动态过程；在模型窗口内实时显示信号的动态过程；利用利用out模块模块将仿真数据保存在将仿真数据保存在MATLAB工作空间中，供调用和分析。工作空间中，供调用和分析。10【例例3.1】利用利用Simulink设计一个模型，设计一个模型，将正弦信号输出到示波器。将正弦信号输出到示波器。解解：步骤步骤1：新建一

7、个：新建一个模型模型窗口窗口 步骤步骤2：为模型添加模块：为模型添加模块从从源模块库（源模块库（sources）中复制正弦波模块中复制正弦波模块 ，输出显示模块库（输出显示模块库（sinks）中复制示波器模块中复制示波器模块 。步骤步骤3：连接模块，构成系统模型。：连接模块，构成系统模型。 用鼠标先选中正弦波模型，移动鼠标指向示波器模型。用鼠标先选中正弦波模型，移动鼠标指向示波器模型。步骤步骤4：进行系统仿真，单击模型窗口菜单中的：进行系统仿真，单击模型窗口菜单中的【simulationstart】, 仿真执行。仿真执行。 步骤步骤5：观察仿真结果：观察仿真结果-双击示波器模块，打开双击示波器

8、模块，打开scope窗口。窗口。11图图3.5 正弦信号输出到示波器中的模型正弦信号输出到示波器中的模型图图3.6 示波器中的仿真结果示波器中的仿真结果12Simulink 模块图形的保存模块图形的保存在模型窗口选择在模型窗口选择 edit copy model to clipboard（复制模型到（复制模型到剪贴板）剪贴板） 粘贴粘贴到到 word 等文件中。等文件中。对于已经建立的对于已经建立的 *.mdl 模型，选择模型，选择 fileprint 打印成打印成 pdf 格格式文件，再复制到式文件，再复制到word中。中。13scope波形显示模块波形显示模块实际上也是一种实际上也是一种f

9、igure窗口窗口，不过，不过matlab把把scope的菜单栏隐藏起来，只提供了几个有限的参数设置。的菜单栏隐藏起来，只提供了几个有限的参数设置。可以在打开可以在打开 mdl 文件后，在文件后，在 matlab 的命令行输入指令的命令行输入指令恢复显示恢复显示scope的的figure菜单栏：菜单栏： set(0,showhiddenhandles,on); set(gcf,menubar,figure);然后点击菜单栏的然后点击菜单栏的editcopy figure来保持波形图，来保持波形图，选择选择inset 来调整来调整scope的各种图形的各种图形属性属性，包括添加，包括添加xlab

10、el、ylabel、title、更改背景颜色等。、更改背景颜色等。14153.3 Simulink的的模块库模块库简介简介Simulink 模块库按功能分为模块库按功能分为 16 类子模块库类子模块库（附录（附录B）1. 常用模块常用模块 (Commonly used Blocks) ：提供常用元件。提供常用元件。元件可以从这里直接拖过去，而不需要再去里面一个一个找了。元件可以从这里直接拖过去，而不需要再去里面一个一个找了。1617181920Mux模块的基本思想是模块的基本思想是将多路信号集成一束，将多路信号集成一束，这一束信号在模型这一束信号在模型中传递和处理都看作一个整体中传递和处理都看

11、作一个整体。（。（mux实际上代表多路信号）实际上代表多路信号）与与mux模块配套的是模块配套的是Demux模块模块，它将各路信号相互分离以便能，它将各路信号相互分离以便能对各信号进行单独处理。对各信号进行单独处理。21Mux将三路信号将三路信号x，y，z 集结为宽为集结为宽为3的单路信号。的单路信号。Demux模块则从复合的单路信号分离出各基本元素。模块则从复合的单路信号分离出各基本元素。Mux和和Demux都不会将信号改变，它们只是都不会将信号改变，它们只是“虚拟虚拟”的。当模的。当模型运行时，这些模块就像不存在一样，只是源和目标的连接保型运行时，这些模块就像不存在一样，只是源和目标的连接

12、保持着，就像这样：持着，就像这样：223.4.1 模块参数设置模块参数设置1、功能模块参数设置、功能模块参数设置设置功能模块参数后，才能进行仿真操作。设置功能模块参数后，才能进行仿真操作。例如：例如：从从然后用鼠标双击然后用鼠标双击，自动弹出相应的参数设置对话框。，自动弹出相应的参数设置对话框。23图图3.1 Simulink模块库浏览界面模块库浏览界面24图图3.8 “功能模块参数设置功能模块参数设置”对话框对话框25功能对话框由功能对话框由功能模块说明框功能模块说明框和和参数设置框参数设置框组成。组成。功能模块说明框功能模块说明框：说明该功能模块使用方法和功能。：说明该功能模块使用方法和功

13、能。参数设置框参数设置框：设置该功能模块的参数。：设置该功能模块的参数。每个对话框下面有每个对话框下面有“ok”（确认）、（确认）、“cancel”（取消（取消 ）、）、“help”（帮助）（帮助）3个按钮。个按钮。262、示波器参数设置、示波器参数设置采用采用Simulink仿真时，示波器可以接收向量信号，实时显示信仿真时，示波器可以接收向量信号，实时显示信号波形，但该波形不能直接打印或嵌入文件。号波形，但该波形不能直接打印或嵌入文件。例如：例如：Simulink Library Browser窗口窗口将将scope用鼠标拖入模型窗口，在模型窗口双击用鼠标拖入模型窗口，在模型窗口双击scop

14、e自动弹出自动弹出示波器窗口示波器窗口“scope”。2728设置纵轴下、上限设置纵轴下、上限在示波器在示波器 “坐标框坐标框” 内，内，单击鼠标右键单击鼠标右键，弹出一个现场菜单，弹出一个现场菜单，选中菜单项选中菜单项【Axes properties】，出现纵坐标设置对话框。设，出现纵坐标设置对话框。设置所希望的纵轴下、上限。置所希望的纵轴下、上限。29303.4.2 模块的基本操作模块的基本操作在模型窗口中，选中模块，其在模型窗口中，选中模块，其4个角会出现个角会出现黑色标记黑色标记，此时可对，此时可对模块进行操作。模块进行操作。移动移动：选中模块，按住鼠标：选中模块，按住鼠标左键左键将其

15、拖曳到所需位置。将其拖曳到所需位置。复制复制：选中模块，按住鼠标：选中模块，按住鼠标右键右键进行拖曳即可。进行拖曳即可。删除删除：选中模块，按：选中模块，按delete键键转向转向：功能模块有时需要转向。功能模块有时需要转向。FormatFlip Block旋转旋转1800， FormatRotate Block顺时针旋转顺时针旋转900。改变大小改变大小：选中模块，对模块出现的：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳。个黑色标记进行拖曳。31模块命名模块命名：用鼠标在需要更改的名称上单击一下，直接更改。：用鼠标在需要更改的名称上单击一下，直接更改。FormatFlip Name 将将名称

16、在功能模块上的位置变换名称在功能模块上的位置变换180； Hide Name 隐藏模块名称；隐藏模块名称；Show name 显示模块名称。显示模块名称。颜色设定颜色设定：FormatForeground Color 改变模块的改变模块的线条线条颜色，颜色， Background color 改变模块的改变模块的填充填充颜色，颜色， Screen color 改变模型改变模型窗口窗口颜色。颜色。参数设定参数设定：用鼠标双击模块进入模块参数设置窗口。：用鼠标双击模块进入模块参数设置窗口。32Simulink模型的构建是模型的构建是通过线通过线将功能模型将功能模型连接连接而成的。而成的。用鼠标在功

17、能模块的用鼠标在功能模块的输入端输入端和和输出端输出端之间直接之间直接连线。连线。（1）设定标签：设定标签：在线上双击鼠标，即可输入说明标签。在线上双击鼠标，即可输入说明标签。或或选中线，选中线，EditSignal Properties 进行设定，进行设定，其中其中 Signal name 属性的作用是标明信号的名称属性的作用是标明信号的名称。33（2）线的折弯线的折弯：选中线，按住：选中线，按住 Shift 键键，再用鼠标选中，再用鼠标选中折点处折点处，移动鼠标移动鼠标就可以改变线的形状。就可以改变线的形状。（3）线的分支：线的分支：按住鼠标按住鼠标右键右键，在需要分支的地方，在需要分支的

18、地方拉出拉出即可即可。或按住或按住 Ctrl 键并在要建立分支的地方用鼠标拉出即可键并在要建立分支的地方用鼠标拉出即可。34编辑好仿真程序后，应设置仿真操作参数，以便进行仿真。编辑好仿真程序后，应设置仿真操作参数，以便进行仿真。单击菜单单击菜单simulationconfiguration parameters，弹出设置窗口。，弹出设置窗口。包括包括仿真器参数（仿真器参数（solver）设置）设置、工作空间数据导入工作空间数据导入/导出导出（Data Import/Export）设置）设置等。等。35图图3.11 Simulink设置窗口设置窗口363.5.1 仿真器参数设置仿真器参数设置一般

19、使用一般使用默认默认设置即可。设置即可。1、仿真时间设置、仿真时间设置仿真开始时间（仿真开始时间（start time）、仿真结束时间（）、仿真结束时间（stop time）一般仿真开始时间设为一般仿真开始时间设为0，结束时间视情况而定。，结束时间视情况而定。2、仿真步长模式设置（、仿真步长模式设置（type）Variable-step 变步长：提供误差控制和过零检测控制。变步长：提供误差控制和过零检测控制。Fixed-step 固定步长固定步长37在在 simulink 与与 MATLAB 工作空间交换数据时进行选项设置。工作空间交换数据时进行选项设置。（1）Load from worksp

20、ace：选中前面的复选框即可从：选中前面的复选框即可从MATLAB工工作空间获取时间和输入变量作空间获取时间和输入变量。一般时间变量定义为一般时间变量定义为t，输入变量定义为，输入变量定义为u。（2）Save to workspace：用来设置存在：用来设置存在MATLAB工作空间的变量工作空间的变量类型和变量名类型和变量名。可以选择保存的选项有：时间、端口输出、状态和最终状态。选中可以选择保存的选项有：时间、端口输出、状态和最终状态。选中选项前面的复选框并在选项后面的编辑框输入变量名，就会把相应选项前面的复选框并在选项后面的编辑框输入变量名，就会把相应数据保存到指定的变量中。数据保存到指定的

21、变量中。常用输出模块为常用输出模块为Out1模块模块和和Sinks中的中的To Workspace模块。模块。 38解：从数学角度看，由解：从数学角度看，由t求得求得u的数值解。的数值解。先对先对 sint 求余弦运算，然后再积分。求余弦运算，然后再积分。需要需要正弦信号正弦信号、余弦函数余弦函数、积分模型积分模型、观测结果的模块观测结果的模块。分别将分别将Simulink Library Browser中的相关模块依次拖到中的相关模块依次拖到untitled窗窗口中。口中。1)0(),cos(sindusimulinkutdt求解微分方程用【例例3.2】39解解：步骤步骤1：新建一个：新建一

22、个模型模型窗口窗口 步骤步骤2：为模型添加所需模块：为模型添加所需模块正弦信号：正弦信号：sourcessine wave余弦函数：余弦函数：math operationstrigonometic function 先拖到先拖到untitled，再选择余弦函数，再选择余弦函数cos积分模型：积分模型：continuousintergrator示波器模块示波器模块：sinksscope步骤步骤3：连接模块，构成系统模型。：连接模块，构成系统模型。步骤步骤4：系统仿真：单击模型窗口菜单：系统仿真：单击模型窗口菜单simulationstart，仿真执行。，仿真执行。 步骤步骤5：观察仿真结果：双击

23、示波器模块，打开：观察仿真结果：双击示波器模块，打开scope窗口。窗口。40设置设置y轴最小值轴最小值0默认默认y轴最小值轴最小值-541【例例3.3】 产生一个产生一个5sin(2t)和和sin(5t)叠加的信号，而且还叠加了叠加的信号，而且还叠加了 功率谱为功率谱为0.5的限带宽白噪声。的限带宽白噪声。解：需要产生解：需要产生5sin(2t)、sin(5t)和和限带宽白噪声信号限带宽白噪声信号，然后将这，然后将这3个个信号叠加起来。信号叠加起来。需要需要正弦信号正弦信号、限带宽白噪声限带宽白噪声、加法模块加法模块、观测结果的模块观测结果的模块。分别将分别将Simulink Library

24、 Browser中的相关模块依次拖到中的相关模块依次拖到untitled窗口中。窗口中。42正弦信号正弦信号：sourcessignal generator(信号发生器信号发生器) 拖到拖到untitled，双击该模块选定，双击该模块选定sin波形，波形， 幅值幅值5、频率、频率2，将产生，将产生5sin(2t)信号。信号。同样设置同样设置sin(5t)，模块没改变。，模块没改变。43限带宽白噪声模块：限带宽白噪声模块：sources Band-Limited white noise拖到拖到untitled，双击该模块，设置，双击该模块，设置 noise power (功率谱功率谱)为为0.5

25、加法模块：加法模块：math operations Add 默认两个输入相加，拖到默认两个输入相加，拖到untitled， 双击该模块，将双击该模块，将“List of signs”框中的两个加号框中的两个加号 (+) 改为三个改为三个 (+)示波器模块示波器模块：sinks scope模型命名：模型命名：用鼠标在需要改的名称上单击一下，直接更改即可。用鼠标在需要改的名称上单击一下，直接更改即可。44图图3.18 信号叠加的信号叠加的Simulink模型模型图图3.19 信号叠加的信号叠加的结果图结果图45【例例3.4】已知单位负反馈二阶系统的开环传递函数为已知单位负反馈二阶系统的开环传递函数

26、为 ，利用利用simulink求取其单位阶跃响应。求取其单位阶跃响应。sssG310)(2解解：步骤步骤1：新建一个：新建一个模型模型窗口窗口 步骤步骤2：为模型添加所需模块：为模型添加所需模块阶跃信号发生器阶跃信号发生器：sourcesstep 传递函数传递函数： continuous transfer Fcn相加器相加器： math operations intergrator 示波器模块示波器模块：sinksscope步骤步骤3：将：将前向通道前向通道连接好，把相加器的另一个端口与传递函数和示波连接好，把相加器的另一个端口与传递函数和示波器之间的线段相连，形成器之间的线段相连，形成闭环反

27、馈闭环反馈。46步骤步骤4：双击相加器，打开参数设置对话框，设置为双击相加器，打开参数设置对话框，设置为“+-”。步骤步骤5：双击传递函数，打开参数设置对话框，双击传递函数，打开参数设置对话框，将分子将分子numerator设置为设置为“10”，分母，分母denominator设置为设置为“1 3 0”步骤步骤6：系统仿真，单击菜单：系统仿真，单击菜单simulationstart，仿真执行。，仿真执行。 步骤步骤7：观察仿真结果，双击示波器模块，打开：观察仿真结果，双击示波器模块，打开scope窗口。窗口。47图图3.21 二阶系统二阶系统Simulink结构图结构图图图3.22 示波器输出

28、结果图示波器输出结果图48【例例3.5】控制系统传递函数控制系统传递函数 ，其中，其中 ，利用利用simulink求它的阶跃输出响应，并将响应曲线导入到求它的阶跃输出响应，并将响应曲线导入到MATLAB的工作空间中，在工作空间中绘制响应曲线。的工作空间中，在工作空间中绘制响应曲线。sssG310)(2)(1)()()(sGsGsXsY49解：模型所需模块解：模型所需模块阶跃信号发生器阶跃信号发生器：sourcesstep传递函数传递函数： continuous transfer Fcn双击该模块，设置分子多项式为双击该模块，设置分子多项式为1 50，分母多项式为，分母多项式为2 3 0加法模块

29、加法模块： math operations Add默认两个输入相加，双击该模块，将默认两个输入相加，双击该模块，将“List of signs”框中的两个加号框中的两个加号（+）改为（）改为（+-）,减号用来进行负反馈连接。减号用来进行负反馈连接。示波器模块示波器模块：sinksscopesimulink数据导出到数据导出到MATLAB工作空间的模块工作空间的模块：sinksTo workspace，将输出导出到工作空间中。将输出导出到工作空间中。50设置设置To workspace模块：模块：将将 variable name 命名为命名为y，仿真结果在工作空间中以变量，仿真结果在工作空间中以

30、变量y存在。存在。将将save format（存储格式）设为（存储格式）设为array（阵列，数组）（阵列，数组），输出到输出到workspace中就有两个量，一个中就有两个量，一个y，是纵坐标的值；一个，是纵坐标的值；一个tout，是横坐标的值。是横坐标的值。51选择选择simulinkstart开始仿真。仿真后，双击开始仿真。仿真后，双击scope，结果如图。，结果如图。图图3.23 控制系统控制系统Simulink模型模型图图3.24 控制系统仿真结果控制系统仿真结果52在工作空间中，看到了在工作空间中，看到了变量变量y，双击，双击y，出现图，出现图3.25中右侧部分的中右侧部分的“Ar

31、ray Editor”，能看到，能看到t 及对应的及对应的 y 值。使用值。使用plot命令显示命令显示y。图图3.25 导入到工作空间中的变量导入到工作空间中的变量图图3.26 工作空间中仿真结果的图形化输出工作空间中仿真结果的图形化输出53响应曲线。，要求观测其单位阶跃对该闭环系统进行仿真利用倍的增益作用到系统，负反馈，阶跃输入经，系统为为表示，反馈通道的增益的限幅环节，图中用而且前向通道有一个前向通道的传递函数为已知一闭环系统，系统simulinkssssssG5 . 15 . 1N5 . 0 , 2 . 0,2012201 . 05 . 0)(23【例例3.6】54解解：步骤步骤1：新建一个：新建一个模型模型窗口窗口 步骤步骤2：为模型添加所需模块：为模型添加所需模块阶跃信号阶跃信号：sourcesst