MATLAB中Simulink基础应用

1、安庆师范学院物理与电气工程学院第七章第七章 Simulink基础基础 Simulink是实现动态系统建模和仿真的集成环境是实现动态系统建模和仿真的集成环境,可以可以实现数字信号仿真、自动控制仿真等实现数字信号仿真、自动控制仿真等第第1节节 Simulink初步初步一、一、 Simulink简介简介 Simulink提供了图形化用户界面，可以轻易地完成提供了图形化用户界面，可以轻易地完成模型的创建、调试和仿真工作。它提供了大量的系模型的创建、调试和仿真工作。它提供了大量的系统模块，包括了信号、运算、显示和系统等方面的统模块，包括了信号、运算、显示和系统等方面的功能。功能。 Simulink模块分

2、层树形排列，便于用户查找、使用模块分层树形排列，便于用户查找、使用 Simulink内置的分析工具：仿真算法、系统线性化、内置的分析工具：仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等。寻求平衡点等。安庆师范学院物理与电气工程学院2Simulink仿真结果可以显示也可以保存。仿真结果可以显示也可以保存。模型建构和定义+模型的分析显示修正Simulink可以仿真线性或非线性系统；能创建连可以仿真线性或非线性系统；能创建连续时间、离散时间或者混合的系统。续时间、离散时间或者混合的系统。Simulink支持多采样频率系统，即可以以不同的支持多采样频率系统，即可以以不同的采样频率进行组合，可以仿真较大的复杂系统采

3、样频率进行组合，可以仿真较大的复杂系统Simulink操作框图操作框图安庆师范学院物理与电气工程学院二、运行二、运行 SimulinkSimulink三、三、Simulink帮助帮助右键单击模块，选择右键单击模块，选择help菜单菜单DEMOS双击子项，打开示范模块双击子项，打开示范模块四、退出 Simulink关闭所有模型编辑窗口和关闭所有模型编辑窗口和SimulinkSimulink模块库浏览器窗口模块库浏览器窗口 在启动在启动Simulink模块库浏览器后再单击其工具栏模块库浏览器后再单击其工具栏中的中的Create a new model命令按钮，会弹出模型命令按钮，会弹出模型编辑窗口

4、。利用模型编辑窗口，可以通过鼠标的编辑窗口。利用模型编辑窗口，可以通过鼠标的拖放操作创建一个模型。拖放操作创建一个模型。 在在MATLAB的命令窗口输入的命令窗口输入simulink或单击或单击MATLAB主主窗口工具栏上的窗口工具栏上的Simulink命令按钮即可启动命令按钮即可启动Simulink。Simulink启动后会显示启动后会显示Simulink模块库浏览器模块库浏览器(Simulink Library Browser)窗口。窗口。安庆师范学院物理与电气工程学院第第2 2节节 SimulinkSimulink 的基本模块的基本模块 SimulinkSimulink有大量的模块，可以

5、在有大量的模块，可以在SimulinkSimulink Library BrowLibrary Brow左侧窗口的选定模块单击右键，打开左侧窗口的选定模块单击右键，打开对应选项的子模型，也可以直接在右侧窗口选择子对应选项的子模型，也可以直接在右侧窗口选择子模型。模型。一、信号源模型库一、信号源模型库SourceSource 17 17种信号源模块，有各种信号输入方法种信号源模块，有各种信号输入方法In1In1输入端输入端 ConstantConstant常量常量 PulsePulse脉冲发生器脉冲发生器SineSine正弦波正弦波 StepStep阶跃信号阶跃信号 ClockClock当前时间

6、当前时间Signal generatorSignal generator信号发生器信号发生器From WorkspaceFrom Workspace 从工作空间读取数据从工作空间读取数据Random NumberRandom Number随机信号随机信号Uniform Random NumberUniform Random Number均匀随机信号均匀随机信号Band_LimitedBand_Limited Random Number Random Number带限白噪声带限白噪声安庆师范学院物理与电气工程学院基于时间基于时间(time based),(time based),且采且采样时间样

7、时间sample time=0sample time=0为连续为连续信号信号波形幅值波形幅值角频率角频率初始相位初始相位每点采样时间每点采样时间非信源模块：非信源模块：Sample time=-1,则继承前面的则继承前面的信号采样时间信号采样时间偏置偏置基于采样点基于采样点(sample based)(sample based)离散信号时离散信号时, ,为为sample sample per period,per period,每个周期每个周期的采样点的采样点基于采样点基于采样点(sample based),(sample based),且采样时间且采样时间sample time=nsampl

8、e time=n时时, ,该信号为离散信号该信号为离散信号: :周周期期=sample time=sample time* *sample per periodsample per period安庆师范学院物理与电气工程学院二、信宿模型库二、信宿模型库Sinks1Sinks1OutOut输出端输出端ScopeScope示波器示波器XY GraphXY GraphXYXY关系图关系图DisplayDisplay实时数值显示实时数值显示To WorkspaceTo Workspace输出到工作空间输出到工作空间TerminateTerminate通用终端，用于端口无输出时，避通用终端，用于端口无输

9、出时，避免系统提示错误信息免系统提示错误信息Stop SimulationStop Simulation输入非输入非0 0时停止仿真时停止仿真, ,一般情一般情况下接况下接“关系算子模块关系算子模块”安庆师范学院物理与电气工程学院属性设置缩放按钮自动满刻度显示坐标轴 1坐标轴 2坐标轴 3浮动示波器选择信号来源安庆师范学院物理与电气工程学院三、连续系统模块库三、连续系统模块库ContinuousContinuousIntegratorIntegrator积分器积分器 DerivativeDerivative微分器微分器MemoryMemory延时输出，用以切断代数环，提高计延时输出，用以切断代

10、数环，提高计算速度算速度 Zero-poleZero-pole零极点，零极点，State-SpaceState-Space状态方程状态方程Transfer FcnTransfer Fcn传递函数传递函数 Transfer DelayTransfer Delay传输延时传输延时 Transfer FcnTransfer Fcn可变传输延时可变传输延时安庆师范学院物理与电气工程学院四、离散系统模块库四、离散系统模块库DiscreteDiscreteZero-Order HoldZero-Order Hold零阶保持器零阶保持器, ,保持保持sample time sample time Unit

11、Delay Unit Delay 单位延迟单位延迟采样保持采样保持Discrete-Time integeratorDiscrete-Time integerator离散时间积分器离散时间积分器Discrete State-SpaceDiscrete State-Space离散状态方程离散状态方程Discrete Transfer FcnDiscrete Transfer Fcn离散传递函数离散传递函数 DiscreteDiscrete Zero-PoleZero-Pole离散离散零极点零极点安庆师范学院物理与电气工程学院五、数学运算模块库五、数学运算模块库MathMathSum 求和求和 R

12、ounding function取整取整Combinatorial Logic 逻辑真值表逻辑真值表Logical Operator 逻辑算子逻辑算子Relational Operator 关系算子关系算子Gain 常数增益常数增益 Slider Gain 可变增益可变增益Sign 符号函数符号函数 Trigonometric Function 三角函数三角函数Abs 求绝对值求绝对值安庆师范学院物理与电气工程学院六、信号与系统模块库六、信号与系统模块库Signal &SystemsSignal &SystemsMux 多路复合器多路复合器Demux多路分离器多路分离器Data

13、 type conversion 数据类型转换数据类型转换安庆师范学院物理与电气工程学院第第3节节 Simulink建模建模一、模块的创建与操作一、模块的创建与操作1、创建模块创建模块浏览列表中选择模块浏览列表中选择模块左键拖至模块窗口适当位置左键拖至模块窗口适当位置 双击模块设置参数双击模块设置参数 双击模块名修改模块名双击模块名修改模块名 2、模块操作、模块操作模块选择：单击模块选择：单击模块移动：选择并拖动模块移动：选择并拖动模块缩放：拖动四个标记点模块缩放：拖动四个标记点复制模块：复制模块： copy paste模块旋转：模块旋转：format rotate block顺时针顺时针90

14、0 /次次模块翻转：模块翻转：format flip block顺时针顺时针1800 /次次安庆师范学院物理与电气工程学院 模块连接：输出处至输入处模块连接：输出处至输入处,十字形十字形状为连线状态状为连线状态 连接分支线：鼠标右键拖动；或用连接分支线：鼠标右键拖动；或用Ctrl+左键左键 斜线连接：斜线连接：Shift+左键左键 连线标识：双击鼠标左键添加或修改连线标识：双击鼠标左键添加或修改 信号线宽度显示：信号线宽度显示：fomat wide vectorlines 信号线频率颜色：信号线频率颜色：fomat sample time color 黑色表示连续信号线，黑色表示连续信号线，其

15、他颜色其他颜色依次表示离散信号依次表示离散信号的采样频率高低的采样频率高低安庆师范学院物理与电气工程学院3、简单模型举例、简单模型举例信号发生器信号发生器生成生成幅值值为幅值值为1，频，频率为率为0.2Hz的正弦的正弦信号，信号分两信号，信号分两路，一路去示波路，一路去示波器，另一路放大器，另一路放大5倍后送至另一倍后送至另一个示波器。个示波器。SignalGeneratorScope1Scope5Gain正弦波形正弦波形信号幅值信号幅值信号频率信号频率频率单位频率单位常数增益常数增益示波器示波器安庆师范学院物理与电气工程学院二、模块的修饰二、模块的修饰1、模块阴影模块阴影 fomat sho

16、w drop shadow2、模块颜色、模块颜色 前景前景 fomat foreground color 背背景景 fomat background color 屏幕颜色屏幕颜色 fomat screen color3、改变模块名的显示位置、改变模块名的显示位置 对称位置对调：对称位置对调：fomat flip name 隐藏模块名：隐藏模块名： fomat hide name安庆师范学院物理与电气工程学院1s+1Transfer Fcnsimout1To Workspace1simoutTo WorkspaceSignalGeneratorScope2Scope1RandomNumber4

17、4、模块修饰简、模块修饰简例例 安庆师范学院物理与电气工程学院第第4节节 仿真计算与分析方法仿真计算与分析方法一、连续系统建模一、连续系统建模1、用积分模块创建求解微分方程的模型、用积分模块创建求解微分方程的模型【例【例9-1】使用】使用Simulink的积分模块求解二阶微分方程：的积分模块求解二阶微分方程：x+0.2x+0.4x =0.2u(t) ，u (t) 是单位阶跃函数是单位阶跃函数思路思路:利用连续系统模块库中的积分器利用连续系统模块库中的积分器Integrator，解，解微分方程。微分方程。 改写微分方程，使最高阶微分移至等式左端改写微分方程，使最高阶微分移至等式左端: 建模仿真：

18、阶跃信号建模仿真：阶跃信号Step ，求和，求和sum,常数增益常数增益gain,积分器积分器,示波器示波器scope，工作空间模块，工作空间模块To workspace等等x =0.2u(t) -0.2x-0.4x安庆师范学院物理与电气工程学院0.2u(t)xxx0.2x0.4xu(t)simyTo WorkspaceScope1sIntegrator11sIntegrator0.2Gain20.4Gain10.2GainClock输出带时间的模输出带时间的模型输出型输出单端输入示波器单端输入示波器积分器积分器矩形加法器矩形加法器常数增益常数增益阶跃信号阶跃信号外部复位设置外部复位设置容差设

19、置容差设置初始条件初始条件初始条件来源初始条件来源输出范围限制输出范围限制输出上限输出上限输出下限输出下限状态输出状态输出安庆师范学院物理与电气工程学院2、用传递函数求微分方程、用传递函数求微分方程【例【例9-2】使用】使用Simulink的传递函数模块求解二阶微分方程：的传递函数模块求解二阶微分方程：x+0.2x+0.4x=0.2u (t) ，u (t) 是单位阶跃函数是单位阶跃函数思路思路:对微分方程作对微分方程作laplace变换，移项整理后求得传递函数，变换，移项整理后求得传递函数，利用连续系统模块库中的传递函数模块利用连续系统模块库中的传递函数模块Transfer Fcn ，解微，解

20、微分方程。分方程。)(2 . 0)(4 . 0)(2 . 0)(2sUsXssXsXs)4 . 02 . 0/(2 . 0)(/ )()(2sssUsXsG作作laplace变换变换移项整理移项整理建模仿真：建模仿真： 阶跃信号阶跃信号Step ，示波器，示波器scope，传递函数模，传递函数模块块Transfer Fcn等等安庆师范学院物理与电气工程学院u(t)0.2s +0.2s+0.42Transfer FcnScope阶跃信号阶跃信号传递函数传递函数示波器示波器阶跃时间阶跃时间阶跃初始值阶跃初始值阶跃终值阶跃终值传递函数分子式传递函数分子式传递函数分母式传递函数分母式容差容差安庆师范学

21、院物理与电气工程学院二、二、Simulink仿真结果分析仿真结果分析1、仿真参数的认识与设置、仿真参数的认识与设置解算器设置解算器设置 solver仿真终止时间仿真终止时间解算器参数解算器参数设置：根据设置：根据具体对象设具体对象设置，主要分置，主要分为变步长和为变步长和定步长定步长两种容差两种容差通信仿真时应设通信仿真时应设为离散参数为离散参数每步长采样数每步长采样数安庆师范学院物理与电气工程学院输入、输出参数输入、输出参数 输入设置输入设置仿真输出变量仿真输出变量输出时间变量设置输出时间变量设置记录最后的指定数据长度记录最后的指定数据长度保存频度保存频度: :每隔多少每隔多少点保存一次点保

22、存一次数据记录格式：数据记录格式：structure with time; structure; array安庆师范学院物理与电气工程学院2、输出信号的观察、输出信号的观察输出到显示模块输出到显示模块示波器：示波器：scopescope135246Display3x2ConstantXY GraphSine WaveClockXYXY图形：图形：XY GraphXY Graph数字显示：数字显示：display display 可以单行或多行显示可以单行或多行显示安庆师范学院物理与电气工程学院仿真结果存储到工作空间仿真结果存储到工作空间仿真参数设置仿真参数设置:Simulink paramet

23、re:Simulink parametre输出变量名输出变量名取结束时刻以前取结束时刻以前指定数据长度指定数据长度取值频度取值频度采样间隔采样间隔,-1,-1为继为继承前面信号频率承前面信号频率输出变量类型输出变量类型示波器示波器To workspaceTo workspace模块模块安庆师范学院物理与电气工程学院时间范围时间范围坐标轴数坐标轴数采样和显示频度采样和显示频度采样和显示频度：采样和显示频度：当为当为0 0时，则采用系时，则采用系统默认频率统默认频率安庆师范学院物理与电气工程学院输出到工作空间变量输出到工作空间变量数据记录长度数据记录长度变量名变量名数据记录类型数据记录类型安庆师范

24、学院物理与电气工程学院3、一般性分析、一般性分析A B C D= linmod（模型名称模型名称） 获取非线性系统的获取非线性系统的近似近似线性模型线性模型【例【例9-3】对于下面的模型】对于下面的模型lmod，使用，使用Simulink获取线获取线性系统的性系统的状态空间状态空间矩阵矩阵2Out21Out12s+1Transfer Fcn12s +s+12Transfer Fcn1In1 A B C D=linmod(lmod) 输入端口数输入端口数1系统状态数系统状态数3输出端口数输出端口数2推导推导对于一线性系统对于一线性系统:输入参数向量输入参数向量um,状态参数向量状态参数向量xn

25、;输输出参数向量出参数向量yk。状态方程状态方程A,B,C和和D表示表示:DuCxyBuAxx对于对于A、B、C和和D由右由右式计算所得：式计算所得：jiijjiijjiijjiijuydxycuxbxxa;)()()()(mkDnkCmnBnnA状态空间矩阵安庆师范学院物理与电气工程学院输入端口:1 输出端口:2系统状态:3120001211A001B200020C10D输入端口数输入端口数:m 系统状态数系统状态数:n输出端口数输出端口数:k)()()()(mkDnkCmnBnnA状态空间矩阵下面是下面是lmod模型的用传递函数之前的原始模型模型的用传递函数之前的原始模型lmod_inti

26、aliztion1322132312132112222uxyxyxxxxxuxxxx由状态方程由状态方程A A、B B、C C和和D D ，可得微分方程如下，可得微分方程如下1321132110200020001120001211uxxxyuxxxxx1x2x2x3x32Out21Out11sIntegrator31sIntegrator11sIntegrator2Gain22Gain12Gain1In1输入端口数输入端口数1 1系统状态数系统状态数3 3输出端口数输出端口数2 2安庆师范学院物理与电气工程学院【例【例9-4】使用】使用ss（state-space）函数将状态空间矩）函数将状态

27、空间矩阵形式化阵形式化,转化为转化为LTI对象对象(LTI:linear time-invariant线线性时不变系统性时不变系统) sys=ss(A,B,C,D)a = x1 x2 x3 x1 -1 0 2 x2 -2 -1 -1 x3 0 1 0 b = u1 x1 0 x2 1 x3 0c = x1 x2 x3 y1 -2 0 0 y2 0 0 2d = u1 y1 1 y2 0Continuous-time model【例【例9-5】使用】使用Simulink绘制波德频响图形绘制波德频响图形bode(A,B,C,D)-20020To: Out(1)-360-1800To: Out(1)

28、-1000100To: Out(2)10-210-1100101102-360-1800To: Out(2)Bode DiagramFrequency (rad/sec)Magnitude (dB) ; Phase (deg)安庆师范学院物理与电气工程学院【例【例9-6】使用】使用Simulink绘制阶跃和脉冲信号时间绘制阶跃和脉冲信号时间响应图形响应图形step(A,B,C,D)%打开打开lmod_step、lmod_intializtion_step模型对比模型对比impulse(A,B,C,D) -1000-500050010001500To: Out(1)0102030405060708090100-1500-1000-50005001000To: Out(2)Step ResponseTime (sec)Amplitude-100-50050100To: Out(1)0102030405060-100-50050100To: Out(2)Impulse ResponseTime (sec)Amplitude安庆师范学院物理与电气工程学院4 4、求系统平衡点、求系统平衡点 非线性系统中，分析评估系统稳定性非线性系统中，分析评估系统稳定性或稳定状态时需要计算平衡点或稳定状态时需要计算平衡点当要使输出为当