第5章 SIMULINK仿真

1、第第 5 章章 SIMULINK仿真仿真2022-3-2712022-3-272第五章第五章 MATLAB的的SIMULINK仿真仿真 SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。离散事件系统。 在在 SIMULINK 提供的图形用户界面提供的图形用户界面GUI上，只要进行上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。它鼠标的简单拖拉操作就可构造

2、出复杂的仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。 从建模角度讲，这既适于自上而下（从建模角度讲，这既适于自上而下（Top-down）的设的设计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件），计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件），又适于自下而上（又适于自下而上（Bottum-up） 逆程设计。逆程设计。2022-3-273MATLAB的的SIMULINK仿真仿真 从分析研究角度讲，这种 SIMULINK 模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。 在 SIMUL

3、INK 环境中，用户将观察到现实世界中非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。 在 SIMULINK 环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。2022-3-274MATLAB的的SIMULINK仿真仿真 在在MATLAB 7.0 版中，可直接在版中，可直接在 SIMULINK 环境中运环境中运作的工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、作的工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、DSP、电力系统等诸多领域，所涉内容专业性极强。电力系统等诸多领域，所涉内容专业性极强。 本讲由浅入深地讲述本讲由浅入深地讲述 SIMULINK 对各种数学、工程问对各种数学、工程问题

4、的建模、仿真和分析的基本方法，采用题的建模、仿真和分析的基本方法，采用“算例算例”作作为主体，配以适量的归纳性表述。为主体，配以适量的归纳性表述。2022-3-275模型的创建和模型文件模型的创建和模型文件SIMULINK 模型是什么？模型是什么？SIMULINK 模型有以下几层含义：模型有以下几层含义： 在视觉上表现为直观的方框图；在视觉上表现为直观的方框图； 在文件上则是扩展名为在文件上则是扩展名为 mdl 的的ASCII代码；代码； 在数学上表现为一组微分方程或差分方在数学上表现为一组微分方程或差分方程；程； 在行为上则模拟了实际系统的动态特性在行为上则模拟了实际系统的动态特性 。202

5、2-3-276 SIMULINK SIMULINK 模型通常包含三种模型通常包含三种 “组件组件”： 信源（信源（ SourcesSources）：）：可以是常数、时钟、白噪声、正可以是常数、时钟、白噪声、正弦波、阶梯波、扫频信号、脉冲生成器、随机数产生弦波、阶梯波、扫频信号、脉冲生成器、随机数产生器等信号源；器等信号源； 系统（系统（ SystemSystem）：）：即指被研究系统的即指被研究系统的 SIMULINK SIMULINK 方方框图；框图； 信宿信宿（ Sink Sink）：）：可以是示波器、图形记录仪等。可以是示波器、图形记录仪等。 对于具体的对于具体的 SIMULINK SI

6、MULINK 模型而，不一定完全地包含这模型而，不一定完全地包含这三大组件。例如：研究初始条件对系统影响就不必包三大组件。例如：研究初始条件对系统影响就不必包含信源组件。含信源组件。2022-3-277SIMULINK 模型的创建模型的创建 创建模型文件；创建模型文件； 选择对象；选择对象； 模块的操作；模块的操作； 连线的操作；连线的操作； 对模型的注释；对模型的注释； 创建子系统；创建子系统； 仿真的配置仿真的配置 ； 保存模型；保存模型； 仿真和结果分析。仿真和结果分析。2022-3-278仿真运行仿真运行 使用菜单进行仿真使用菜单进行仿真 设置仿真参数和选择求解器设置仿真参数和选择求解

7、器 通过选择菜单通过选择菜单 Simulation 下的下的 Parameters 菜单项，用菜单项，用来设置仿真参数和选择求解器。其中有三个页面管理来设置仿真参数和选择求解器。其中有三个页面管理这些仿真参数。这些仿真参数。 在在 Solver 页面，设置开始和停止时间，选择求解器和页面，设置开始和停止时间，选择求解器和指定求解器（指定求解器（solver）的参数，另外还可以选择一些输的参数，另外还可以选择一些输出选项。出选项。 在在 Solver options 中，中， SIMULINK 模型的仿真涉及到模型的仿真涉及到一组常微分方程（一组常微分方程（ODEs）的数值积分。如果模型是连的数

8、值积分。如果模型是连续系统，使用续系统，使用ode45方法方法；如果模型不是连续系统，使如果模型不是连续系统，使用用discrete方法。方法。2022-3-279仿真运行仿真运行 在在 Workspace I/O Workspace I/O 页面，管理对页面，管理对 MATLAB MATLAB 工作空间工作空间的输入和输出。的输入和输出。 在在 Diagnostics Diagnostics 页面，可以选择在仿真期间显示的警页面，可以选择在仿真期间显示的警告信息的层次。告信息的层次。 通过命令行运行仿真通过命令行运行仿真 通过命令行运行仿真与通过菜单运行仿真相比通过命令行运行仿真与通过菜单运

9、行仿真相比 ，有如，有如下的下的 一些优点：一些优点： 可以不理睬模块中的初始条件（参数可以不理睬模块中的初始条件（参数 x0 x0 ）；）； 可以定义任何外部输入（用参数可以定义任何外部输入（用参数 ut ut ）；）；2022-3-2710仿真运行仿真运行 可以由一个可以由一个M 文件来启动一个仿真，并且允许模块中文件来启动一个仿真，并且允许模块中的参数发生改变的参数发生改变 。 用来进行仿真的命令有四个：用来进行仿真的命令有四个： 使用使用 set_param 命令：开始、停止或者继续仿真或者命令：开始、停止或者继续仿真或者更新模块的方框图。更新模块的方框图。 get_param 命令来

10、检查一个仿真命令来检查一个仿真的状态。的状态。 使用使用 sim 命令：启动仿真命令；命令：启动仿真命令； 使用使用 simset 命令：用来向命令：用来向 sim 命令产生或者编辑仿真命令产生或者编辑仿真参数和积分法属性的命令；参数和积分法属性的命令； 使用使用 simget 命令：可以得到选项结构体属性和参数。命令：可以得到选项结构体属性和参数。2022-3-2711SIMULINK模型窗的组成 L 工具条工具条：最左边9个图标实现标准的Windows操作。其余图标含义如下： 打开库浏览器 模型浏览器单双窗外形切换 展现当前系统的父系统 打开调试器 仿真的启动或继续 暂停（在仿真执行过程中

11、出现） 结束仿真 显示库连接 观察封装子系统2022-3-2712如何调用MATLAB工作空间中的信号矩阵作为模型输入。本例所需的输入为 （1）编写一个产生信号矩阵的）编写一个产生信号矩阵的M函数文件函数文件function TU=source82_1(T0,N0,K)t=linspace(0,K*T0,K*N0+1);N=length(t);u1=t(1:(N0+1).2;u2=(t(N0+2):(2*N0+1)-2*T0).2;u3(1:(N-(2*N0+2)+1)=0;u=u1,u2,u3;TU=t,u;elseTtTTttTttu200)2()(222022-3-2713（2）构造简单

12、的接收信号用的实验模型）构造简单的接收信号用的实验模型 2022-3-2714（3）模块的参数设置）模块的参数设置 双击S82_1，在对话框中的Data中填写TU（4）在指令窗中，运行以下指令，在）在指令窗中，运行以下指令，在MATLAB工作空间中产生工作空间中产生TU信号矩阵信号矩阵。TU=source82_1(1,100,4);（5）选中模型窗菜单选中模型窗菜单【Simulation：Start】，】，示波器呈现图右图信号。示波器呈现图右图信号。2022-3-2715复位积分器的功用示例 ttttdtttdttf5055 . 0505 . 0)(从实际抽象出初始状态为0的二阶微分方程 ，

13、是单位阶跃函数。本例演示如何用积分器直接构搭求解该微分方程的模型。 )(2 .04 .02 .0tuxxx )(tu2022-3-2717利用存放在MATLAB工作空间中的仿真数据所绘制的曲线Clftt=ScopeData.time;%为书写简单，把构架域的时间数据另赋给为书写简单，把构架域的时间数据另赋给ttxx=ScopeData.signals.values;%目的同上。目的同上。xm,km=max(xx);plot(tt,xx,r,LineWidth,4);hold onplot(tt(km),xm,b.,MarkerSize,36);hold offstrmax=char(最大值最大

14、值,t = ,num2str(tt(km),x = ,num2str(xm);text(6.5,xm,strmax),xlabel(t),ylabel(x)2022-3-2718利用存放在MATLAB工作空间中的仿真数据所绘制的曲线0510152000.10.20.30.40.50.60.70.80.9最 大值 t = 4.9144 x = 0.80152tx2022-3-2719直接利用传递函数模块求解方程 2022-3-2721利用使能子系统实现半波整流的仿真模型 Band-Limited White Noise（限带白噪声限带白噪声）Chirp Signal（扫频信号扫频信号）Clock

15、（时钟时钟）Constant（常量）常量）Digital Clock（数字时钟数字时钟） Discrete Pulse Generator（离散脉冲生成器离散脉冲生成器）From Workspace（从工作空间读取数据从工作空间读取数据）From File（从文件读数据从文件读数据）Pulse Generator（脉冲生成器脉冲生成器）Ramp（倾斜）倾斜）Random Number（随机数产生器随机数产生器）Repeating Sequence（重复序列）重复序列）Sources 库（续）库（续）Signal Generator（信号发生信号发生 器器）Sine Wave（正弦波正弦波）St

16、ep（阶跃阶跃）Uniform Random Number（均匀分布随机数）均匀分布随机数）Display（显示显示）Scope（示波器示波器）Stop Simulation（停止仿真）停止仿真）To File（写入文件写入文件）To Workspace（写到工作空间写到工作空间）XY Graph（显示平面图形显示平面图形）Discrete 库库Discrete Filter（离散滤波器离散滤波器）Discrete State Space（离散状态空间离散状态空间）Discrete-Time Integrator（离散时间积分器离散时间积分器）Discrete Transfer Fcn（离散传

17、递函数离散传递函数）Discrete Zero-Pole（数字零极点函数数字零极点函数）First-Order Hold（一阶保持）一阶保持）Zero-Order Hold（零阶保持零阶保持）Unit Delay（单位延迟单位延迟）Continuous 库库Derivative（导数导数）Integrator（积分器积分器）Memory（记忆）记忆）State Space（状态空间状态空间） Transfer Fcn（传递函数传递函数） Transport Delay（传递延迟传递延迟） Variable Transport Delay（可变传输延迟）可变传输延迟） Zero-Pole（零零-

18、极点极点） Math 库库Abs（绝对值绝对值）Algebraic ConstraintCombinatorial Logic（组合组合逻辑逻辑）Complex to Magnitude-Angle Complex to Real-Image Dot Product（点乘点乘）Gain（增益增益） Logical Operator（逻辑逻辑运算运算） Magnitude-Angle to Complex（）（）Math Function（数学函数数学函数）Matrix Gain（矩阵增益矩阵增益）MinMax（最大最小值最大最小值）Math 库（续）库（续）Product（乘积乘积）Real-

19、Image to ComplexRelational Operator（关系关系运算运算）Rounding Function（圆整函数圆整函数）Sign（符号符号） Slider Gain（滑块增益滑块增益） Sum（和和） Trigonometric Function（三角函数三角函数） Nonlinear 库库Backlash 模块模块Coulomb and Viscous Friction（库仑和粘性摩擦库仑和粘性摩擦）Dead Zone（死区）死区）Manual Switch（手动开关手动开关 ） Multiport Switch（多路转换开关多路转换开关） Quantizer（量化）

20、量化） Rate Limiter（限速器限速器）Relay（继电器继电器） Saturation（饱和）饱和）Switch（选择开关选择开关） Signals & Systems Signals & Systems 库库Bus SelectorBus Selector（总线选择器总线选择器）Configurable SubsystemConfigurable Subsystem（可配置子系统可配置子系统）Data Store MemoryData Store Memory（数据存储器数据存储器）Data Store ReadData Store Read（读数据存储读数据存储） Data S