[工学]第七章-SIMULINK基础ppt课件

1、1第七章第七章 SIMULINK SIMULINK根底根底2 2在工程实践中，控制系统的构造往往很复杂，假设不借助公用的系在工程实践中，控制系统的构造往往很复杂，假设不借助公用的系统建模软件，很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，统建模软件，很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进展进一步的分析与仿真。对其进展进一步的分析与仿真。1990年，年，Math Works软件公司为软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿

2、真软件进入了模型化图形组态阶工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。但因其名字与当时比较著名的软件段。但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以类似，所以1992年年正式将该软件更名为正式将该软件更名为SIMULINK。SIMULINK的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。该软件的的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。该软件的称号阐明了该系统的两个主要功能：称号阐明了该系统的两个主要功能：Simu(仿真仿真)和和Link(衔接衔接)，即，即该软件可以利用鼠标在模型窗口上绘制出所需求的控制系统模型，该软件可以利用鼠标在模型窗口上绘制出所需求的控制系统模型，然后

3、利用然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进展仿真和分析。提供的功能来对系统进展仿真和分析。3SIMULINK简介一、什么是一、什么是SIMULINKSIMULINK是是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与仿真的一个软件包，它与MATLAB言语的主要区别在于，其言语的主要区别在于，其与用户交互接口是基于与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精神投入到系统模型的构建，而非是使得用户可以把更多的精神投入到系统模型的构建，而非言语的编程上。言语的编程上。所谓模型化图

4、形输入是指所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的提供了一些按功能分类的根本的系统模块，用户只需求知道这些模块的输入输出及模根本的系统模块，用户只需求知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不用调查模块内部是如何实现的，经过对这些块的功能，而不用调查模块内部是如何实现的，经过对这些根本模块的调用，再将它们衔接起来就可以构成所需求的系根本模块的调用，再将它们衔接起来就可以构成所需求的系统模型以统模型以.mdl文件进展存取，进而进展仿真与分析。文件进展存取，进而进展仿真与分析。4Simulink Simulink 建模的根底知识建模的根底知识Simulink Simulink 建

5、模与仿真建模与仿真线性线性/ /非线性系统分析与仿真非线性系统分析与仿真子系统与模块封装技术子系统与模块封装技术5二、二、SIMULINK的启动的启动1. 在在MATLAB的命令窗口直接键入的命令窗口直接键入“Simulink并回车；并回车；2. 单击单击MATLAB工具条上的工具条上的Simulink 图标；图标；3. 在在MATLAB菜单上选菜单上选FileNewModel。三、三、SIMULINK的模块库引见的模块库引见常用的常用的SIMILINK模块库按功能可分为以下模块库按功能可分为以下8大类：大类：Continuous延续模块延续模块 Discrete离散模块离散模块Functio

6、n&Tables函数和表模块函数和表模块 Nonlinear非线性非线性模块模块 Signal &System信号与系统模块信号与系统模块 Math数学模块数学模块Sinks接纳器模块接纳器模块 Sources输入源模输入源模块块61、延续模块ContinuousIntegrator：输入信号积分Derivative：输入信号微分State-Space：线性形状空间系统模型Transfer-Fcn：线性传送函数模型Zero-Pole：以零极点表示的传送函数模型Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出Variable Transport Delay：输入信号

7、延时一个可变时间再输出Memory: 一个积分步骤的延迟72、离散模块DiscreteDiscrete-time Integrator：离散时间积分器Discrete Filter：离散滤波器Discrete State-Space：离散形状空间系统模型Discrete Transfer-Fcn：离散传送函数模型Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传送函数模型First-Order Hold：一阶采样和坚持器Zero-Order Hold：零阶采样和坚持器Unit Delay：一个采样周期的延时83、 Function&Tables函数和表模块Fcn：用自定义的函数

8、表达式进展运算MATLAB Fcn：利用matlab的现有函数进展运算S-Function：调用自编的S函数的程序进展运算Look-Up Table：建立输入信号的查询表Look-Up Table(2-D)：建立两个输入信号的查询表94、 Nonlinear非线性模块 Saturation：饱和输出，让输出超越某一值时可以饱和。Relay：滞环比较器，限制输出值在某一范围内变化。Dead Zone：死区，在某一范围内的输入其输出值为0Backlash :磁滞回环模块Switch:开关模块Rate limiter:变化率限幅模块105、Signal &System信号与系统模块信号与系统

9、模块 In1：输入端：输入端Out1：输出端：输出端Mux：将多个单一输入转化为一个复合输出：将多个单一输入转化为一个复合输出Demux：将一个复合输入转化为多个单一输出：将一个复合输入转化为多个单一输出SubSystem：建立新的封装：建立新的封装Mask功能模块功能模块Switch：开关选择，当第二个输入端大于临界值时，输出由：开关选择，当第二个输入端大于临界值时，输出由第一个输入端而来，否那么输出由第三个输入端而来第一个输入端而来，否那么输出由第三个输入端而来Manual Switch：手动选择开关：手动选择开关116、 Math数学模块 Sum：加减运算 Gain：比例运算 Dot P

10、roduct：点乘运算 MinMax：最值运算 Abs：取绝对值Sign：符号函数 Product：乘运算Math Function：包括指数、对数、求平方、开根号等常用数学函数Trigonometric Function：三角函数，包括正弦、余弦、正切等Complex to Magnitude-Angle：由复数输入转为幅值和相角输出Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角输入合成复数输出Complex to Real-Imag：由复数输入转为实部和虚部输出Real-Imag to Complex：由实部和虚部输入合成复数输出127、Sinks接纳器模块接纳器模块S

11、cope：示波器：示波器XY Graph：显示二维图形：显示二维图形To Workspace：将输出写入：将输出写入MATLAB的任务空间的任务空间To File(.mat)：将输出写入数据文件：将输出写入数据文件Terminator：衔接到没有衔接的输出端：衔接到没有衔接的输出端138、Sources输入源模块Constant：常数信号Clock：时钟信号From Workspace：来自MATLAB的任务空间From File(.mat)：来自数据文件Pulse Generator：脉冲发生器Repeating Sequence：反复信号Signal Generator：信号发生器，可以产

12、生正弦、方波、锯齿涉及随意波Sine Wave：正弦波信号Step：阶跃波信号14SIMULINK仿真的运转启动仿真启动仿真设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿真而运转。设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿真而运转。选择选择Simulink菜单下的菜单下的start选项来启动仿真，假设模型中有些参选项来启动仿真，假设模型中有些参数没有定义，那么会出现错误信息提示框。假设一切设置无数没有定义，那么会出现错误信息提示框。假设一切设置无误，那么开场仿真运转。误，那么开场仿真运转。除了直接在除了直接在SIMULINK环境下启动仿真外，还可以在环境下启动仿真外，还可以在MATLAB命令窗口中

13、经过函数进展，格式如下：命令窗口中经过函数进展，格式如下：t,x,y=sim(模型文件名模型文件名,to tf,simset(参数参数1,参数值参数值1,参数参数2,参参数值数值2, )其中其中to为仿真起始时间，为仿真起始时间，tf为仿真终止时间。为仿真终止时间。t,x,y为前往值，为前往值，t为前往的时间向量值，为前往的时间向量值，x为前往的形状值，为前往的形状值，y为前往的输出向为前往的输出向量值。量值。simset定义了仿真参数，包括以下一些主要参数：定义了仿真参数，包括以下一些主要参数：15AbsTol：默许值为：默许值为1e-6设定绝对误差范围。设定绝对误差范围。Decimatio

14、n：默许值为：默许值为1，决议隔多少个点前往形状和输出值。，决议隔多少个点前往形状和输出值。Solver：解法器的选择：解法器的选择MaxRows：默许值为：默许值为0，表示不限制。假设为大于零的值，那么表示限制输，表示不限制。假设为大于零的值，那么表示限制输出和出和 形状的规模，使其最大行数等于该数值。形状的规模，使其最大行数等于该数值。InitialState：一个向量值，用于设定初始形状。：一个向量值，用于设定初始形状。FixedStep：用一个正数表示步阶的大小，仅用于固定步长方式。：用一个正数表示步阶的大小，仅用于固定步长方式。MaxStep：默许值为：默许值为auto。用于变步长方

15、式，表示最大的步阶大小。用于变步长方式，表示最大的步阶大小。假设知道模型文件称号，可以用以下命令得到该模型的仿真参数：假设知道模型文件称号，可以用以下命令得到该模型的仿真参数： simget(模型文件名模型文件名16 Simulink Simulink 建模方法简介建模方法简介思索图中给出的典型非线性反响系统框图，其中控思索图中给出的典型非线性反响系统框图，其中控制器为制器为 PI PI 控制器，其模型为控制器，其模型为: :1718 Simulink 是处理这样问题的最有效的方法，可以用下面的步骤搭建此系统的仿真模型： 翻开模型编辑窗口; 首先翻开一个模型编辑窗口，这可以单击 Simulin

16、k 工具栏中新模型的图标或选择菜单项实现。 复制相关模块; 将相关的模块组中的模块拖动到此窗口中 修正模块参数; 模块衔接; 系统仿真研讨;c5mblk3.mdl195.2.2 5.2.2 仿真算法与控制参数选择仿真算法与控制参数选择 选中 Simulink 模型窗口的 Simulation 菜单项，其中的 Configuration Parameters 菜单项允许用户设置 仿真控制参数。20仿真算法与控制参数选择仿真算法与控制参数选择1、Solver页页此页可以进展的设置有：选择仿真开场和终了的时间；选择此页可以进展的设置有：选择仿真开场和终了的时间；选择解法器，并设定它的参数；解法器，并

17、设定它的参数；仿真时间：留意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只仿真时间：留意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示，比如是计算机仿真中对时间的一种表示，比如10秒的仿真时间秒的仿真时间，假设采样步长定为，假设采样步长定为0.1，那么需求执行，那么需求执行100步，假设把步步，假设把步长减小，那么采样点数添加，那么实践的执行时间就会添长减小，那么采样点数添加，那么实践的执行时间就会添加。普通仿真开场时间设为加。普通仿真开场时间设为0，而终了时间视不同的要素而，而终了时间视不同的要素而选择。总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多选择。总的说来，执行一次仿真要

18、耗费的时间依赖于很多要素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计要素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。算机时钟的速度等等。仿真精度控制有仿真精度控制有 Relative Tolerance 选项、选项、Absolute Tolerance 等，其中相对误差限的默许值设置为等，其中相对误差限的默许值设置为 1e-3，该值，该值在实践仿真中显得偏大，建议选择在实践仿真中显得偏大，建议选择 1e-6 和和 1e-7。值得指出。值得指出的是，由于采用的变步长仿真算法，所以将误差限设置到的是，由于采用的变步长仿真算法，所以将误差限设置到这样小的值也不会添加太大的运算

19、量。这样小的值也不会添加太大的运算量。21仿真算法与控制参数选择仿真算法与控制参数选择1、Solver页页仿真步长方式：用户在仿真步长方式：用户在Type后面的第一个下拉选项框中指定后面的第一个下拉选项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的有仿真的步长选取方式，可供选择的有Variable-step变步变步长和长和Fixed-step固定步长方式。变步长方式可以在仿固定步长方式。变步长方式可以在仿真的过程中改动步长，提供误差控制和过零检测。固定步真的过程中改动步长，提供误差控制和过零检测。固定步长方式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和长方式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和

20、过零检测。过零检测。在仿真时还可以选定最大允许的步长和最小允许的步长，这在仿真时还可以选定最大允许的步长和最小允许的步长，这可以经过填写可以经过填写 Max step size 栏目和栏目和 Min step size 的值来实的值来实现，假设变步长选择的步长超越这个限制那么将弹出警告现，假设变步长选择的步长超越这个限制那么将弹出警告对话框。对话框。用户还可以在用户还可以在solver下拉选项框中选择对应方式下仿真所采用下拉选项框中选择对应方式下仿真所采用的算法。的算法。22 (1)ode45：缺省值，四：缺省值，四/五阶龙格库塔法，适用于大多数延续或离散系统五阶龙格库塔法，适用于大多数延续或

21、离散系统，但不适用于刚性，但不适用于刚性stiff系统。它是单步解法器，也就是，在计算系统。它是单步解法器，也就是，在计算y(tn)时，它仅需求最近处置时辰的结果时，它仅需求最近处置时辰的结果y(tn-1)。普通来说，面对一个仿真问题。普通来说，面对一个仿真问题最好是首先试试最好是首先试试ode45。 (2)ode23：二：二/三阶龙格库塔法，它在误差限要求不高和求解的问题不太三阶龙格库塔法，它在误差限要求不高和求解的问题不太难的情况下，能够会比难的情况下，能够会比ode45更有效。也是一个单步解法器。更有效。也是一个单步解法器。 (3)ode113：是一种阶数可变的解法器，它在误差允许要求严

22、厉的情况下通：是一种阶数可变的解法器，它在误差允许要求严厉的情况下通常比常比ode45有效。有效。ode113是一种多步解法器，也就是在计算当前时辰输出时是一种多步解法器，也就是在计算当前时辰输出时，它需求以前多个时辰的解。，它需求以前多个时辰的解。 (4)ode15s：是一种基于数字微分公式的解法器：是一种基于数字微分公式的解法器NDFs。也是一种多步。也是一种多步解法器。适用于刚性系统，当用户估计要处理的问题是比较困难的，或者解法器。适用于刚性系统，当用户估计要处理的问题是比较困难的，或者不能运用不能运用ode45，或者即使运用效果也不好，就可以用，或者即使运用效果也不好，就可以用ode1

23、5s。变步长方式解法器有：变步长方式解法器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和和discrete。2323(5)ode23s：它是一种单步解法器，专门运用于刚性系统，在弱误差允：它是一种单步解法器，专门运用于刚性系统，在弱误差允许下的效果好于许下的效果好于ode15s。它能处理某些。它能处理某些ode15s所不能有效处理的所不能有效处理的stiff问题。问题。(6)ode23t：是梯形规那么的一种自在插值实现。这种解法器适用于求：是梯形规那么的一种自在插值实现。这种解法器适用于求解适度解适度stiff的问题而用户又需求一个无数字振

24、荡的解法器的情况的问题而用户又需求一个无数字振荡的解法器的情况。(7)ode23tb：是：是TR-BDF2的一种实现，的一种实现， TR-BDF2 是具有两个阶段的是具有两个阶段的隐式龙格库塔公式。隐式龙格库塔公式。(8)discrtet：当：当Simulink检查到模型没有延续形状时运用它。检查到模型没有延续形状时运用它。2424 (1)ode5：缺省值，是：缺省值，是ode45的固定步长版本，适用于大多数延续或的固定步长版本，适用于大多数延续或离散系统，不适用于刚性系统。离散系统，不适用于刚性系统。 (2)ode4：四阶龙格库塔法，具有一定的计算精度。：四阶龙格库塔法，具有一定的计算精度。

25、 (3)ode3：固定步长的二：固定步长的二/三阶龙格库塔法。三阶龙格库塔法。 (4)ode2：改良的欧拉法。：改良的欧拉法。 (5)ode1：欧拉法。：欧拉法。 (6)discrete：是一个实现积分的固定步长解法器，它适宜于离散无：是一个实现积分的固定步长解法器，它适宜于离散无延续形状的系统。延续形状的系统。固定步长方式解法器有：固定步长方式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和和discrete252、Workspace I/O页页主要用来设置主要用来设置SIMULINK与与MATLAB任务空间交换数值的有任务空间交换数值的有关选项。关选项。Load from wo

26、rkspace：选中前面的复选框即可从：选中前面的复选框即可从MATLAB任务空间获取时间和输入变量，普通时间变量定义为任务空间获取时间和输入变量，普通时间变量定义为t，输，输入变量定义为入变量定义为u。 Initial state用来定义从用来定义从MATLAB任务空任务空间获得的形状初始值的变量名。间获得的形状初始值的变量名。Save to workspace：用来设置存往：用来设置存往MATLAB任务空间的变量任务空间的变量类型和变量名，选中变量类型前的复选框使相应的变量有类型和变量名，选中变量类型前的复选框使相应的变量有效。普通存往任务空间的变量包括输出时间向量效。普通存往任务空间的变

27、量包括输出时间向量Time、形状向量、形状向量States和输出变量和输出变量Output。 Final state用来定义将系统稳态值存往任务空间所运用的变量名。用来定义将系统稳态值存往任务空间所运用的变量名。Save option：用来设置存往任务空间的有关选项。：用来设置存往任务空间的有关选项。Limit rows to last用来设定用来设定SIMULINK仿真结果最终可存往仿真结果最终可存往MATLAB任务空间的变量的规模，对于向量而言即其维数任务空间的变量的规模，对于向量而言即其维数，对于矩阵而言即其秩；，对于矩阵而言即其秩；Decimation设定了一个亚采样因设定了一个亚采样

28、因子，它的缺省值为子，它的缺省值为1，也就是对每一个仿真时间点产生值都，也就是对每一个仿真时间点产生值都保管，而假设为保管，而假设为2，那么是每隔一个仿真时辰才保管一个值，那么是每隔一个仿真时辰才保管一个值。Format用来阐明前往数据的格式，包括矩阵用来阐明前往数据的格式，包括矩阵array、构造、构造struct及带时间的构造及带时间的构造struct with time。263、Diagnostics页页此页主要列举了一些常见的事件类型，以及当此页主要列举了一些常见的事件类型，以及当SIMULINK检检查到这些事件时给予的处置。查到这些事件时给予的处置。4、real-time works

29、hop 页页主要用于与主要用于与C言语编辑器的交换，经过它可以直接从言语编辑器的交换，经过它可以直接从SIMULINK模型生成代码，并且自动建立可以在不同环境模型生成代码，并且自动建立可以在不同环境下运转的程序，这些环境包括实时系统和单机仿真。下运转的程序，这些环境包括实时系统和单机仿真。27非线性微分方程的框图求解非线性微分方程的框图求解 方程，其数学方程，其数学表达式为表达式为: :28 这样的微分方程在 Simulink 下也可以搭建相应的仿真模型，从而进展仿真。如以下图所示：c5mrossler.mdl29 这样用下面的语句就可以绘制出各个形状变量的时间呼应曲线，如图30 comet3

30、(yout(:,1),yout(:,2),yout(:,3)假设以x1(t),x2(t),x3(t)分别为三个坐标轴，那么可以绘制出三维形状空间曲线31直流电机拖动系统直流电机拖动系统3232终止仿真时间为333stairs(tout,yout)34Simulink 的数学函数模块组中提供了的数学函数模块组中提供了“逻辑算子逻辑算子Logic operator模块，可以搭建数字逻辑电路模块，可以搭建数字逻辑电路subplot(311),plot(tout,yout(:,1);subplot(312),plot(tout,yout(:,2);subplot(313),plot(tout,yout

31、(:,3);35例例exp6_1.mdl,例例exp6_2.mdl例例exp6_3.mdl36功能模块的根本操作功能模块的根本操作模块库中的模块可以直接用鼠标进展拖曳选中模块模块库中的模块可以直接用鼠标进展拖曳选中模块，按住鼠标左键不放而放到模型窗口中进展处置。，按住鼠标左键不放而放到模型窗口中进展处置。在模型窗口中，选中模块，那么其在模型窗口中，选中模块，那么其4个角会出现黑色个角会出现黑色标志。此时可以对模块进展以下的根本操作。标志。此时可以对模块进展以下的根本操作。挪动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位挪动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。假设要脱离线而挪动，可按

32、住置即可。假设要脱离线而挪动，可按住shift键，再进键，再进展拖曳展拖曳复制：选中模块，然后按住鼠标右键进展拖曳即可复复制：选中模块，然后按住鼠标右键进展拖曳即可复制同样的一个功能模块。制同样的一个功能模块。37删除：选中模块，按删除：选中模块，按Delete键即可。假设要删除多个模块，可以键即可。假设要删除多个模块，可以同时按住同时按住Shift键，再用鼠标选中多个模块，按键，再用鼠标选中多个模块，按Delete键即可。也键即可。也可以用鼠标选取某区域，再按可以用鼠标选取某区域，再按Delete键就可以把该区域中的一切键就可以把该区域中的一切模块和线等全部删除。模块和线等全部删除。转向：为

33、了可以顺序衔接功能模块的输入和输出端，功能模块有转向：为了可以顺序衔接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需求转向。在菜单时需求转向。在菜单Format中选择中选择Flip Block旋转旋转180度，选择度，选择Rotate Block顺时针或逆时针旋转顺时针或逆时针旋转90度。度。改动大小：选中模块，对模块出现的改动大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标志进展拖曳即可。个黑色标志进展拖曳即可。模块命名：先用鼠标在需求更改的称号上单击一下，然后直接更模块命名：先用鼠标在需求更改的称号上单击一下，然后直接更改。称号在功能模块上的位置也可以变换改。称号在功能模块上的位置也可以变换180度，可以用

34、度，可以用Format菜单中的菜单中的Flip Name来实现，也可以直接经过鼠标进展拖曳。来实现，也可以直接经过鼠标进展拖曳。Hide Name可以隐藏模块称号。可以隐藏模块称号。颜色设定颜色设定:Format菜单中的菜单中的 Foreground Color 可以改动模块的前可以改动模块的前景颜色景颜色, Background Color可以改动模块的背景颜色；而模型窗口可以改动模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以经过的颜色可以经过Screen Color来改动。来改动。38参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从

35、而对模块进展参数设定。参数设定窗口包含了该模块的根本功能协而对模块进展参数设定。参数设定窗口包含了该模块的根本功能协助，为获得更详尽的协助，可以点击其上的助，为获得更详尽的协助，可以点击其上的help按钮。经过对模块按钮。经过对模块的参数设定，就可以获得需求的功能模块。的参数设定，就可以获得需求的功能模块。属性设定：选中模块，翻开属性设定：选中模块，翻开Edit菜单的菜单的Block Properties可以对模块可以对模块进展属性设定。包括进展属性设定。包括Description属性、属性、 Priority优先级属性、优先级属性、Tag属属性。性。模块的输入输出信号：模块处置的信号包括标量信号和向量信号；模块的输入输出信号：模块处置的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一种单一信号，而向量信号为复合信号，是多个信号的标量信号是一种单一信号，而向量信号为复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。缺省情况下，大多数模块集合，它对应着系统中几条连线的合成。缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输入信号，模块都具有一种的输出都为标量信号，对于输入信号，模块都具有一种“智能的识智能的识别功能，能自动进展匹配。某些模块经过对参数的设定，可以使模别功能，能自动进展匹配。某些模块经过