MATLAB课件第五章20140416

1、第五章第五章动态系统集成环境动态系统集成环境simulink的应用的应用Simulink概述概述Simulink模块库模块库Simulink仿真举例仿真举例子系统创建与封装子系统创建与封装Simulink概述概述 nSimulinkSimulink是各种工具箱中比较特别的，一般工是各种工具箱中比较特别的，一般工具箱都是把面向某一类的程序包集中起来，其具箱都是把面向某一类的程序包集中起来，其中的程序都是用语言来编写的，这些工具箱是中的程序都是用语言来编写的，这些工具箱是MATLABMATLAB在量的扩展，而在量的扩展，而simulinksimulink是一个完整的是一个完整的仿真环境和图形界面，

2、在这个环境中，我们只仿真环境和图形界面，在这个环境中，我们只需要用鼠标和键盘，就可以完成面向系统仿真需要用鼠标和键盘，就可以完成面向系统仿真的全部过程，并且能够更加直观、快速、准确的全部过程，并且能够更加直观、快速、准确的达到仿真的目标。的达到仿真的目标。 SimuLink仿真的特点仿真的特点用方框图的绘制代替程序的编写用方框图的绘制代替程序的编写输入输出信号来源的多样性输入输出信号来源的多样性仿真的建立和运行是智能化的仿真的建立和运行是智能化的Simulink动态仿真步骤动态仿真步骤n利用利用Simulink进行系统仿真的步骤是：进行系统仿真的步骤是：启动启动Simulink，打开，打开Si

3、mulink模块库模块库打开空白模型窗口；打开空白模型窗口；建立建立Smulink仿真模型；仿真模型；设置仿真参数，进行仿真；设置仿真参数，进行仿真；输出仿真结果。输出仿真结果。熟悉熟悉SimuLink模型窗口模型窗口Flie 用于对模型的处理，如读入、保存，打印等。用于对模型的处理，如读入、保存，打印等。Edit 用于对模块的处理，如复制、粘贴、删除等。用于对模块的处理，如复制、粘贴、删除等。View定制仿真模型窗口外观定制仿真模型窗口外观Simulation 模型仿真时参数设置，如仿真时间，方法等。模型仿真时参数设置，如仿真时间，方法等。Format 对模块外观的处理，如颜色，方向、标注等

4、。对模块外观的处理，如颜色，方向、标注等。任务任务操作方法操作方法选择一个模块选择一个模块按鼠标左键按鼠标左键选择多个模块选择多个模块Shift+鼠标左键鼠标左键从另一个窗口复制模块从另一个窗口复制模块按鼠标左键按鼠标左键+拖动模块拖动模块移动模块移动模块按鼠标左键按鼠标左键+拖动模块拖动模块复制模块复制模块CTRL+鼠标左键，拖动模块鼠标左键，拖动模块在模块间联线在模块间联线鼠标左键鼠标左键断开模块间连接断开模块间连接Shift+ 拖动模块拖动模块Simulink Block LibraryCopyright (c) 1990-97 by The MathWorks, Inc.Sources

5、SinksNonlinearLinearDiscreteDemosInOutConnectionsBlocksets & Toolboxes鼠标和键盘操作总览（对模块的操作）鼠标和键盘操作总览（对模块的操作）任务任务操作方法操作方法选择一条直线选择一条直线按鼠标左键按鼠标左键选择多条直线选择多条直线Shift+鼠标左键鼠标左键画分支直线画分支直线Ctrl+鼠标左键鼠标左键,或鼠标右键或鼠标右键移动直线移动直线拖动直线段拖动直线段移动顶点移动顶点拖动顶点拖动顶点鼠标和键盘操作总览（对直线进行操作）鼠标和键盘操作总览（对直线进行操作）模块库简介模块库简介Source 包含产生信号的模块包含

6、产生信号的模块Sinks 包含用于显示或者写数据的模块包含用于显示或者写数据的模块Discrete 包含描述离散时间系统组件的模块包含描述离散时间系统组件的模块Continuous 包含描述连续时间系统组件的模块包含描述连续时间系统组件的模块Nonlinear 包含常用的非线性模块包含常用的非线性模块Math 包含数学函数的模块包含数学函数的模块Functions &Tables 包含通用函数和查询表的模块包含通用函数和查询表的模块Signal & Systems 包含信号与系统模块包含信号与系统模块Sources 库库模块名模块名Band limit white noiseC

7、hirp signalClockConstantDigital clockDigital pulse generatorFrom fileFrom workspacePulse generatorRampRandom numberRepeating sequenceSignal generatorSine wavestepUniform random number功能功能将白噪声引入连续系统将白噪声引入连续系统生成频率增加的正弦信号生成频率增加的正弦信号显示或提供仿真时间显示或提供仿真时间产生一个常数值产生一个常数值按指定的时间间隔产生采样时间按指定的时间间隔产生采样时间产生固定间隔的脉冲波型

8、产生固定间隔的脉冲波型从文件中读取数据从文件中读取数据从工作空间读取数据从工作空间读取数据脉冲波型脉冲波型斜坡输入斜坡输入产生正态分布的随机数产生正态分布的随机数产生重复的信号产生重复的信号通用信号发生器通用信号发生器产生正弦信号产生正弦信号产生阶跃输入产生阶跃输入产生均匀分布的随机数产生均匀分布的随机数Sinks库库模块名模块名DisplayScopeStop simulationTo fileTo workspaceXY graph功能功能以数字方式显示以数字方式显示示波器示波器停止仿真停止仿真输出到文件输出到文件输出到工作空间输出到工作空间显示显示X-YX-Y图图Discrete 库库模

9、块名模块名Discrete filterDiscrete state-spaceDiscrete-time integratorDiscrete transfer fcnDiscrete zero-pole fcnFirst-order holdUnit delayZero-order hold功能功能离散滤波器形式离散滤波器形式离散状态空间模型离散状态空间模型离散积分器离散积分器离散传递函数离散传递函数离散传递函数（零极点离散传递函数（零极点形式）形式）一阶保持器一阶保持器单位延迟单位延迟零阶保持器零阶保持器Continuous 库库模块名模块名DerivativeIntegratorMem

10、oryState-spaceTransfer fcnTransport delayVariable transport delayZero-pole功能功能对输入信号进行微分对输入信号进行微分对输入信号进行积分对输入信号进行积分对输入信号的延时一步对输入信号的延时一步系统的状态空间模型系统的状态空间模型系统的传递函数模型系统的传递函数模型将输入信号延时一定的时间将输入信号延时一定的时间将输入信号延时可变的时间将输入信号延时可变的时间传递函数（零极点形式）传递函数（零极点形式）Math 库库模块名模块名AbsAlgebraic constraintCombinatorial logicCompl

11、ex to Magnitude-angleComplex to real-imagDerivativeDot productGainLogic operatorMagnitude-angle to Complex功能功能输入信号的绝对值输入信号的绝对值将输入信号约束为零将输入信号约束为零实现一个真值表实现一个真值表输出一个复数的模和相角输出一个复数的模和相角输出一个复数的实部和虚部输出一个复数的实部和虚部输入信号的时间微分输入信号的时间微分进行点积进行点积输入信号的增益输入信号的增益对输入信号实施逻辑操作对输入信号实施逻辑操作将模和相角转变为一个复数将模和相角转变为一个复数Functions

12、& Tables库库模块名模块名FcnLook-Up TableLook-Up Table (2-D)MATLAB FcnS-function功能功能引用一个一般的表达式引用一个一般的表达式一维表格函数一维表格函数二维表格函数二维表格函数引用引用MATLABMATLAB函数或表达式函数或表达式访问访问S-S-函数函数 Sinks 库库 ：示波器。显示在仿真过程产生的信号波形。双击该图标：示波器。显示在仿真过程产生的信号波形。双击该图标,弹出示波器窗如右图所示：弹出示波器窗如右图所示：分别管理X-Y、X和Y轴向变焦取当前窗中信号最大、最小值为纵坐标的上下限把当前轴的设置保存为该示波器的缺

13、省设置打开示波器属性对话框设置为浮动示波器 Sinks 库库示波器属性对话框示波器属性对话框设置Y轴个数设置显示的时间范围选择轴的标注方法确定显示频度(每隔n-1个数 据 点 显 示 一 次 )确定显示点的时间间隔(缺省 为 0 表 示 连 续 显 示 )示波器属性对话框General页示波器应用示例。示波器应用示例。Simulink仿真模型如左图所示，示波器输入为仿真模型如左图所示，示波器输入为3（Y轴个数为轴个数为3）。右图为该示波器显示的三路输入信号的波形）。右图为该示波器显示的三路输入信号的波形. Signals & Systems 库库 ：信号分路器：信号分路器 。 将混路器

14、输出的信号依照原来的构成方法分解将混路器输出的信号依照原来的构成方法分解成多路信号。成多路信号。 ：信号汇总器：信号汇总器 将多路信号依照向量的形式混合成一路信号。将多路信号依照向量的形式混合成一路信号。 (a)(b) Simulink仿真参数对话框仿真参数对话框 Simulation/Parameters Solver页页Simulation time（仿真时（仿真时间）间）: 设置设置Start time（仿真（仿真开始时间）和开始时间）和Stop time（仿（仿真终止时间）可通过页内编真终止时间）可通过页内编辑框内输入相应数值，单位辑框内输入相应数值，单位“秒秒”。另外，用户还可以。另

15、外，用户还可以利用利用Sinks库中的库中的Stop模块模块来强行中止仿真。来强行中止仿真。 Solver页页Solver options（仿真算法选择）（仿真算法选择）: 分为定步长算法和变步长算法两分为定步长算法和变步长算法两类。定步长支持的算法可在类。定步长支持的算法可在Fixed step size编辑框中指定步长或选择编辑框中指定步长或选择auto，由计算机自动确定步长，离散系统一般默认地选择定步长算，由计算机自动确定步长，离散系统一般默认地选择定步长算法，在实时控制中则必须选用定步长算法；变步长支持的算法如图法，在实时控制中则必须选用定步长算法；变步长支持的算法如图9-16所示，对

16、于连续系统仿真一般选择所示，对于连续系统仿真一般选择ode45，步长范围使用，步长范围使用auto项。项。 定步长算法变步长算法 Solver页页Error Tolerance（误差限度）：（误差限度）： 算法的误差是指当前状态值与当前算法的误差是指当前状态值与当前状态估计值的差值，分为状态估计值的差值，分为Relative tolerance（相对限度）和（相对限度）和Absolute tolerance（绝对限度），通常可选（绝对限度），通常可选auto。 Output options(输出选择项输出选择项)：有有Refine output(细化输出）、细化输出）、Produce addi

17、tional output（产生附加输出）、（产生附加输出）、Produce specified output only（只产生（只产生指定输出）。指定输出）。 Workspace I/O页页 这个页面的作用是定义将仿真结果输出到工作空间，以及从工作空间得到输这个页面的作用是定义将仿真结果输出到工作空间，以及从工作空间得到输入和初始状态。入和初始状态。Load from workspace：勾选相勾选相应方框表明从工作空间获得输入应方框表明从工作空间获得输入或初始状态。或初始状态。 若勾选若勾选Input，则，则工作空间提供输入，且为矩阵形工作空间提供输入，且为矩阵形式。输入矩阵的第一列必须是

18、升式。输入矩阵的第一列必须是升序的时间向量，其余列分别对应序的时间向量，其余列分别对应不同的输入信号。不同的输入信号。t=(0:0.1:10);u=cos(t),sin(t);如在指令窗中输入：且在模型窗中的模型为：Workspace I/O页页 这个页面的作用是定义将仿真结果输出到工作空间，以及从工作空间得到输这个页面的作用是定义将仿真结果输出到工作空间，以及从工作空间得到输入和初始状态。入和初始状态。Save to workspace：勾选相应方勾选相应方框表明保存输出到框表明保存输出到MATLAB工工作空间。作空间。 time 和和 output 为缺省为缺省选中的。即一般运行一个仿真模

19、选中的。即一般运行一个仿真模型后，在型后，在MATLAB 工作空间都工作空间都会增加两个变量会增加两个变量tout、yout。变。变量名可以设置。量名可以设置。Save options（存储选项）：存（存储选项）：存储数据到工作空间的格式，可选储数据到工作空间的格式，可选数组、构架数组、包含时间数据数组、构架数组、包含时间数据的构架数组。的构架数组。MATLAB Fcn 模块应用举例模块应用举例建立一个如图所示的模型。双击建立一个如图所示的模型。双击MATLAB Fcn模块，将它的参数设置为模块，将它的参数设置为 MATLAB function=ta，Output width=2在在MATLA

20、B建立一个名为建立一个名为ta的的M文件文件 function y=ta(u) y(1)=u(2)+sin(5*u(1); y(2)=u(2)+cos(u(1);ScopeRampMATLABFunctionMATLAB FcnClock模拟方程模拟方程（1）代数方程）代数方程 Tf=(9/5)Tc+32 （摄氏温度转换为华氏温度）（摄氏温度转换为华氏温度）所需要的模块所需要的模块 Ramp模块，产生温度信号模块，产生温度信号 （Source库）库） Constant模块，产生一个常数模块，产生一个常数32 （Source库）库） Gain模块，将输入信号乘模块，将输入信号乘9/5 （Math

21、库）库） Sum模块，把两个量相加模块，把两个量相加 （Math库）库） Scope模块，显示输出结果模块，显示输出结果 （Sink库）库）ScopeRamp9/5Gain32Constant模拟模拟 Tf=(9/5)Tc+32 方程的方程的SimuLink模型模型Sine WaveScopes1Integrator-2Gain1（2）模拟微分方程）模拟微分方程 dx(t)/dt=-2x(t)+sin(t)例例1：利用利用simulink对以下系统进行仿真对以下系统进行仿真 其中其中u(t)为系统输入，为系统输入，y(t)为系统输出，当输入为正弦信号时，观为系统输出，当输入为正弦信号时，观测输

22、出信号的变化。测输出信号的变化。30)(830)(2)(ttuttuty方法二：用方法二：用M文件实现文件实现 cleart=linspace(0,50,1000);for i=1:1000 switch t(i)=30 case 1 y(i)=2*sin(t(i); case 0 y(i)=8*sin(t(i); endendplot(t,y)例例2 2：分别利用传递函数模块与：分别利用传递函数模块与simulinksimulink积分模块求解二阶微分积分模块求解二阶微分方程方程 其中其中u(tu(t) )为单位阶跃函数。为单位阶跃函数。解解1：对方程两边进行：对方程两边进行laplace变

23、换得到变换得到因此，此微分方程可以用以下模型求解：因此，此微分方程可以用以下模型求解：) (2 . 04 . 02 . 0tuxxx 4 . 02 . 02 . 0)()()()(2 . 0)(4 . 0)(2 . 0)(22ssSUSXSHSUSXSsXSXs解解2 2：改写微分方程为：改写微分方程为xxtux4 . 02 . 0)(2 . 0 利用利用MATLAB菜单方式仿真菜单方式仿真在在Matlab命令窗口下可直接运行一个已存在的命令窗口下可直接运行一个已存在的Simulink模型：模型：n t,x,y=sim(model,timespan,option,ut)其中，其中，t为返回的仿

24、真时间向量；为返回的仿真时间向量； x为返回的状态矩阵；为返回的状态矩阵； y为返回的输出矩阵；为返回的输出矩阵； model为系统为系统Simulink模型文件名；模型文件名； timespan为仿真时间；为仿真时间； option为仿真参数选择项，由为仿真参数选择项，由simset设置；设置； ut为选择外部产生输入为选择外部产生输入,ut=T,u1,u2,un。n说明说明n上述参数中，若省略上述参数中，若省略timespan,option,ut则由框图模型的对话则由框图模型的对话框框Simulation Parameters设置仿真参数。设置仿真参数。子系统的创建与封装子系统的创建与封装

25、n在建立的在建立的Simulink系统模型比较大或很复杂时，系统模型比较大或很复杂时，可将一些模块组合成子系统，这样可使可将一些模块组合成子系统，这样可使模型得到简化，便于连线；模型得到简化，便于连线；可提高效率，便于调试；可提高效率，便于调试；可生成层次化的模型图表，用户可采可生成层次化的模型图表，用户可采取自上而下或自下而上的设计方法。取自上而下或自下而上的设计方法。n将一个创建好的子系统进行封装，也就是使子将一个创建好的子系统进行封装，也就是使子系统象一个模块一样，例如可以有自己的参数系统象一个模块一样，例如可以有自己的参数设置对话框，自己的模块图标等。这样就使子设置对话框，自己的模块图

26、标等。这样就使子系统使用起来非常方便。系统使用起来非常方便。 PID控制器模块控制器模块 kp+ki/s+kds SignalGeneratorScope1sIntegratorKdGain2KiGain1KpGaindu/dtDerivative条件子系统条件子系统 使能子系统n该子系统当使能端控制信号为正时，系统处于“允许”状态，否则为“禁止”状态。“使能”控制信号可以为标量，也可以为向量。当为标量信号时，只要该信号大于零，子系统就开始执行；当为向量信号时，只要其中一个信号大于零，也“使能”子系统。【例】积分分离式PID控制器。这种PID控制器可以让控制器中的积分项在系统响应进入稳态时投入

27、运行，以提高稳态精度；而在系统响应处于瞬态过程时，将积分项断开以改善系统动态响应质量。积分分离式PID控制器建立如图所示： 使能模块的控制信号为使能模块的控制信号为delta与与abs(e)的差值。的差值。delta为一很小的正数，为一很小的正数，当偏差当偏差e的绝对值小于的绝对值小于delta时，控制器的积分项才投入使用，从而实现时，控制器的积分项才投入使用，从而实现了控制器中的积分项的分离控制。了控制器中的积分项的分离控制。条件子系统条件子系统 触发子系统触发子系统n触发子系统只在触发事件发生的时刻执行。所谓触发事触发子系统只在触发事件发生的时刻执行。所谓触发事件也就是触发子系统的控制信号

28、，一个触发子系统只能件也就是触发子系统的控制信号，一个触发子系统只能有一个控制信号，在有一个控制信号，在Simulink中称之为触发输入。中称之为触发输入。(a) 触发子系统模块(b) 触发子系统模型n触发事件有触发事件有4种类型，即上升沿触发、下降沿触发、跳变种类型，即上升沿触发、下降沿触发、跳变触发和回调函数触发。双击触发子系统中的触发器模块触发和回调函数触发。双击触发子系统中的触发器模块（Trigger），在弹出的对话框中可选择触发类型。），在弹出的对话框中可选择触发类型。 触发子系统应用示例。触发器设为下降沿触发，正弦输入经触发控制后，触发子系统应用示例。触发器设为下降沿触发，正弦输入经触发控制后，成为阶梯波，如图所示。成为阶梯波，如图所示。系统仅在脉冲信号系统仅在脉冲信号的下降沿导通，并的下降沿导通，并保持导通时刻的输保持导通时刻的输入值至