MATLAB8章 Simulink

1、第八章 Simulink仿真8.1.1 SIMULINK起源起源 1990年，Math Works软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了。但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名为。 从它的名字可以看出，该系统的两个主要功能：， Simu表明它可以用于计算机仿真，而Link表明它能进行系统连接，即把一系列的模块连接起来，构成复杂的。正是由于这两大功能和特色，使得它成为仿真领域首选的计算机环境。SIMULINK起源：起源： 在SIMULINK出现以前，

2、仿真一个给定框图的连续系统是件很复杂的事情。当时仿真的方法多是采用手工编程的方式，需要大量的编程工作，而且，对复杂的问题还容易出错。 SIMULINK采用基于Windows的，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到，而非语言的编程上。 所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些，用户只需要知道这些模块的，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的（以文件进行存取），进而进行仿真与分析。用户不须专门掌握一种程序设计语言。8.1.2 Simulink 的特点的特点:1.Simulink是一个动态仿真系统，用于对动态系统进行仿真和分析，预先模拟

3、实际系统的特性和响应，根据设计和使用要求，对系统进行修改和优化。2.Simulink可将系统分为从高级到低级的几个层次，每层又可以细分为几个部分，每层系统构建完成后，将各层连接起来构成一个完整系统。3.模型创建完成后，可以启动系统的仿真功能分析系统的动态特性，其内置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等。仿真结果可以以图形方式在示波器窗口显示，也可将输出结果以变量形式保存起来，并输入到MATLAB中以完成进一步的分析。4.Simulink可以仿真线性和非线性系统，并能创建连续时间、离散时间或二者混合的系统。支持多采样频率系统。5.Simulink的三大步骤：的三大步骤：模型创建与

4、定义、模型的分析、模型的修正。8.1.3 Simulink工作特点工作特点8.1.4 SIMULINK应用应用 8.2 1. 数学类型分类现实中每个系统都有输入、输出和状态3个基本要素，以及它们之间随时间变化的数学函数关系，即数学模型 图形化模型也体现了输入、输出和状态间随时间变化的某种关系，如下图所示。 只要这两种关系在数学上是等价的，那么就可以图形化模型代替数学模型.3. Simulink仿真系统： (1) 输入模块：即信号源模块，包括常数字信号源和用 户自定义信号； (2) 状态模块：即被模拟的系统模块，是系统建模的核心和主要部分；(3) 输出模块：即信号显示模块，它能够以图形方式、文件

5、格式进行显示。注意：在设计一个模型时，必须先确定这三个部分的意，以及它们之间的联系；Simulink的仿真模型并非一定要完全包括这三个部分，它可以缺少其中一个或者两个； Simulink的状态模块可以是连续的、离散的，或者它们二者的结合。输入(Input)、状态(states)和输出(Output)三个部分。 在MATLAB菜单上选择【File】|【New】|【Model】选项。 在MATLAB的命令窗口直接键入命令Simulink； 用鼠标左键单击MATLAB工具条上的按钮； 8.3.1. Simulink启动和浏览器窗口8.3 SIMULINK的模块库 1. 启动3种方式：2. Simul

6、ink模块库浏览器窗口（simulink library browser）：标题菜单工具栏库目录树搜索栏库的子目录功能分类的各种模块 MATLAB菜单上选择【File】|【New】| 【Model】选项的新建模型窗口。 3. 新建模型窗口8.3.2 SIMULINK的模块库介绍 常见的库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）不同版本的Simulink有些模块

7、可能不同！1. 连续模块（Continuous）continuous.mdl 积分器（ Integrator ）：连续动态系统最常用的元件，该模块将输入端信号经过数值积分，在输出端直接反映出来。 数值微分器（Derivative）：该模块的作用是将其输入端的信号经过一阶数值微分，在输出端输出出来。 线性系统的状态方程（State-Space）-是线性系统的一种时域描述，用于实现以下数学方程描述的系统,系统的状态方程数学表示为：xAxBuyCxDu1.连续模块（Continuous）continuous.mdl 传递函数（Transfer Fun）：传递函数是频域下常用的描述线性微分方程的一种方

8、法，通过引入Laplace变换可以将原来的线性微分方程在零初始条件下变换成“代数”的形式，从而以多项式的比值形式描述系统。 零极点传递函数模块(Zero-Pole)：用于建立一个预先指定的零点、极点，并用延迟算子s表示的连续。 存储器模块(Memory)：保持输出前一步的输入值。 传输延迟模块(Transport Delay)：用于将输入端的信号延迟指定的时间后再传输给输出信号。 可变传输延迟模块(Variable Transport Delay)：用于将输入端的信号进行可变时间的延迟。2 离散模块（Discrete） discrete.mdl Discrete-time Integrator

9、：离散时间积分器 Discrete Filter：IIR与FIR滤波器 Discrete State-Space：离散状态空间系统模型 Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型 Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型 First-Order Hold：一阶采样和保持器 Zero-Order Hold：零阶采样和保持器 Unit Delay：一个采样周期的延时 函数与表格模块库(Function & Table)主要实现各种一维、二维或者更高维函数的查表，另外用户还可以根据自己需要创建更复杂的函数。该模块库包括多个主要模块。3 函数与表格

10、模块库(Function & Table)1. 一维查表模块(Look-Up Table) 一维查表模块(Look-Up Table)实现对单路输入信号的查表和线性插值。2二维查表模块(Look-Up Table 2-D)功能：根据给定的二维平面网格上的高度值，把输入的两个变量经过查表、插值，计算出模块的输出值，并返回这个值。说明：对二维输入信号进行分段线性变换。3自定义函数模块(Fcn)功能：用于将输入信号进行指定的函数运算，最后计算出模块的输出值。说明：输入的数学表达式应符合C语言编程规范；与MATLAB中的表达式有所不同，不能完成矩阵运算。4MATLAB函数模块(MATLAB F

11、cn)功能：对输入信号进行MATLAB函数及表达式的处理。说明：模块为单输入模块；能够完成矩阵运算。注意：从运算速度角度，Math function模块要比Fcn模块慢。当需要提高速度时，可以考虑采用Fcn 或者S函数模块。5S-函数模块(S-Function)功能：按照Simulink标准，编写用户自己的Simulink函数。它能够将MATLAB语句、C语言等编写的函数放在Simulink模块中运行，最后计算模块的输出值。4. 数学模块（ Math ） Sum：加减运算 Product：乘运算 Dot Product：点乘运算 Gain：比例运算 Math Function：包括指数函数、对

12、数函数、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 MinMax：最值运算 Abs：取绝对值 Sign：符号函数 非线性模块(Nonlinear)中包括一些常用的非线性模块：5非线性模块(Nonlinear)非线性模块（ Nonlinear ） Saturation：饱和输出，让输出超过某一值时能够饱和。 Relay：滞环比较器，限制输出值在某一范围内变化。 Coulomb与粘性摩擦(Coulomb & Viscous Friction） 磁滞回环模块（Backlash) 此模块中定义了很多分段线性的静态非线性模块，如死

13、区非线性(Dead Zone)、饱和非线性（Saturation)、量化模块(quantizer)、继电模块（Relay）、变化率限幅模块（Rate Limiter)等。6. 信号和系统模块 Signal&Systems sigsys.mdl Mux：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。1. Bus 信号选择模块(Bus Selector)功能：用于得到从Mux模块或其它模块引入的Bus信号。2. 混路器模块(Mux)功能：把多路信号组成一个矢量信号或者Bus信号。3.分路器模块(Demux)功能：把混路器组成的信号按照原来的构成方法分解成

14、多路信号。4. 信号合成模块(Merge)功能：把多路信号进行合成一个单一的信号。5. 接收/传输信号模块(From/Goto)功能：接收/传输信号模块(From/Goto)常常配合使用， From模块用于从一个Goto模块中接收一个输入信号，Goto模块用于把输入信号传递给From模块。6初始值设定模块(IC)功能：初始值设定模块(IC)用于设定与输出端口连接的模块的初始值。7. 接收器模块（ Sinks ） sinks.mdl Scope：示波器。 XY Graph：显示二维图形。 To Workspace：将输出写入MATLAB的工作空间。 To File(.mat)：将输出写入数据文件

15、。 Display:直接在Simulink中显示数据。1. 示波器模块(Scope)功能：显示在仿真过程中产生的输出信号，用于在示波器中显示输入信号与仿真时间的关系曲线，仿真时间为x轴。2. 二维信号显示模块(XY Graph)功能：在MATLAB的图形窗口中显示一个二维信号图，并将两路信号分别作为示波器坐标的x轴与y 轴，同时把它们之间的关系图形显示出来。3. 显示模块(Display)功能：按照一定的格式显示输入信号的值。可供选择的输出格式包括：short、long、short_e、long_e、bank等。4. 输出到文件模块(To File)功能：按照矩阵的形式把输入信号保存到一个指定

16、的MAT文件。第一行为仿真时间，余下的行则是输入数据，一个数据点是输入矢量的一个分量。5. 输出到工作空间模块(To Workspace)功能：把信号保存到MATLAB的当前工作空间，是另一种输出方式。6. 终止信号模块(Terminator)功能：中断一个未连接的信号输出端口。7. 结束仿真模块(Stop simulation)功能：停止仿真过程。当输入为非零时，停止系统仿真。8. 输入源模块（ Sources ） sources.mdlConstant：常数信号。Clock：时钟信号。From Workspace：来自MATLAB的工作空间。From File(.mat)：来自数据文件。P

17、ulse Generator：脉冲发生器。Repeating Sequence：重复信号。Signal Generator：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿波及随意波。Sine Wave：正弦波信号。Step：阶跃波信号。信号源模块库(Sources)包括的主要模块：图7.13 信号源模块库1输入常数模块(Constant)功能：产生一个常数。该常数可以是实数，也可以是复数。2信号源发生器模块(Signal Generator)功能：产生不同的信号，其中包括：正弦波、方波、锯齿波信号。3从文件读取信号模块(From File)功能：从一个MAT文件中读取信号，读取的信号为一个矩阵，其矩阵的

18、格式与To File模块中介绍的矩阵格式相同。如果矩阵在同一采样时间有两个或者更多的列，则数据点的输出应该是首次出现的列。4从工作空间读取信号模块(From Workspace)功能：从MATLAB工作空间读取信号作为当前的输入信号。5随机数模块(Random Number)功能：产生正态分布的随机数，默认的随机数是期望为0，方差为1的标准正态分布量。6带宽限制白噪声模块(Band Limited White Noise)功能：实现对连续或者混杂系统的白噪声输入。7其它模块 除以上介绍的常用模块外，还包括其模块。各模块功能可通过以下方法查看：先进入Simulink工作窗口，在菜单中执行Help

19、/Simulink Help命令，这时就会弹出Help界面。然后用鼠标展开Using SimulinkBlock ReferenceSimulink BlockLibraries就可以看到Simulink的所有模块。查看相应的模块的使用方法和说明信息即可。 8.4 SIMULINK简单模型的建立 简单模型的建立（1）建立模型窗口（2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口（3）对模块进行连接，从而构成需要的系统模型 模型的特点在SIMULINK里提供了许多如Scope的接收器模块，这使得用SIMULNK进行仿真具有像做实验一般的图形化显示效果。SIMULINK的模型具有层次性，通过底层子系统可以

20、构建上层母系统。SIMULINK提供了对子系统进行封装的功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。构建构建Simulink框图框图(1) 使用鼠标左键单击系统模块库，如果模块库为多层结构，则单击“+”号载入库。(2) 使用鼠标右键单击系统模块库，在单独的窗口打开库。(3) 使用鼠标左键单击系统模块，在模块描述栏中显示此。(4) 使用鼠标右键单击系统模块，可以得到系统模块的，将系统模块插入到系统模型中，查看系统模块的，以及回到系统模块的上一层库。Simulink库浏览器的基本操作： 这里用一个非常简单的例子介绍如何建立动态系统模型。此简单系统的输入为一个正弦波信号，输出为此正弦波信号与一

21、个常数的乘积。要求建立系统模型，并以图形方式输出系统运算结果。已知系统的数学描述为:模块选择 系统输入模块库Sources中的Sine Wave模块：产生一个正弦波信号。 数学库Math中的Gain模块：将信号乘上一个常数（即信号增益）。 系统输出库Sinks中的Scope模块：图形方式显示结果。 建立此简单系统的建立此简单系统的模型需要系统模块：模型需要系统模块：选择相应的系统模块并将其拷贝（或拖动）到新建的系统模型中。 （均在（均在Simulink公共模块库中）公共模块库中）在选择构建系统模型所需的所有模块后，需要按照系统的信号流程将各系统模块正确连接起来。(1) 将光标指向起始块的输出端

22、口，此时光标变成“+”。(2) 单击鼠标左键并拖动到目标模块的输入端口，在接近到一定程度时光标变成双十字。这时松开鼠标键，连接完成。完成后在连接点处出现一个箭头，表示系统中信号的流向。连接系统模块的步骤：1. 模块的复制如果需要几个同样的模块，可以使用鼠标右键单击并拖动某个块进行拷贝。也可以在选中所需的模块后，使用Edit菜单上的Copy 和Paste 或使用热键Ctrl+C和Ctrl+V完成同样的功能.系统模块进行操作的基本技巧，掌握它们可使建立动态系统模型变得更为方便快捷。如果用户需要在信号连线上插入一个模块，只需将这个模块移到线上就可以自动连接。注意这个功能只支持单输入单输出模块。对于其

23、他的模块，只能先删除连线，放置块，然后再重新连线。信号连线分支操作方式：使用鼠标右键单击需要分支的信号连线（光标变成“+”），然后拖动到目标模块。按下Shift键的同时，在信号连线上单击鼠标左键并拖动，可以生成新的节点生成新的节点。使用鼠标左键单击并拖动以改变信号连线的路径 在利用Simulink进行系统仿真时，在很多情况下，需要将系统中某些模块的输出信号（一般为标量）组合成一个向量信号，并将得到的信号作为另外一个模块的输入。当用户按照信号的输入输出关系连接各系统模块之后，系统模型的创建工作便已结束。为了对动态系统进行正确的仿真与分析，必须设置正确的系统模块参数与系统仿真参数。(1) 双击系统

24、模块，打开系统模块的参数设置对话框。(2) 在参数设置对话框中设置合适的模块参数。在对系统模型中各个模块进行正确且合适的参数设置之后，需要对系统仿真参数进行必要的设置以开始仿真。在缺省情况下，Simulink默认的仿真起始时间为0s，仿真结束时间为10 s。对于此简单系统，当时间大于25时系统输出才开始转换，因此需要设置合适的仿真时间。设置仿真时间的方法为：选择菜单Simulation中的Simulation Parameters（或使用快捷键Ctrl+E），打开仿真参数设置对话框，在Solver选项卡中设置系统仿真时间区间。设置系统仿真起始时间为0 s、结束时间为100 s，当对系统中各模块

25、参数以及系统仿真参数进行正确设置之后，单击系统模型编辑器上的Play图标（黑色三角）或选择Simulation菜单下的便可以对系统进行。仿真结束后双击模块以显示系统仿真的。在Simulink系统模型编辑器中，可以对系统模型的视图进行调整以便更好地观察系统模型。1. 框图的视图调整 使用View菜单控制模型在视图区的显示，用户可以对模型视图进行任意缩放。 使用系统热键R（放大）或V（缩小）。 按空格键可以使系统模型充满整个视图窗口。一般对于简单的系统，可以采用Simulink的自动命名；在这简单动态系统中，正弦信号模块名称为Sine Wave；对于系统模型中相同的模块，Simulink会自动对其

26、进行编号。对于复杂系统，给每个模块取一个具有明显意义的名称，非常有利于系统模型的理解与维护。 模块命名：使用鼠标左键单击模块名称，进入编辑状态，然后键入新的名称。 名称移动：使用鼠标左键单击模块名称并拖动到模块的另一侧，或选择Format菜单中的Flip Name翻转模块名称。 名称隐藏：选择Format菜单中的Hide Name隐藏系统模块名称。注意，系统模型中模块的名称应当是唯一的，否则Simulink会给出警告并自动改变名称。Simulink允许用户对模块的几何尺寸进行修改，以改善系统模型框图的界面。例如，对于具有多个输入端口的模块，需要调整其大小使其能够较好地容纳多个信号连线，而非采用模块的默认大小；另外，对于某些系统模块，当模块的尺寸足够大时，模块的参数将直接显示在模块上面，这非常有利于用户对模型的理解。 使用鼠标右键单击模块，选择Foreground color或Background color菜单来设置颜色； 或使用模型编辑器中Format菜