控制系统CAD第2章-仿真工具Simulink简介课件

1、预先对系统进行仿真与分析，做适当的实时修改，达到仿真的最佳效果Simulink主要功能实现动态系统建模、仿真与分析提高开发系统的效率调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能2.3.1 Simulink界面打开Simulink库浏览器通用用户模块组连续系统模块组非连续系统模块组离散系统模块组逻辑和位操作模块组查表模块组数学运算模块组模型检测模块组模块库功能说明模块库功能说明模型扩充模块组端口和子系统模块组非连续系统模块组信号线路模块组输出模块组信号源模块组用户自定义模块组附加数学与离散模块组分别介绍各类基本模块的功能信号源模块组输出模块组连续系统模块组离散系统模块组数学运算模块组查表模块组非连

2、续系统模块组信号线路模块组端口与子系统模块组逻辑与位操作模块组模型检测模块组模型扩充模块组信号属性模块组用户自定义函数模块组带宽限幅白噪声频率递增正弦波仿真时间常数无限计数器有限计数器在规定的采样间隔产生仿真时间来源为数据文件来源为MATLAB的工作空间接地端口输入信号端口 信号源模块组模块功能说明脉冲发生器斜坡信号 产生正态分布的随机数生产规律性重复信号重复序列内插值重复阶梯序列创建信号普通信号源发生器正弦信号阶跃信号均匀分布随机数信号源模块组模块功能说明返回数字显示浮动示波器输出端口示波器仿真停止信号终结端将数据写入文件保存将数据写入工作空间显示二维图形 输出模块组 模块功能说明返回连续系

3、统模块组输入信号微分输入信号积分状态空间系统模型传递函数模型输入信号固定延时输入信号可变延时零极点模型输入信号定义延迟时间模块功能说明返回差分环节离散微分环节离散滤波器离散状态空间离散传递函数离散零极点模型离散时间积分器一阶保持器整数延时离散系统模块组 模块功能说明输出上一步的输出值延时离散一阶传递函数离散传递函数离散零点传递函数单位采样周期的延时权重移动平均零阶保持器 离散系统模块组 模块功能说明返回绝对值加法代数约束赋值偏重复数转化为幅值和相角形式复数转化为实部和虚部形式除法点乘增益运算输入幅值和相角形式合成复数数学运算模块组模块功能说明常用数学函数矩阵串联最值运算函数最大最小值运算函数按

4、指定顺序改变数组维数多项式函数乘法运算元素乘法运算输入实部和虚部形式合成复数信号维数改变取整运算 数学运算模块组模块功能说明符号函数正弦波函数增益可变函数若多维数组中某一维元素只有一则移出该维减法函数求和元素求和函数三角函数一元减法函数矩阵连接权重采样时间计算 数学运算模块组模块功能说明返回余弦函数查询表直接n维信号查表n维插值一维查表二维查表n维信号查表动态查询表预查询索引搜寻正弦函数查询表查表模块组 模块功能说明返回磁滞回环黏性摩擦死区非线性动态死区非线性冲击非线性量化非线性信号变化率限制信号变化率动态限制滞环比较器饱和输出动态饱和输出阈值过限清零 非连续系统模块组模块功能说明返回信号总线

5、分配器信号总线生成器信号总线选择器数据存储数据存储读取数据存储写入分路器环境控制器读矩阵 信号线路模块组 模块功能说明写矩阵标签可视化索引向量手动选择开关信号合并在多输入中选择一输出的开关混路器选路器多路开关 信号线路模块组模块功能说明返回结构子系统单元子系统代码重用子系统使能使能和触发子系统使能子系统For循环控制子系统函数响应生成函数响应子系统条件操作If语句作用子系统 端口与子系统模块组模块功能说明输入端口模型输出端口子系统子系统样例条件选择Switch语句作用子系统触发操作触发子系统While循环控制系统 模块功能说明端口与子系统模块组返回位清零置位逐位操作组合逻辑与常量比较与零比较检

6、测突变检测递减检测负下降沿检测非负下降沿逻辑与位操作模块组模块功能说明检测递增检测非负上升沿检测正上升沿提取位检测开区间动态检测开区间逻辑运算关系运算算术平移逻辑与位操作模块组模块功能说明返回参数确定检测离散的斜率检测动态区间范围检测动态下限检测动态变化范围检测动态上限检测分辨率检测静态区间范围检测静态下限检测静态变化范围检测静态上限模型检测模块组模块功能说明返回模块支持表文档模块模型信息基于时间的线性分析触发线性分析 模型扩充模块组 模块功能说明返回多路信号转化向量数据类型转换继承数据类型转换数据类型复制数据类型传送数据类型传送样例数据类型缩放信号属性模块组 模块功能说明显示信号初始状态信号

7、探测比率变换信号转换信号特性检测权重采样时间信号带宽检测 信号属性模块组 模块功能说明返回嵌入MATLAB函数用户自定义函数M文件的S函数现有函数调用S函数建立S函数S函数样例 用户自定义函数模块组 模块功能说明返回2.3.2 控制系统动态结构图模型建立1模型窗口的建立2模块的创建与操作（1）创建模块 （2）模块操作1）模块的选择 2）模块复制 在选定模块处，按住鼠标右键并拖动至适当位置选定模块，在工具栏中选择“Copy”与“Paste”按钮按住“Ctrl”键，按下鼠标左键，将选定的模块拖动至适当的位置。在选定的模块处点击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Copy”与“Paste”选项3）模块的旋

8、转与翻转旋转翻转4）模块的连接。 5）模块的插入 6）模块的名称操作 （3）连接分支线 （4）连接线的折曲和折点的移动连接线折曲：选中已存在的连接线，将鼠标指针指到待折处，先按住“Shift”键，再按下鼠标左键，拖动至合适处，释放鼠标左键。折点移动：选中折线，将鼠标指针指到待移动的折点处，当鼠标指针变为一个小圆圈时，按下鼠标左键并拖动折点至希望处，释放鼠标左键。3模块内部参数的修正1）传递函数的分子、分母多项式系数行向量的输入，是按降幂排列的顺序从高到低依次输入。2）如多项式缺项，必须将对应系数0输入，不能遗漏。3）在参数设置时，任何MATLAB工作内存中已有的变量、合法表达式、MATLAB语

9、句等都可以填写在编辑框中。4）模块图标的大小是可以用鼠标操作调整的。因此假如传递函数表达式太长，原方框容纳不下，可以用鼠标把它拉到适当的大小，使整个方框图图标美观易读。值得指出的几点是：4模型文件的保存5结构图模型的建立举例例2-25某一单位反馈系统的开环传递函数为试绘制其系统结构图模型，并以“sy1”文件名保存。2.3.3 利用Simulink进行数字仿真1窗口运行仿真运行Simulink模型之前，如果不采用系统默认参数，就必须对各种仿真参数进行设置，尤其对复杂系统的仿真，仿真参数的合理设置尤为重要。 2仿真参数设置解算器(Solver)设置仿真数据输入/输出(Data Import/Exp

10、ort)设置仿真优化(Optimization)设置诊断参数(Diagnostics)设置硬件实现(Hardware Implementation)设置模型引用(Model Referencing)设置实时代码生成工具(Real-Time Workshop)设置 包括仿真参数可以由模型窗口SimulationConfiguration Parameters选项或直接按快捷键“Ctrl+E” （1）解算器(Solver)设置 解算器设置是进行仿真工作前必须的步骤，如何设定参数是根据解决问题的要求而决定的，以便使Simulink发挥最佳的仿真效果。 “Star time”：仿真的起始时间，单位是“

11、秒”“Stop time”：仿真的停止时间，单位是“秒”1）“Simulation time”选项组：用于设置仿真时间系统实际运行时间与设置输入的时间“秒”数不会一致，因为时间运行时间与计算机的性能、模型复杂程度、解题所选择的算法及步长、要解决问题的误差要求等诸多因素有关。2）“Solver options”选项组：用于选择算法的操作，选择框， 可变步长仿真算法 typeVariable-step(可变步长)Fixed-step(固定步长)固定步长仿真算法 “Relative tolerance”（相对误差）： 指误差相对于状态的值，是一个百分比，默认值为1e-3，表示状态的计算值要精确到0.

12、1%“Absolute tolerance”（绝对误差）： 表示误差值的门限，或者是在状态值为零的情况下可以接受的误差。如果它被设成了auto，那么Simulink为每一个状态设置初始绝对误差为1e-6。3）仿真精度定义（2）仿真数据输入/输出 (Data Import/Export)设置 Input选项：用于将MATLAB空间已存的数据导入Simulink模型的“输入模块(In)”中，数据类型包括：数组、时间表达式、结构体和时间串等。如果Simulink模型中使用了“输入模块”，就必须选中该选项并填写所导入数据的变量名，缺省变量名为t，u，t为时间，u为该时间对应的数值。“Load form

13、 workspace”选项组：从MATLAB工作空间导入数据仿真数据输入/输出，用来设置仿真模型与工作空间Workspace之间的数据的输入/输出。 Initial state选项：用于设置由Input选项导入Simulink 模型输入模块(In)变量的初始值，与Input选项配合使用。将迫使模型从MATLAB工作空间获取模型中全部模块所有状态变量的初始值。Time选项：用于设置保存于MATLAB工作空间中的仿真运行时间变量名。选中此选项，可将仿真运行时间变量以指定的变量名（缺省名为tout）保存于MATLAB工作空间。“Save to workspace” 选项组：将仿真结果数据保存至MAT

14、LAB工作空间中States选项：用于设置保存于MATLAB工作空间中的状态变量名。选中此选项，可将仿真过程中Simulink模型中的状态变量值以指定的变量名（缺省名为xout）保存于MATLAB工作空间。Output选项：用于设置保存于MATLAB工作空间中的输出数据变量名。如果Simulink模型中使用了“输出模块(Out)”，就必须选中该选项并填写保存于MATLAB工作空间中的输出数据变量名（缺省名为yout）。Final state选项：用于设置保存于MATLAB工作空间中的最终状态变量名。选中此选项，可将Simulink模型中的最终状态变量值以指定的变量名（缺省名为xFinal）保存

15、于MATLAB工作空间。 Limit data point to last选项：用于限定可存取的数据。选中此选项后，可设定保存变量接受数据的长度，缺省值为1000。如果输入数据长度超过设定值，那么最早的“历史”数据被删除。“Save options” 选项组：数据保存选项，需要与Save to workspace选项组配合使用。Decimation选项：用于设置降频程度系数，降频系数的默认值为1，表示每一个点都返回状态与输出值。Format选项：用于设置数据保存格式。保存数据有三种的格式选择：带时间的构架(Structure With Time)结构体(Structure)数组(Array)O

16、utput options选项：用于设置产生附加输出信号数据，只适用于变步长解算器。（3）诊断参数(Diagnostics)设置 在Simulink中可能出现一些错误情况，这就需要事先设置出现各类错误时发出警告的等级。提醒用户仿真模型中所存在的问题。通过选择不同的诊断提示方式对仿真模型进行代数环、过零等检测，有利于仿真之前发现仿真模型中所存在的问题。当然这些检测需要花费大量的时间，一般情况下，可以使用默认的属性设置。但是在建立仿真模型的时候，应该要特别关注代数环和过零检测两个问题。诊断参数设置界面，主要用来设置仿真模型的警告和错误的提示。（4）实时代码生成工具 (Real-Time Works

17、hop)设置 在该环境下可直接从 Simulink模型生成可移植的程序源代码，并自动生成能在多种环境中（包括实时系统和单机仿真）实时执行程序。Real-Time Workshop主要用来进行实时控制、实时仿真、交互式实时参数调整与生成可移植的C语言代码等。在该该界面中允许用户选择目标语言模板、系统目标文件等，如果选择了Generate code only（只生成代码）选项，则实时工具只将Simulink模型翻译成目标语言代码，不进行编译、生成可执行文件。实时代码生成工具设置界面，它是Simulink的一个重要功能模块，也是一种实时开发环境。（5）仿真优化(Optimization)设置 Blo

18、ck reduction选项：设置用时钟同步模块来代替一组模块，以加速模型的运行。仿真优化设置界面，主要用于设置各种选项来提高仿真性能和由模型生成的代码的性能。 Conditional input branch execution选项： 用于优化模型的仿真和代码的生成。选中该选项使得模型的所有参数在仿真过程中不可调，Simulink 在仿真时就会将那些输出仅决定于模块参数的模块从仿真环移出，以加快仿真。如果用户要想使某些变量参数可调，那么可以单击configure按钮打开Model Parameter Configuration 设置窗口将这些变量设置为全局变量。Implement logic

19、 signals as Boolean data (vs.double) 选项：使得接受布尔值输入的模块只能接受布尔型，若该项没被选，则接受布尔输入的模型也能接受double类型输入。Inline parameters选项：（6）硬件实现 (Hardware Implementation)设置 硬件实现设置界面，主要用于定义硬件的特性（包括硬件支持的字长等）。这里的硬件是指将来要用来运行模型的物理硬件。这些设置可以帮助用户在模型实际运行目标系统（硬件）之前通过仿真检测到以后在目标系统上运行可能会出现的问题，如溢出问题等。（7）模型引用(Model Referencing)设置 模型引用设置界面

20、，主要用于生成目标代码、建立仿真以及定义当此模型中包含其他模型或其他模型引用该模型时的一些选项参数值。 1）Rebuild options for all referenced models 选项组：Rebuild options选项：用于设置是否要在当前模型更新、运行仿真和生成代码之前重建仿真和Real-Time Workshop目标。 Model dependencies用于定义存放初始化模型参数的命令以及为模型提供数据的文件名或文件的路径。2）Options for referencing this model 选项组：total number of instances allowed

21、per top model选项：用于设置在其他模型中可以引用多少个该模型。Pass scalar root inputs by value选项：选中此项后，别的模型在调用该模型时就会通过数值来传递该模型的标量输入，否则就通过参考（如输入的地址）来传递输入。选中此项就会允许模型从速度快的寄存器或局部存储单元读取数据，而不是从它的实际输入位置来读取。如果模型的输入在同一个时间步内发生改变，那么选中此项就会导致仿真出错。Minimize algebraic loop occurrences选项：选中此项后，Simulink就试图消除模型中的一些代数环。3观察仿真结果（1）仿真结果输出到显示模块 1）

22、示波器(Scope)显示。 将数据显示在其独立窗口中，是一个用途非常广泛是显示模块，它以图形的方式直接显示输入数据，在很多情况下，无需对输出结果进行定量分析，便可以从其仿真输出曲线中获知系统的运行规律。 Scope模块的工具栏按钮命令功能介绍 通过Scope模块窗口的工具栏中选择Parameters按钮，打开示波器参数设置界面参数设置主要是针对示波器窗口的坐标系与曲线显示方面的Number of axes选项：示波器窗口内的坐标系个数，默认值为1；当设置为2时，相当模型结构图中示波器图标的输入端就为两个输入端口；Axes选项组：Time range选项：信号显示从0开始的时间区间，默认设置为1

23、0，若设置为n，则信号显示的时间区间为0，n；Tick labels选项：有三种选择：坐标系标注标志(all)；坐标系不标注标志(none)；坐标系底部标注标志(bottom axis only)；floating scope选项：选中此项，则示波器为浮动状态，模型结构图中示波器的输入端将与系统模型的连线会断开。选择“Decimation”是设置数据的显示频度，默认值为1，表示每点都显示；设置为n时，则为隔（n-1）点显示一次；选择“Sample time”是设置显示点的采样时间间隔，默认值为0，表示显示连续信号，若设置为-1，则表示显示方式取决与输入信号；若设置大于0的数，则表示显示离散信号

24、的时间间隔。Sampling选项组：设置主要是针对示波器的数据存储与传送方面的Save data to workspace选项：用来把示波器缓冲区存储的数据送到MATLAB工作空间，默认值是不选此项。Limit data point to last选项：设置缓冲区存储数据的长度，默认值为5000。若输入数据过多时，则会自动清除原有的数据。Format选项：设置数据保存格式。保存数据有三种的格式选择：带时间的构架(Structure With Time)、结构体(Structure)、数组(Array)。Variable name选项：存储数据的变量名，可以设置，也可以用默认设置名“ScopeD

25、ata”。“Floating Scope”模块特点：模块没有任何输入和输出端口，不需要和任何连接线连接，它可以在仿真过程中显示任何选定的信号，而无须修改系统模型。与普通示波器(Scope)的区别在于：本模块可以选定所要显示的信号，而普通示波器(Scope)模块只能显示与之相连的信号。 2）浮动示波器(Floating Scope)显示在MATLAB图形窗口绘制二维图形。该显示器有两个输入端，上面的输入端作为x，下面的输入端作为y，X-Y示波器模块可以显示两个图形的关系。3）X-Y示波器(XY Graph)显示将结果以数字形式显示出来。数字显示模块没有独立的显示窗口，只是在模块的显示框中直接滚动

26、显示数据结果。当数据是标量时，显示模块中只显示一个窗口；当数据是行向量或列向量或矩阵时，显示模块在右下角显示一个或同时显示两个向右或向下的小箭头，将模块向右或向下拉开可显示出多个窗口。 4）数字(Display)显示在输出模块组中有一个名为“out1”的模块，将数据输入到这个模块，该模块就会将数据输出到命令窗口，并用“yout”的变量保存，同时还将时间数据用“tout”保存。存储在工作空间的结果可以利用相应的命令在工作空间中做进一步的分析。（2）仿真结果返回到MATLAB命令窗口 三种方式1）通过示波器模块向工作空间存储数据。在使用示波器观察数据时，默认情况下将一个名为“Scope Data”的数据结构和名为tout的数组存储在工作空间中。也可通过Scope的窗口的工具栏中选择Parameters按钮，打开示波器参数设置界面，选Data history选项进行设置。2）选择“To Workspace”模块。只要将数据输入到这个模块内，就会将数据保持到工作空间中。3）选择Simula