Simulink动态仿真培训课件

第七章Simulink动态仿真7.1Simulink基本操作7.2模块库和系统仿真7.3子系统创建与封装7.4Simulink仿真举例第七章Simulink动态仿真Simulink中的“Simu”一词表示可用于计算机仿真，而“Link”一词表示它能进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。作为MATLAB的一个重要组成部分，Simulink由于它所具有的上述的两大功能和特色，以及所提供的可视化仿真环境、快捷简便的操作方法，而使其成为目前最受欢迎的仿真软件。本章主要介绍Simulink的基本功能和基本操作方法，并通过举例介绍如何利用Simulink进行系统建模和仿真。第七章Simulink动态仿真7.1Simulink基本操作利用Simulink进行系统仿真的步骤是：启动Simulink，打开Simulink模块库打开空白模型窗口；建立Smulink仿真模型；设置仿真参数，进行仿真；输出仿真结果。7.1Simulink基本操作7.1.1启动Simulink启动Simulink。单击MATLABCommand窗口工具条上的Simulink图标，或者在MATLAB命令窗口输入simulink，即弹出图示的模块库窗口界面(SimulinkLibraryBrowser)。该界面右边的窗口给出Simulink所有的子模块库。常用的子模块库有Sources(信号源)，Sink(显示输出),Continuous(线性连续系统)，Discrete（线性离散系统)，Function&Table（函数与表格)，Math(数学运算)，Discontinuities

(非线性)，Demo（演示）等。

启动Simulink每个子模块库中包含同类型的标准模型，这些模块可直接用于建立系统的Simulink框图模型。可按以下方法打开子模块库:用鼠标左键点击某子模块库(如【Continuous】)，Simulink浏览器右边的窗口即显示该子模块库包含的全部标准模块。启动Simulink用鼠标右键点击Simulink菜单项，则弹出一菜单条，点击该菜单条即弹出该子库的标准模块窗口.如单击左图中的【Sinks】,出现“Openthe‘Sinks’Library”菜单条，单击该菜单条，则弹出右图所示的该子库的标准模块窗口。7.1Simulink基本操作7.1.1启动Simulink打开空白模型窗口模型窗口用来建立系统的仿真模型。只有先创建一个空白的模型窗口，才能将模块库的相应模块复制到该窗口，通过必要的连接，建立起Simulink仿真模型。也将这种窗口称为Simulink仿真模型窗口。以下方法可用于打开一个空白模型窗口：在MATLAB主界面中选择【File:NewModel】菜单项；单击模块库浏览器的新建图标；选中模块库浏览器的【File:NewModel】菜单项。所打开的空白模型窗口如图所示。7.1.2建立Simulink仿真模型打开Simulink模型窗口(Untitled)选取模块或模块组在Simulink模型或模块库窗口内，用鼠标左键单击所需模块图标，图标四角出现黑色小方点，表明该模块已经选中。模块拷贝及删除在模块库中选中模块后，按住鼠标左键不放并移动鼠标至目标模型窗口指定位置，释放鼠标即完成模块拷贝。模块的删除只需选定删除的模块，按Del键即可。7.1Simulink基本操作7.1.2建立Simulink仿真模型模块调整改变模块位置、大小；改变模块方向使模块输入输出端口的方向改变。选中模块后，选取菜单Format→RotateBlock，可使模块旋转900。按快捷键Ctrl+R结果相同。7.1.2建立Simulink仿真模型模块参数设置用鼠标双击指定模块图标，打开模块对话框，根据对话框栏目中提供的信息进行参数设置或修改。例如双击模型窗口的传递函数模块，弹出图示对话框，在对话框中分别输入分子、分母多项式的系数，点击OK键，完成该模型的设置，如右下图所示：7.1.2建立Simulink仿真模型型模块的连连接模块之间间的连接接是用连连接线将将一个模模块的输输出端与与另一模模块的输输入端连连接起来来；也可可用分支支线把一一个模块块的输出出端与几几个模块块的输入入端连接接起来。。连接线生生成是将将鼠标置置于某模模块的输输出端口口(显一个十十字光标标)，按下鼠鼠标左键键拖动鼠鼠标置另另一模块块的输入入端口即即可。分分支线线则是将将鼠标置置于分支支点，按按下鼠标标右键，，其余同同上。连接线(左键)分支线(右键)7.1.2建立Simulink仿真模型型模块文件件的取名名和保存存选择模型型窗口菜菜单FileSaveas后弹出一一个“Saveas”对话框，，填入模模型文件件名，按按保存(s)即可。[说明]模块的修修改、调调整、连连接通常常只能在在仿真模模型窗口口中进行行，不要要直接对对模块库库中的模模块进行行修改或或调整。。7.1Simulink基本操作7.1.3系统仿真运运行Simulink模型窗口下下仿真步骤打开Simulink仿真模型窗窗口，或打打开指定的的.mdl文件;设置仿真参参数：在模模型窗口选选取菜单【Simulation:Parameters】,弹出“SimulationParameters”对话框，设设置仿真参参数，然后后按【OK】即可；[说明]若不设置仿仿真参数,则采用Simulink缺省设置.7.1Simulink基本操作7.1.3系统仿真运运行Simulink模型窗口下下仿真步骤仿真运行和和终止：在在模型窗口口选取菜单单【Simulation:Start】，仿真开始始，至设置置的仿真终终止时间，，仿真结束束。若在仿仿真过程中中要中止仿仿真，可选选择【Simulation:Stop】菜单。也可可直接点击击模型窗口口中的（（或））启动（（或停止））仿真。7.1Simulink基本操作7.1.3系统仿真运运行MATLAB命令窗口下下的仿真运运行在Matlab命令窗口下下可直接运运行一个已已存在的Simulink模型：[t,x,y]=sim(‘‘model’,timespan,option,ut)其中，t为返回的仿仿真时间向向量；x为返回的状状态矩阵；；y为返回的输输出矩阵；；model为系统Simulink模型文件名名；timespan为仿真时间间；option为仿真参数数选择项，，由simset设置；ut为选择外部部产生输入入,ut=[T,u1,u2,…,un]。[说明]上述参数中中，若省略略timespan,option,ut则由框图模模型的对话话框SimulationParameters设置仿真参参数。back7.2模块库和系系统仿真7.2.1Simulink模块库Sources库也可称为信信号源库，，该库包含含了可向仿仿真模型提提供信号的的模块。它它没有输入入口，但至至少有一个个输出口。。双击图标即即弹出该该库的模块块图：在该图中的的每一个图图标都是一一个信号模模块，这些些模块均可可拷贝到用用户的模型型窗里。用用户可以在在模型窗里里根据自己己的需要对对模块的参参数进行设设置（但不不可在模块块库里进行行模块的参参数设置).Sources库SineWave：产生幅值值、频率可可设置的正正弦波信号号。双击图标(认定该模块块已拷贝到到用户模型型窗，以下均如如此),弹出正弦波波的参数设设置框图。。图中参数数为Simulink默认值，用用户可根据据需要对这这些参数重重新设置。。幅值、频率为2，基准为0.5，其波形如下图所示：Sources库Step：产生幅值值、阶跃时时间可设置置的阶跃信信号。双击图标,弹出阶跃信信号的参数数设置框图图。图中参参数为Simulink默认值。当设置幅值为0.8,阶跃时间为1秒时，阶跃波形如下图所示：7.2.1Simulink模块库Sinks库该库包含了了显示和写写模块输出出的模块。。双击即即弹出出该库的模模块图：：数字表，，显示指定定模块的输输出数值。。：X-Y绘图仪用同同一图形窗窗口，显示示X-Y坐标的图形形(需先在参数数对话框中中设置每个个坐标的变变化范围)，当X、Y分别为正、、余弦信号号时，其显显示图形如如下：7.2.1Simulink模块库Sinks库：示波器。显示在仿仿真过程产产生的信号号波形。双双击该图标标,弹出示波器器窗如右图图所示：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省设置打开示波器属性对话框设置为浮动示波器Sinks库示波器属性性对话框设置Y轴个数设置显示的的时间范围围选择轴的标标注方法确定显示频频度(每隔n-1个数据点显显示一次)确定显示点点的时间间间隔(缺省为0表示连续显显示)示波器属性性对话框General页Sinks库示波器属性性对话框示波器属性对话框Datahistory页设定缓冲区接受数据的长度,勾选为缺省状态,其值为5000确定示波器数据是否保存到MATLAB工作空间。若勾选则为保存，且需确定变量名和保存格式(缺省时,不被勾选)【例7-1】示波器应用用示例。Simulink仿真模型如如左图所示示，示波器器输入为3（Y轴个数为3）。右图为为该示波器器显示的三三路输入信信号的波形形.7.2.1Simulink模块库Continuous库该库包含描描述线性函函数的模块块。双击即即弹出下图图：：微分环节。其输出为其输入信号的微分。如下图为输入斜坡信号时微分环节的输出：Continuous库：积分环节。。其输出为为其输入信信号的积分分。双击该模块块,弹出积分器器的参数对对话框,可设置积分分器的复位位、积分上上限和下限限等。当设设置为信号号下跳过零零复位、积积分器限幅幅为5时，积分器器对谐波输输入的输出出如图所示示：7.2.1Simulink模块库Continuous库：分子分母母为多项式式形式的传传递函数。。双击该模块块，弹出传递函数的参数对话话框，设置框图中中的参数后后，该传递递函数显示示如下：7.2.1Simulink模块库Continuous库：零极点增增益形式的的传递函数数。双击该模块块，弹出传传递函数的的参数对话话框，设置框图中中的参数后后，该传递递函数显示示如下：7.2.1Simulink模块库Math库该库包含描描述一般数数学函数的的模块。双双击即即弹出出右图。该库中模块块的功能就就是将输入入信号按照照模块所描描述的数学学运算函数数计算，并并把运算结结果作为输输出信号输输出。7.2.1Simulink模块库Math库：加法器。该模块为求和和装置。求和和器形状，输输入信号个数数和符号可设设置，如右边边框图。若设设置如框图。。则模块显示示为：7.2.1Simulink模块库Math库：符号函数。该模块的输出出为输入信号号的符号。下下图为对正弦弦信号经符号号运算后的波波形。Math库：实现一个数数学函数。右图为该函数数的参数设置置框。点击函函数设置的下下拉窗口，可可选择所需要要的函数。选选定函数后，，该模块图标标将显示所选选函数。如选选择“Square”，则模块图标标变为：7.2.1Simulink模块库Signals&Systems库：信号分路器。将混路器输出出的信号依照照原来的构成成方法分解成成多路信号。。：信号汇总器器将多路信号依依照向量的形形式混合成一一路信号。(a)(b)7.2.2Simulink环境下的仿真真运行仿真参数对话话框点击Simullink模型窗simulation菜单下的Parameters命令，弹出仿仿真参数对话话框如右图所所示。它共有有5页，用得较多多的主要是Solver页和WorkspaceI/O页。Solver页Simulationtime（仿真时间））:设置Starttime（仿真开始时时间）和Stoptime（仿真终止时时间）可通过过页内编辑框框内输入相应应数值，单位位“秒”。另另外，用户还还可以利用Sinks库中的Stop模块来强行中中止仿真。Solver页Solveroptions（仿真算法选选择）:分为定步长算算法和变步长长算法两类。。定步长支持持的算法可在在Fixedstepsize编辑框中指定定步长或选择择auto，由计算机自自动确定步长长，离散系统统一般默认地地选择定步长长算法，在实实时控制中则则必须选用定定步长算法；；变步长支持持的算法如图图7-2所示，对于连连续系统仿真真一般选择ode45，步长范围使使用auto项。图7-1定步长算法图7-2变步长算法Solver页ErrorTolerance（误差限度））：算法的的误差是指当当前状态值与与当前状态估估计值的差值值，分为Relativetolerance（相对限度））和Absolutetolerance（绝对限度）），通常可选选auto。Outputoptions(输出选择项)：有Refineoutput(细化输出）、、Produceadditionaloutput（产生附加输输出）、Producespecifiedoutputonly（只产生指定定输出）。WorkspaceI/O页这个页面的作作用是定义将将仿真结果输输出到工作空空间，以及从从工作空间得得到输入和初初始状态。Loadfromworkspace：勾选相应方框框表明从工作作空间获得输输入或初始状状态。若勾勾选Input，则工作空间间提供输入，，且为矩阵形形式。输入矩矩阵的第一列列必须是升序序的时间向量量，其余列分分别对应不同同的输入信号号。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：WorkspaceI/O页这个页面的作作用是定义将将仿真结果输输出到工作空空间，以及从从工作空间得得到输入和初初始状态。Savetoworkspace：勾选相应方框框表明保存输输出到MATLAB工作空间。time和output为缺省选中的的。即一般运运行一个仿真真模型后，在在MATLAB工作空间都会会增加两个变变量tout、yout。变量名可以以设置。Saveoptions（存储选项））：存储数据据到工作空间间的格式，可可选数组、构构架数组、包包含时间数据据的构架数组组。Simulink中的LTIViewer在Simulink中建立的仿真真模型也可直直接输入到LTIViewer中进行分析，，具体方法如如下:在Simulink模型窗建立起起仿真模型(线性系统)。点击Simulink模型窗上的【Tool：Linearanalysis】】，在弹出的界界面中将输入入输出接点分分别复制到仿仿真模型的输输入和输出。。图7-3仿真模型的输输入输出接点点Simulink中的LTIViewer再次点击SIMULINK模型窗上的ToolLinearanalysis，打开LTIViewer仿真界面，点点击该界面上上SimulinkGetLinearizedModel选项，即画出出系统的阶跃跃响应曲线，，表明SIMULINK中的仿真模型型已和LTIViewer相连接，因此此可利用LTIViewer对该系统进行行分析。图7-4LTIViewer获取模型窗中中模型图7-5LTIViewer绘制的阶跃响响应曲线Simulink中的LTIViewer如果在Simulink模型窗对已输输入到LTIViewer中的模型进行行了修改，应应重复步骤（（3）重新装入模模型，并删除除掉旧模型。。方法是点击击LTIViewer仿真界面上的的【EditDeletesystems】】，在弹出的对对话框中，进进行模型的删删除，如图所所示。图7-6模型的删除back7.3子系统创建与与封装在建立的Simulink系统模型比较较大或很复杂杂时，可将一一些模块组合合成子系统，，这样可使模型得到简化化，便于连线线；可提高效率，，便于调试；；可生成层次化化的模型图表表，用户可采采取自上而下下或自下而上上的设计方法法。将一个创建好好的子系统进进行封装，也也就是使子系系统象一个模模块一样，例例如可以有自自己的参数设设置对话框，，自己的模块块图标等。这这样就使子系系统使用起来来非常方便。。7.3子系统创建与与封装7.3.1子系统的创建建通过子系统模模块来建立子子系统在Simulink库浏览器，有有一个子系统统(Subsystems)的库模块(有的版本在Signals&Systems子库里)，点击该图标标即可看到不不同类型的子子系统模块。。子模块库MATLAB6.0版MATLAB6.5版通过子系统模模块来建立子子系统下面以PID控制器子系统统创建，说明明子系统的创创建过程：将子系统库模模块中的Subsystem模块复制到模模型窗，如图图7-7。双击该图标即即打开该子系系统的编辑窗窗口，如图7-8；图7-7子系统模块复制到模型窗图7-8原始子系统模块的内部结构型窗PID控制器子系统统创建过程：：将组成子系统统的模块填加加到子系统编编辑窗口：将模块按设计计要求连接：：PID控制器子系统统创建过程：：设置子系统各各模块参数（（可以是变量量）；修改in1和out1模块下面的标标签；关闭子系统的的编辑窗口，，返回模型窗窗口，修改子子系统的标签签（PID），该PID子系统即可作作为模块在构构造系统模型型时使用。7.3子系统创建与与封装7.3.1子系统的创建建组合已存在的的模块来建立立子系统如果现有的模模型已经包含含了需要转化化成子系统的的模块，就可可以通过组合合这些模块的的方式建立子子系统。步骤骤如下：确定需建立Subsystem的模型（被选选中的均标记记有黑块）图7-9圈选欲建子系系统的模块组合已存在的的模块来建立立子系统点击模型窗Edit菜单下的CreateSubsystem命令，则所选选定的模型组组合自动转化化成子系统：双击该图标，，可打开该子子系统窗口，，改写输入输输出符号：关闭子系统编编辑窗口，设设置子系统标标签，则系统统模型如下图图所示：7.3子系统创建与与封装7.3.2子系统的封装装子系统可以建建立自己的参参数设置对话话框，以避免免对子系统内内的每个模块块分别进行参参数设置，因因此在子系统统建立好以后后，需对其进进行封装。子子系统封装的的基本步骤如如下：设置好子系统统中各模块的的参数变量；；定义提示对话话框及其特性性；定义被封装子子系统的描述述和帮助文档档；定义产生模块块图标的命令令。7.3子系统创建与与封装7.3.2子系统的封装装设置子系统参参数变量将原子系统中中的常数改为为变量,其中饱和环节节的上、下限限分别设为au、ab(需打开该环节节的参数设置置框).7.3.2子系统的封装装产生提示对话话框选择需要封装装的子系统，，从模型窗口口的Edit菜单选择MaskSubsystem命令，即弹出出封装编辑器器：产生提示对话话框该编辑器分为为四页(MATLAB6.5版)：Icon(图标)页Parameters(参数页)Initialiation(初始化)页Documentation(文档)页其中对于子系系统封装最关关键的是Parameters项，用于设置置参数变量及及其类型等。。7.3.2子系统的封装装产生提示对话话框Parameters页AddDeleteUpDown提示符变量名直接输入变量量名变量的类型为为数值变量的数值可可在线调节产生提示对话话框假定子系统（（Nonlinearsystem）的参数变量量名已由封装装编辑器全部部输入。双击击该子系统图图标，即弹出出如图所示子子系统的参数数设置框图。。如图所示逐逐栏输入与变变量所对应的的参数，即完完成对该子系系统的参数设设置。7.3子系统创创建与封封装7.3.3条件子系系统使能子系系统该子系统统当使能能端控制制信号为为正时，，系统处处于“允允许”状状态，否否则为““禁止””状态。。“使能能”控制制信号可可以为标标量，也也可以为为向量。。当为标标量信号号时，只只要该信信号大于于零，子子系统就就开始执执行；当当为向量量信号时时，只要要其中一一个信号号大于零零，也““使能””子系统统。【例7-3】】积分分离离式PID控制器。。这种PID控制器可可以让控控制器中中的积分分项在系系统响应应进入稳稳态时投投入运行行，以提提高稳态态精度；；而在系系统响应应处于瞬瞬态过程程时，将将积分项项断开以以改善系系统动态态响应质质量。积积分分离离式PID控制器建建立如图图所示：：使能模块块的控制制信号为为delta与abs(e)的差值。。delta为一很小小的正数数，当偏偏差e的绝对值值小于delta时，控制制器的积积分项才才投入使使用，从从而实现现了控制制器中的的积分项项的分离离控制。。7.3.3条件子系系统触发子系系统触发子系系统只在在触发事事件发生生的时刻刻执行。。所谓触触发事件件也就是是触发子子系统的的控制信信号，一一个触发发子系统统只能有有一个控控制信号号，在Simulink中称之为为触发输输入。(a)触发发子子系系统统模模块块(b)触发发子子系系统统模模型型触发发事事件件有有4种类类型型，，即即上上升升沿沿触触发发、、下下降降沿沿触触发发、、跳跳变变触触发发和和回回调调函函数数触触发发。。双双击击触触发发子子系系统统中中的的触触发发器器模模块块（（Trigger），，在在弹弹出出的的对对话话框框中中可可选选择择触触发发类类型型。。触发发子子系系统统应应用用的的一一个个示示例例。触触发发器器设设为为下下降降沿沿触触发发，，正正弦弦输输入入经经触触发发控控制制后后，，成成为为阶阶梯梯波波，，如如图图所所示示。。系统统仅仅在在脉脉冲冲信信号号的的下下降降沿沿导导通通，，并并保保持持导导通通时时刻刻的的输输入入值值至至下下一一个个脉脉冲冲下下降降沿沿。。back7.4Simulink仿真真举举例例7.4.1悬吊吊式式起起重重机机动动力力学学仿仿真真悬吊吊式式起起重重机机动动力力学学方方程程mtmpFx图7-10悬吊式起重机结构简图l式中，mt、mp、I、c、l、F、x、

分别为起重机的小车质量、吊重、吊重惯量、等价粘性摩擦系数、钢丝绳长（不计绳重），小车驱动力、小车位移以及钢丝绳的摆角。小车水平方向受力方程

吊绳垂直方向受力方程小车的力矩平衡方程由（2）、（3）式去掉P，则有7.4.1悬吊吊式式起起重重机机动动力力学学仿仿真真悬吊吊式式起起重重机机动动力力学学Simulink仿真真为便便于于建建模模，，将将起起重重机机动动力力学学方方程程改改写写为为：：由以上二式可建立如图所示的起重机Simulink模型：图中：lmp=mpl悬吊吊式式起起重重机机动动力力学学Simulink仿真在运运行行仿仿真真模模型型前前，，须须先先计计算算出出k1、k2和lmp。设设mt=50kg，mp=270kg，l=4m，c=20N/ms，在在MATLAB指令令窗窗输输入入以以下下指指令令l=4;c=20;mp=270;mt=50;I=mp*l^2;%计算吊吊重转转动惯惯量lmp=l*mp;k1=1/(mt+mp);k2=mp*l/(I+mp*l^2);悬吊式式起重重机动动力学学Simulink仿真设置仿仿真时时间为为200s，启动动Simulink仿真，，则由由小车车位移移示波波器和和吊重重摆角角示波波器，，可观观察到到系统统在初初始状状态x(0)=0,,(0)=0.01rad/s,作用下下x、的变化化过程程曲线线：悬吊式式起重重机小小车位位移悬吊式式起重重机吊吊重摆摆角1.绘制函函数的图形形，其其中自自变量量的取取值范范围是是（0，16）的所所有实实数。。2.在matlab中，使使用if分支结结构编编写求求解一一元二二次方方程的的程程序代代码，，并且且运行行检测测该代代码结结果。。3.在matlab中，使使用for循环结结构对对数据据进行行统计计，计计算输输入数数值数数组的的平均均值和和方差差。4.创建simulink系统，，求解解二阶阶微分分方程程的方程程解，，其中中u(t)是脉冲冲信号号。5.4题的传传递函函数为为使用传传递函函数模模块求求解。。6.4题的系系统转转换为为状态态方程程，用用状态态方程程模块块来求求解。。7.使用simulikn系统，，求解解非线线性微微分方方程。其中中x和都都是时时间的的函数数，也也就是是x(t)和，，初初值为为。。求解解方程程的数数值解解，并并绘制制波形形9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。22:59:2022:59:2022:5912/7/202210:59:20PM11、以我独沈久久，愧君相见见频。。12月-2222:59:2022:59Dec-2207-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。22:59:2022:59:2022:59Wednesday,December7,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2222:59:2022:59:20December7,202214、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。07十十二二月202210:59:20下下午午22:59:2012月月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月2210:59下午12月-2222:59December7,202216、行动出成果果，工作出财财富。。2022/12/722:59:2022:59:2007December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。10:59:21下下午10:59下下午22:59:2112月-229、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。22:59:2122:59:2122:5912/7/202210:59:21PM11、成功就是日日复一日那一一点点小小努努力的积累。。。12月-2222:59:2122:59Dec-2207-Dec-2212、世世间间成成事事，，不不求求其其绝绝对对圆圆满满，