仿真应用实例课件

仿真应用实例1、电路仿真应用2、信号的频谱分析11、电路仿真应用P18，一个二阶电路系统的仿真输入为电压信号，包含电阻、电容、电感。含两个储能元件。uc(t)iL(t)21）零状态响应：系统在t=-1秒时刻的初始状态为零，输入信号为阶跃信号f(t)=u(t)，输出为电容电压，试对时间t=[-1，10]秒的输出信号波形进行方针求解。2）零输入响应：系统在t=-1秒时刻电容电压uc为1V，当t=-1秒时刻信号输入二端闭合，试对时间t=[-1，10]秒的输出信号波形进行仿真求解。3）全响应：系统在t=-1秒时刻电容电压为为uc=1V，输入信号为阶跃信号f(t)=u(t)，试对时间t=[-1，10]秒的输出信号波形进行仿真求解。3电路方程KVL方程：标准形式：4状态方程iL(t)=x1，uC(t)=x2

5微分方程的MATLAB函数格式functionxdot=方程函数名（t,x,flag,附加参数）时间变量矩阵：t方程的状态变量矩阵：x状态变量对时间的一阶导数矩阵：xdot方程参数：附加参数必需的，以求符合求解函数“ode45”的要求的标志变量：flag6微分方程组函数functionxdot=funcforex123(t,x,flag,R,L,C)xdot=zeros(2,1);xdot(1)=-R/L*x(1)-1/L*x(2)+1/L*f(t);xdot(2)=1/C*x(1);functionin=f(t);In=(t>0)*1;7ode45的用法[t,x]=ode45(方程函数名，仿真时间范围，状态变量初始值，算法选项，附加参数）初始变量：电感电流，电容电压这里R，L，C为附加参数81）零状态响应输入信号：in=(t>0)*1(阶跃函数);方程中系统状态为：[0；0];9求解clear;clcL=1;C=0.1;forR=[1.535][t,x]=ode45('funcforex123',[-1,10],[0;0],[],R,L,C)figure(1);plot(t,x(:,1));holdon;xlabel('timesec');text(0.9,017,'\leftarrowi_L(t)');grid;10figure(2);plot(t,x(:,2));holdon;xlabel('timesec');text(0.5,03,'\leftarrowu_C(t)');grid;endMATLAB提供的求解微分方程的指令ode45、ode23、ode15s适用场合不同112）t=-1输入信号为零修改输入信号：in=0;系统状态改为：[0；1]123）全响应情况修改输入信号：in=(t>0)*1(阶跃函数);系统状态为：[0；1]13信号的频谱分析

频谱分析原理连续时间信号，其频谱分析采用连续时间傅立叶变换（CTFT）进行：其中14离散傅立叶变换（DFT）N点离散序列，设其N点离散傅立叶变换（DFT）序列为，则其中15利用DFT来近似计算CTFT首先对连续信号离散化：确定采样时间间隔及截取的时间段。若的绝大部分能量集中在，且的非零值集中在时间段16则CTFT中的积分作近似求和计算：对进行离散化处理：17对比DFT计算公式，显然有：18确定如何截取信号的时间段选择时域采样频率如何进行截取（采用的窗函数类型）连续非周期信号即，已知连续非周期信号的频率范围要求频率分辩率为，确定采样时间间隔T，信号的截取时间长度LP25819根据采样定理，时间分辨率必须满足：根据频率分辨率得到信号的截取时间长度必须满足：截取时间信号离散化后的点数为：20窗函数类型WindowW=window(fhandle,n)W=window(fhandle,n,winopt)winopt:相应窗函数的参数选项21>>window22使用窗函数可以控制频谱的主瓣宽度、旁瓣抑制度等参数，从而更好地进行波形频谱分析和滤波器参数设计23例：对一个振幅为1、频率为50Hz的正弦波以及一个振幅为0.7、频率为75Hz的正弦波的合成波形进行频谱分析，要求分析的频率范围为0～100Hz，频率分辨率为1Hz。P260243Simulink动态仿真Simulink环境下的仿真运行仿真参数对话框

点击Simullink模型窗simulation菜单下的Parameters命令，弹出仿真参数对话框如右图所示。它共有5页，用得较多的主要是Solver页和WorkspaceI/O页。Solver页Simulationtime（仿真时间）:设置Starttime（仿真开始时间）和Stoptime（仿真终止时间）可通过页内编辑框内输入相应数值，单位“秒”。另外，用户还可以利用Sinks库中的Stop模块来强行中止仿真。25Solver页Solveroptions（仿真算法选择）: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Fixedstepsize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3-2所示，对于连续系统仿真一般选择ode45，步长范围使用auto项。

图3-1定步长算法图3-2变步长算法26Solver页ErrorTolerance（误差限度）：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Relativetolerance（相对限度）和Absolutetolerance（绝对限度），通常可选auto。

Outputoptions(输出选择项)：有Refineoutput(细化输出）、Produceadditionaloutput（产生附加输出）、Producespecifiedoutputonly（只产生指定输出）。

27WorkspaceI/O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入和初始状态。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：Loadfromworkspace：勾选相应方框表明从工作空间获得输入或初始状态。若勾选Input，则工作空间提供输入，且为矩阵形式。输入矩阵的第一列必须是升序的时间向量，其余列分别对应不同的输入信号。28WorkspaceI/O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入和初始状态。Savetoworkspace：勾选相应方框表明保存输出到MATLAB工作空间。

time和output为缺省选中的。即一般运行一个仿真模型后，在MATLAB工作空间都会增加两个变量tout、yout。变量名可以设置。Saveoptions（存储选项）：存储数据到工作空间的格式，可选数组、构架数组、包含时间数据的构架数组。29Simulink中的LTIViewer

在Simulink中建立的仿真模型也可直接输入到LTIViewer中进行分析，具体方法如下:在Simulink模型窗建立起仿真模型(线性系统)。点击Simulink模型窗上的【Tool：Linearanalysis】，在弹出的界面中将输入输出接点分别复制到仿真模型的输入和输出。图2仿真模型的输入输出接点30Simulink中的LTIViewer再次点击SIMULINK模型窗上的ToolLinearanalysis，打开LTIViewer仿真界面，点击该界面上SimulinkGetLinearizedModel选项，即画出系统的阶跃响应曲线，表明SIMULINK中的仿真模型已和LTIViewer相连接，因此可利用LTIViewer对该系统进行分析。图4LTIViewer获取模型窗中模型图5LTIViewer绘制的阶跃响应曲线31Simulink中的LTIViewer如果在Simulink模型窗对已输入到LTIViewer中的模型进行了修改，应重复步骤（3）重新装入模型，并删除掉旧模型。方法是点击LTIViewer仿真界面上的【EditDeletesystems】，在弹出的对话框中，进行模型的删除，如图6所示。图6模型的删除back322.3子系统创建与封装2.3.1子系统的创建通过子系统模块来建立子系统在Simulink库浏览器，有一个子系统(Subsystems)的库模块(有的版本在Signals&Systems子库里)，点击该图标即可看到不同类型的子系统模块。子模块库MATLAB6.0版MATLAB6.5版33通过子系统模块来建立子系统下面以PID控制器子系统创建，说明子系统的创建过程：将子系统库模块中的Subsystem模块复制到模型窗，如图7。双击该图标即打开该子系统的编辑窗口，如图8；图7子系统模块复制到模型窗图8原始子系统模块的内部结构型窗34PID控制器子系统创建过程：将组成子系统的模块填加到子系统编辑窗口：将模块按设计要求连接：35PID控制器子系统创建过程：设置子系统各模块参数（可以是变量）；修改in1和out1模块下面的标签；关闭子系统的编辑窗口，返回模型窗口，修改子系统的标签（PID），该PID子系统即可作为模块在构造系统模型时使用。

362.3子系统创建与封装2.3.1子系统的创建组合已存在的模块来建立子系统

如果现有的模型已经包含了需要转化成子系统的模块，就可以通过组合这些模块的方式建立子系统。步骤如下：确定需建立Subsystem的模型（被选中的均标记有黑块）图10圈选欲建子系统的模块37组合已存在的模块来建立子系统点击模型窗Edit菜单下的CreateSubsystem命令，则所选定的模型组合自动转化成子系统：双击该图标，可打开该子系统窗口，改写输入输出符号：关闭子系统编辑窗口，设置子系统标签，则系统模型如下图所示：382.3子系统创建与封装2.3.2子系统的封装

子系统可以建立自己的参数设置对话框，以避免对子系统内的每个模块分别进行参数设置，因此在子系统建立好以后，需对其进行封装。子系统封装的基本步骤如下：设置好子系统中各模块的参数变量；定义提示对话框及其特性；定义被封装子系统的描述和帮助文档；定义产生模块图标的命令。392.3子系统创建与封装2.3.2子系统的封装

设置子系统参数变量将原子系统中的常数改为变量,其中饱和环节的上、下限分别设为au、ab(需打开该环节的参数设置框).402.3.2子系统的封装

产生提示对话框

选择需要封装的子系统，从模型窗口的Edit菜单选择MaskSubsystem命令，即弹出封装编辑器：41产生提示对话框

该编辑器分为四页(MATLAB6.5版)：Icon(图标)页Parameters(参数页)Initialiation(初始化)页Documentation(文档)页其中对于子系统封装最关键的是Parameters项，用于设置参数变量及其类型等。422.3.2子系统的封装

产生提示对话框Parameters页

AddDeleteUpDown提示符变量名直接输入变量名变量的类型为数值变量的数值可在线调节43产生提示对话框

假定子系统（Nonlinearsystem）的参数变量名已由封装编辑器全部输入。双击该子系统图标，即弹出如图所示子系统的参数设置框图。如图所示逐栏输入与变量所对应的参数，即完成对该子系统的参数设置。442.3子系统创建与封装2.3.3条件子系统使能子系统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。454数字信号处理交互式滤波器设计工具滤波器设计函数交互式界面的滤波器设计工具46>>fdatool475Smulink系统仿真实例下图所示，为简化后的飞行控制系统，试建立此动态系统的Simulink模型并进行简单的仿真分析。系统输入input为单位阶跃，各参数如下：48简化后的飞行控制系统output_G(s)Kb*sKainput_49具体要求如下：1）采用自顶向下的设计思路。2）对虚线框中的控制器采用子系统技术。3）用同一示波器显示输入信号input与输出信号output。4）输出数据output到MATALAB工作空间，并绘制图形。50解答：选择合适的系统模块（组件）1）Sources模块库的Step阶跃输入模块。2）Sinks模块库中Scope模块。3）Sinks模块库中ToWorkspace模块。4）Subsystems模块库中的Subsystem模块。5）Signal&Systems模块库中的Mux模块6）Math模块库中的Sum模块。51子系统所需模块7）Continuous模块库中Derivative模块。8）Continuous模块库中的Zero-Pole模块。9）Math模块库中的Gain模块、Sum模块。52相应的操作：1）连接主系统中各模块。2）双击子系统，对空的子系统进行编辑。3）配置子系统参数。4）配置主系统参数。5）保存模型，运行系统，进行仿真。6）在MATLAB中绘制输出信号。531）在控制器中Kb*s模块的实质为微分，故使用Derivative模块实现。2）G(s)采用零极点模型表示，故使用Zero-Pole模块，由于G(s)无零点，在其设置中用[]表示。54主系统模型及ToWorkspace模块参数设置55子系统模型及Zero-Pole模块参数设置56示波器输出57使用如下的命令绘制出曲线subplot(1,2,1),plot(tout,simout(:,2)),grid;%绘制输入信号subplot(1,2,2),plot(tout,simout(:,1)),grid;%绘制系统仿真输出信号58系统仿真绘制输出图形59仿真参数设置高级选项与诊断项用户需要对系统进行控制以满足特殊的要求。模块组合逻辑信号检测状态设置60诊断选项仿真中可能出现的问题问题解决方法边界检测一致性检测616回声实验P343当直达声波到达后，声音经反射介质反射、折射，又反射道声源处的声波。称为回波。直达波和回波间的时延大于1/20s，清楚地进行区分小于1/20s，使声音更加洪亮62影响回波的主要参数：1、回波的时延2、传输及反射中的衰减63反射衰减传输衰减64操作步骤：1、通过Matlab的界面将mtlb.mat中的数据输入道工作空间中file->inportdata；2、演示对于不同的时延、不同的仿真结束时间等参数所对应的接收信号。65多普勒效应