Simulink在系统仿真中的应用

第5章

Simulink在系统仿真中的应用本章主要内容Simulink建模的基础知识Simulink建模与仿真非线性系统分析与仿真子系统与模块封装技术M-函数、S-函数编写及其应用本章要点小结5.1Simulink基本知识>>

simulink

>>open_system(‘simulink’)

(2)单击Simulink的快捷启动按钮“”；(3)“Start”菜单中，单击“Simulink”子菜单中的“LibraryBrowser”选项。Simulink的启动Simulink提供了各种各样的模块，允许用户用框图的形式搭建起任意复杂的系统5.1.2Simulink下常用模块简介1.输入模块组Sources2.输出池模块组sbfSinks3.连续系统模块组Continuous4.离散系统模块组Discrete5.非线性模块组Discontinuities6.数学函数模块组MathOperations7.查表模组块Look-upTables8.用户自定义函数模块组User-definedFunctions9.信号模块组SignalRouting10.信号属性模块组SignalAttributes功能菜单仿真模块集SIMILINK模块库按功能进行分类SourcesSinksContinuousDiscreteDiscontinuousMathUser-definedFunctionsSignalRoutingSignalAttributes1）信号源模块库(Sources)产生常数值，一般做给定输入产生正弦波、方波、锯齿波、随机信号产生阶跃信号，开关信号从工作空间中读数据从文件中读数据输出仿真中的当前时间输入接口将对应模块拖入编辑窗口，双击该模块可以进行相应参数设置2）接收模块库(Sinks)显示数据结果，显示数据随时间变换的过程把输入值保存到mat文件指定的变量中把数据写入到工作空间的给定名字的矩阵中输出接口3）连续模块（Continuous）输入信号积分输入信号微分线性状态空间系统模型线性传递函数模型以零极点表示的传递函数模型输入输入信号延时一个可变时间再输出输入信号延时一个固定时间再输出4）离散系统模块库（Discrete）一阶采样和保持器零阶采样和保持器单位时延状态空间模块积分模块IIR与FIR滤波器离散传递函数模型以零极点表示的离散传函5）非连续模块（Discontinuous）滞环非线性死区非线性饱和非线性6）数学运算模块库(MathOperations)Sum：加减运算Product：乘运算DotProduct：点乘运算Gain：比例运算MathFunction：包括指数函数、对数函数、求平方、开根号等常用数学函数MinMax：最值运算Abs：取绝对值Sign：符号函数6）数学运算模块库(MathOperations)7）用户自定义模块库(User-definedFunctions)用户自编函数S函数8）信号模块组(SignalRouting)Mux—多路信号组成向量Demux—向量分解为若干单路信号Switch—开关模块9）信号属性模块组(SignalAttributes)DataTypeConversion信号类型转换模块RateTransition采样周期转换模块IC初始条件设置模块10）其他

5.2Simulink建模与仿真1、Simulink采用方框图“抓取”功能构造模型，系统创建过程就是绘制方框图的过程。Simulink中方框图的绘制完全依赖于鼠标操作。步骤：①打开模型编辑窗口；②拖动相关模块；③修改模块参数；④模块连接；⑤系统仿真并保存模型；例：求惯性环节阶跃响应建立方框图（1）模型编辑窗口若想新建一个控制系统结构框图，则首先应该打开一个标题为“Untitled”的空白模型编辑窗口。

创建一个新的模型编辑窗口有以下三种方法：）在Simulink库浏览窗口中，点击工具条中的新建模型窗口按钮；）在Simulink库窗口中选择菜单命令File|New|Model；)在MATLAB指令窗口中选择菜单命令File|New|Model。（2）SIMILINK建立方框图1)双击信号源库sources；2)选择信号源库中的step模块，使用鼠标左键将其

拖入模型窗口，模型窗口中出现一个step模块，双击设置参数；3)双击连续模块中的传递函数模块，使用鼠标左键将其拖入模型窗口，双击设置参数；4)打开显示模块，使用鼠标左键将示波器拖入模型窗口；5)点击输入>输出<端口，联结两个模块SIMILINK模块连接用线将各种功能模块进行连接用鼠标可以在功能模块的输入与输出端之间直接连线。线的分支：按住鼠标右键，在需要分支的地方拉出即可。或者按住Ctrl键，并在要建立分支的地方用鼠标拉出即可。或从输入端拉线到分支点

3）开始仿真1)在模型窗口的Simulink菜单中选择Start，开始仿真；2)双击Scope模块，看仿真结果时间长度10msode45模型保存1)File--Save；2)File—Saveas2

SIMILINK模块库操作在模型窗口中，选中模块，则其4个角会出现黑色标记。此时可以对模块进行以下的基本操作。移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置。复制：选中模块，按住鼠标右键拖曳。删除：选中模块，按Delete键即可。若要删除多个模块，可以同时按住Shift键，再用鼠标选中多个模块，按Delete键即可。也可以用鼠标选取某区域，再按Delete键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删除。转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。Ctrl+I旋转180度，Ctrl+R顺时针旋转90度。改变大小：选中模块，对鼠标移到角上出现，进行拖曳。模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，直接更改即可。颜色设定：FormatForegroundColor改变模块的前景颜色，BackgroundColor改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过ScreenColor来改变。参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进行参数设定。或点击鼠标右键，选择Blockparameters参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助。通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。3仿真算法与控制参数选择

在启动仿真开始之前，首先应选择系统模型窗口中的SimulationConfigurationParameters命令来设置仿真算法和参数Solver页，它允许用户设置仿真的开始和结束时间，选择解法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。WorkspaceI/O页，作用是管理模型从MATLAB工作空间的输入和对它的输出。Diagnostics诊断页，允许用户选择Simulink在仿真中显示的警告信息的等级。1、Solver页该页面用来设置仿真开始和停止时间、选择仿真算法和指定算法的参数等1)仿真时间(Simulationtime)

仿真时间是由参数对话框中的开始时间(StartTime)和停止时间(StopTime)框中的内容来确定的，它们均可修改，缺省的开始时间为0.0秒，停止时间为10.0秒。在仿真过程中允许实时修改仿真的终止时间(StopTime)2)求解器选项(Solveroptions)Simulink提供了变步长(Variable-step)和定步长(Fixed-step)两大类数值积分算法。对于变步长算法，可以设定最大步长（Maxstepsize）、最小步长(Minstepsize)、起始步长（Initialstepsize）、相对容差(Relativetolerance)和绝对容差(Absolutetolerance)。对于定步长算法，可以设定固定步长（Fixedstepsize）和选择仿真模式(Mode)。因此为得到准确仿真结果，必须针对不同模型仔细选择算法及参数。（3）误差容限相对容差(Relativetolerance)和绝对容差(Absolutetolerance)中所填写的容差值是用来定义仿真精度的。在变步长仿真过程中，算法会把算得的局部估计误差与这里填写的容许误差限相比较，当误差超过这一误差限时会自动对仿真步长作适当修正，所以说在变步长仿真时，误差限的设置是很重要的，它关系到微分方程求解的精度。误差限经常在0.1和1e-6之间取值，它越小，积分的步数就越多，精度也越高，但是过小（如1e-10）由于计算舍入误差的显著增加，而影响整个精度，误差限在仿真过程中允许实时修改。2、WorkspaceI/O页Savetoworkspace：设置保存到MATLAB工作空间的变量类型和变量名。设置与MATLAB工作空间交换数值的有关选项。Loadfromworkspace：从MATLAB工作空间获取时间和输入变量，一般时间变量定义为t，输入变量定义为u。Initialstate用来定义从MATLAB工作空间获得的状态初始值的变量名。Saveoption：用来设置存往工作空间的有关选项。仿真结果分析设置完以上仿真控制参数后，则可选择Simulation|Start命令来启动仿真过程,在仿真结束时会自动发出一声鸣叫。在仿真过程中还允许采用Simulation菜单下的Pause和Continue命令来暂停或继续仿真过程，若选择Simulation|Stop命令,则人为中止仿真过程。结果分析有助于模型的改进和完善，同时结果分析也是仿真的主要目的。仿真结果可采用以下几种方法得到。

在示波器模块的窗口中，利用快捷按钮“”，可打开示波器模块参数(parameters)对话框。示波器参数对话框中有两个页面，图（a）为一般参数设置（General），图（b）为数据存储参数设置（Datahistory）。(1)利用示波器模块(Scope)得到输出结果除了示波器形象的输出之外，用户还可以用ToWorkspace模块或Out1模块将仿真结果返回到MATLAB的工作空间变量中，这样返回的结果当然可以利用MATLAB命令来进一步处理。(2)利用输出接口模块(Out1)得到输出结果利用输出接口(Out1)模块把仿真结果返回到MATLAB的工作空间时，就必须选定DataImport/Export页面中的时间变量(Time)和输出变量(Output)对话框，对话框中的变量名即可采用默认的，也可根据需要更名。状态变量(States)和终值状态变量(Finalstate)对话框为任选。例对图所示的模型框图进行仿真。MATLAB工作窗口，运行命令：>>plot(t,y)便可得到如图所示的图形。(3)利用把数据传送到工作空间模块(ToWorkspace)利用ToWorkspace模块向MATLAB工作空间传送数据时，应该为其指定一个变量名，它是通过用鼠标左键双击该模块的图标来完成的，这将给出如图所示的对话框。用户可以在Variablename(变量名)引导的编辑框中输入相应的变量名。除了用Simulation菜单启动系统仿真的进程外，还可以调用sim()函数来进行仿真分析，该函数的调用格式为:仿真控制参数options可以通过simset()函数来设置，其调用格式为:【例5-1】考虑图5-16中给出的典型非线性反馈系统框图，其中控制器为PI控制器，其模型为:创建复杂模型5.2.3应用举例例5-2例5-3多变量系统阶跃响应例5-4计算机控制系统仿真例5-5时变系统仿真例5-6多采样系统仿真例5-5时变系统仿真5.4子系统与模块封装技术子系统概念及构成方法模块封装方法模块集构造5.4.2模块封装方法第一节活塞式空压机的工作原理第二节活塞式空压机的结构和自动控制第三节活塞式空压机的管理复习思考题单击此处输入你的副标题，文字是您思想的提炼，为了最终演示发布的良好效果，请尽量言简意赅的阐述观点。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor压缩空气在船舶上的应用：

1.主机的启动、换向；

2.辅机的启动；

3.为气动装置提供气源；

4.为气动工具提供气源；

5.吹洗零部件和滤器。

排气量:单位时间内所排送的相当第一级吸气状态的空气体积。单位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor空压机分类：按排气压力分：低压0.2～1.0MPa；中压1～10MPa；高压10～100MPa。按排气量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor第一节活塞式空压机的工作原理容积式压缩机按结构分为两大类：往复式与旋转式两级活塞式压缩机单级活塞压缩机活塞式压缩机膜片式压缩机旋转叶片式压缩机最长的使用寿命-

----低转速（1460RPM），动件少（轴承与滑片），润滑油在机件间形成保护膜，防止磨损及泄漏，使空压机能够安静有效运作；平时有按规定做例行保养的JAGUAR滑片式空压机，至今使用十万小时以上，依然完好如初，按十万小时相当于每日以十小时运作计算，可长达33年之久。因此，将滑片式空压机比喻为一部终身机器实不为过。滑(叶)片式空压机可以365天连续运转并保证60000小时以上安全运转的空气压缩机1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.凸凹转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。螺杆式气体压缩机是世界上最先进、紧凑型、坚实、运行平稳，噪音低，是值得信赖的气体压缩机。螺杆式压缩机气路系统：

A

进气过滤器

B

空气进气阀

C

压缩机主机

D

单向阀

E

空气/油分离器

F

最小压力阀

G

后冷却器

H

带自动疏水器的水分离器油路系统：

J

油箱

K

恒温旁通阀

L

油冷却器

M

油过滤器

N

回油阀

O

断油阀冷冻系统：

P

冷冻压缩机

Q

冷凝器

R

热交换器

S

旁通系统

T

空气出口过滤器螺杆式压缩机涡旋式压缩机

涡旋式压缩机是20世纪90年代末期开发并问世的高科技压缩机，由于结构简单、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪声、长寿命等诸方面大大优于其它型式的压缩机，已经得到压缩机行业的关注和公认。被誉为“环保型压缩机”。由于涡旋式压缩机的独特设计，使其成为当今世界最节能压缩机。涡旋式压缩机主要运动件涡卷付，只有磨合没有磨损，因而寿命更长，被誉为免维修压缩机。

由于涡旋式压缩机运行平稳、振动小、工作环境安静，又被誉为“超静压缩机”。

涡旋式压缩机零部件少，只有四个运动部件,压缩机工作腔由相运动涡卷付形成多个相互封闭的镰形工作腔，当动涡卷作平动运动时，使镰形工作腔由大变小而达到压缩和排出压缩空气的目的。活塞式空气压缩机的外形第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）工作循环：4—1—2—34—1吸气过程

1—2压缩过程

2—3排气过程第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）

压缩分类：绝热压缩：1—2耗功最大等温压缩：1—2''耗功最小多变压缩：1—2'耗功居中功＝P×V（PV图上的面积）加强对气缸的冷却，省功、对气缸润滑有益。二、实际工作循环（单级压缩）1.不存在假设条件2.与理论循环不同的原因：1）余隙容积Vc的影响Vc不利的影响—残存的气体在活塞回行时，发生膨胀，使实际吸气行程（容积）减小。Vc有利的好处—

（1）形成气垫，利于活塞回行；（2）避免“液击”（空气结露）；（3）避免活塞、连杆热膨胀，松动发生相撞。第一节活塞式空压机的工作原理表征Vc的参数—相对容积C、容积系数λv合适的C：低压0.07-0.12

中压0.09-0.14

高压0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容积Vc的影响C越大或压力比越高，则λv越小。保证Vc正常的措施：余隙高度见表6-1压铅法—保证要求的气缸垫厚度2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理2）进排气阀及流道阻力的影响吸气过程压力损失使排气量减少程度，用压力系数λp表示：保证措施：合适的气阀升程及弹簧弹力、管路圆滑畅通、滤器干净。λp

（0.90-0.98）2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理3）吸气预热的影响由于压缩过程中机件吸热，所以在吸气过程中，机件放热使吸入的气体温度升高，使吸气的比容减小，造成吸气量下降。预热损失用温度系数λt来衡量（0.90-0.95）。保证措施：加强对气缸、气缸盖的冷却，防止水垢和油污的形成。2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理4）漏泄的影响内漏：排气阀（回漏）；外漏：吸气阀、活塞环、气缸垫。漏泄损失用气密系数λl来衡量（0.90-0.98）。保证措施：气阀的严密闭合，气缸与活塞、气缸与缸盖等部件的严密配合。5）气体流动惯性的影响当吸气管中的气流惯性方向与活塞吸气行程相反时，造成气缸压力较低，气体比容增大，吸气量下降。保证措施：合理的设计进气管长度，不得随意增减进气管的长度，保证滤器的清洁。2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理上述五条原因使实际与理论循环不同。4）漏泄的影响5）气体流动惯性的影响1）余隙容积Vc的影响2）进排气阀及流道阻力的影响3）吸气预热的影响2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理3.排气量和输气系数理论排气量Vt----单位时间内活塞所扫过的气缸容积。实际排气量Q：Q=Vt