《MATLAB 8.X程序设计及典型应用》课件第7章

7.1Simulink的启动和模型库7.2模型文件的创建和保存7.3仿真的配置7.4子系统及其封装7.5在MATLAB指令窗中运行 Simulink模型第7章Simulink交互式仿真集成环境

7.1Simulink的启动和模型库

如果用户在安装MATLAB的过程中选择了Simulink组件，则在MATLAB安装完成后，Simulink也安装完毕。用户必须注意，Simulink不能独立运行，只能在MATLAB环境中运行。7.1.1Simulink的启动与退出

在MATLAB的命令窗口输入语句simulink并执行：

>>simulink图7.1Simulink模块库浏览器图7.2Simulink按钮7.1.2Simulink常用模块

1．信号源子模块库(Sources)

信号源子模块库提供的模块都没有输入端口，而至少有一个输出端口。信号源子模块库中提供了很多标准信号，各模块的图标、名称、功能见表7-1。

2．连续系统子模块库(Continuous)

连续系统子模块库提供了诸多关于连续系统运算的模块，包括微分运算、积分运算等，其图标、名称和功能见表7-2。

3．离散系统子模块库(Discrete)

离散系统子模块库提供了诸多关于离散系统运算的模

块，包括滤波器、差分运算等，其图标、名称和功能见表

7-3所示。

4．数学运算子模块库(Math)

数学运算子模块库提供了诸多关于数学运算的模块，其中主要运算模块的图标、名称和功能见表7-4所示。

5．提取信号子模块库(Sinks)

提取信号子模块库中提供的模块用来输出系统仿真的结果。它只有输入端口，用以接收模型传递过来的信号。提取信号子模块库各模块的图标、名称和功能见表7-5所示。

6．用户自定义的函数子模块库(User-DefinedFunctions)

用户如果自己编写函数文件来实现某一功能，可以使用用户自定义的函数子模块库中的模块。用户自定义函数子模块库中的各模块图标、名称和功能见表7-6所示。图7.3获取模块帮助信息

7.2模型文件的创建和保存

【例7-1】创建模型并分析结果。

(1)进入Simulink环境。

在MATLAB指令窗内执行“Simulink”或者单击MATLAB主窗口工具栏上的图标，打开Simulink模块库浏览器窗口(如图7.1所示)，单击该窗口工具条上的新建图标按钮，打开一个未命名(untitled)的空白模型窗，如图7.4所示。图7.4Simulink新建模型窗

(2)进入信号源子模块库，添加正弦信号发生器模块，查看默认参数或重新设置参数。

鼠标单击图7.1界面上的“Sources”，进入信号源子模块库，选择正弦信号图标，鼠标右击，选择“Addto…”选项，将该框图添加到模型窗中，如图7.5所示。图7.5信号源子模块库图7.6正弦信号发生器的Simulink仿真参数设置界面

(3)进入输出子模块库，选择输出方式。

鼠标单击图7.1界面上的“Sinks”子模块库，选择示波器(Scope)图标，将其添加到模型窗中。图7.7示波器及其参数设置对话窗图7.8双显示示波器的参数设置

(4)进入数学运算子模块库，选取叠加函数模块。

鼠标单击图7.1界面上的“MathOperations”，选择“Add”的图标，并将其添加到模型窗中。鼠标双击该模块，将其设置成“+-”形式，如图7.9所示。图7.9Add模块参数的设置

(5)搭建模型，完成仿真。

在未命名的模型窗中，用鼠标画线，将各个模块连接成一个完整的模型。具体连线操作为：先将光标指向一个模块的输出端，待光标变为十字符后，按下鼠标左键并拖动，直到另一模块的输入端。如果需要将连接线分支，则需将光标指向信号线的分支点上，按鼠标右键，待光标变为十字符后，拖动鼠标直到另一模块的输入端即可。连接线的箭头指向为信号流动方向。模型见图7.10。图7.10信号叠加的Simulink模型图7.11输入信号x1和x2以及输出信号x波形图

(6)仿真结果的分析。

本例选择三个单踪示波器，分别显示正弦信号、余弦信号和运算后的信号。为了更好地比对信号运算后的变化，用户可以将三个信号送给基本工作空间(WorkSpace)，变量名称分别为x1，x2，x，并以数值形式保存。具体设置为：勾选“Savedatatoworkspace”，变量名改为x1，在“Format”下拉菜单中选择“Array”，然后点击“OK”或者“Apply”完成设置。图7.12所示为正弦信号x1的设置。信号x2、x的设置方法同上。图7.12示波器参数设置图7.13仿真结果的M文件绘图若要打开该文件，可以通过以下3种方法实现：

(1)在MATLAB指令窗中输入模型文件名。注意：不要带扩展名，但该文件一定要在当前目录或MATLAB的搜索路径上，否则必须注明路径目录。

(2)点击模块库浏览器或某一模型窗中的菜单File→Open，选中该模型文件打开。

(3)点击模块库浏览器或某一模型窗中的图标，打开该模型文件。

7.3仿 真 的 配 置

Simulink模型实际上是一个计算机程序，它定义了描写被仿真系统的一组微分方程或差分方程。当对模型窗中的模型进行仿真时，Simulink系统就开始用一种数值解算方法求解方程。用户在对模型进行仿真时，如果不做特别设置(如例7-1)，Simulink总以默认的参数进行数值解算。图7.14Simulink仿真参数配置窗口7.3.1仿真时间选项

参数配置窗口中的时间选项提供了起始时刻(Starttime)和终止时刻(Stoptime)的参数设置，默认时分别为0和10，表示仿真时长为10秒。如果解算器设置的计算步长为0.01，则计算机需要执行1000步结束。如果将计算步长设置得长一些，比如0.1，则相应地计算机执行次数就减少，即100步即可完成。因此，这里的时间概念和计算机真实地执行时间是有差别的。相同的时间设置，如果计算步长设置得越长，则实际的执行时间就越短。7.3.2解算器选项

在解算器选项解算类型(Tyep)中，有变步长(Variable-step)和定步长(Fixed-step)两种。对于变步长选项，在算法(Solver)选项中列出了多种变步长解算方法，对于连续系统，默认的算法ode45即为最佳算法，建议其对应的最大步长(Maxstepsize)、最小步长(Minstepsize)和初始步长(Initialstepsize)使用默认(auto)值，如图7.15(a)所示。对于离散系统，Simulink一般默认选择定步长算法，如图7.15(b)所示，其中默认算法ode4即为最佳算法。图7.15Simulink解算器选项图7.16范德波(VandePol)微分方程的Simulink模型在仿真配置选项里，将图7.17中的Stoptime设置为15；在解算器选项中选择变步长的ode23算法。启动仿真，仿真结束后在MATLAB工作空间产生了变量tout、y1、y2。在MATLAB指令窗中输入指令并执行：

>>plot(tout，y1，‘r-.’，tout，y2，‘LineWidth’，3)

>>legend(‘x(t)’，‘dx(t)/dt’，2)

>>gridon

结果如图7.17所示。图7.17范德波(VandePol)微分方程的Simulink实现图7.18范德波(VandePol)微分方程的相轨迹图7.19关于模块操作的子菜单图7.20数学函数模块的参数设置

【例7-3】某饱和非线性系统如图7.21所示，求该系统的单位阶跃响应。图7.21饱和非线性系统创建Simulink模型，如图7.22所示。图7.22饱和非线性系统的Simulink模型传递函数(TransferFcn)模块位于图7.1界面上的“Continuous”模块库内，将该模块添加到模型窗中，双击该模块，进入传递函数(TransferFcn)模块的参数设置界面。输入设计中的参数值，如图7.23所示。图7.23传递函数(TransferFcn)模块的参数设置图7.24饱和非线性系统的阶跃响应

7.4子系统及其封装

对于简单的动态系统，涉及的元件较少，功能简单，可以用Simulink系统建模仿真。但对于大型复杂系统，由于涉及的模块比较多，直接由基本模块构成的Simulink模型会非常庞大和复杂，模型中的信号流向也不容易辨认，给模型的检测和调试都带来了麻烦。因此，针对庞大的模型，用户可以将各个独立功能部分封装成子系统(Subsystem)模块，这样整个系统的结构和层次变得清晰明了，而且由于各独立功能子模块进行了封装，可移植性也大大加强。7.4.1子系统的创建

正如函数文件中的子函数，Simulink模型中也存在子系统。创建子系统的方法有两种：

(1)在已经建立好的模型中创建子系统。

【例7-4】(续例7-3)创建子系统示例。

将上例Simulink模型“MATLABFcn”模块替换为“CommonlyUsedBlocks”模块库中的“saturation”模块，将文件命名为exm4并保存。在“exm4.mdl”窗口中，用鼠标拖出虚线框，框住需要加入子系统的模块。然后右击鼠标，在打开的菜单选项里选择“CreatSubsystem”，如图7.25(a)所示。图7.25(b)中的模块名默认为“Subsystem”，用户可以修改模块名称。图7.25创建子系统演示图7.26子系统模型窗

(2)在仿真模型中使用Subsystem模块建立空白子系统。

选择Parts&Subsystems子模块库中的Subsystem模块，双击该模块，可以编辑子系统的模型。在空白的子系统中，只有一个输入端口和一个输出端口。用户还可以在该模块中添加输入和输出端口。7.4.2封装子系统

1．封装子系统的步骤

封装子系统的步骤为：

(1)选中需要封装的子系统，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Mask”→“CreatMask...”，打开如图7.27所示的封装编辑器(MaskEditor)对话窗。图7.27封装编辑器对话窗

(2)设置封装编辑器中的各项选项，单击“OK”、“Apply”即可。

封装编辑器对话窗用于创建自定义的子系统图标和参数选项，完成初始化封装后的子系统参数以及为子系统创建在线使用说明。

2．封装编辑器(MaskEditor)

1)图标(Icon&Ports)选项及其设置

封装编辑器对话窗中的图标(Icon)选项如图7.28所示，它主要用于设置子系统封装的图标，还包括创建描述文本、数学模型等。图7.28图标选项设置窗口

2)参数(Parameters)选项及其设置

参数(Parameters)选项用来封装子系统模型中的变量名称以及相应的提示，MATLAB7.X和8.X在这个界面调整较大。图7.29分别给出了两种界面。图7.29参数(Parameters)选项

3)初始化(Initialization)选项及其设置

初始化选项如图7.30所示。初始化指令(Initializationcommands)用于输入合法的执行指令，用于设置子系统模块

的初始化信息，包括变量的初始值设定、参数的相关运算含义等。图7.30初始化(Initialization)选项

4)文档(D