第六章 simulink模块库介绍.ppt

1、第六章 simulink模块库介绍,6.1常用模块库,初学simulink，常用模块 （commonly used blocks）使用最为频繁。在Simulink浏览器中，单击左侧“commonly used blocks”节点，可打开常用模块库。,图 1 常用模块库,常用模块库包括：Bus creator（总线信号产生器）,commonly bus selector（常用总线信号选择器）,constant（常数模块）,data type conversation（数据类型转换）,demux（信号分离器）,mux（信号合成器）,gain（增益）等。,1、总线信号生成与总线信号选择模块,Bus

2、creator用于将多个信号合成为一个总线信号；Bus selector选择总线信号的一个或多个。 如图2所示，有三种输入信号：正弦、阶跃、脉冲。为便于观察，设置阶跃信号阶跃时间为1.2s，初始值为0，终止值为0.5（如图3所示）。Bus creator输入信号改为3（图4）。Bus selector选择信号1和3（图5）。双击scope模块，再单击Parameters参数，将坐标数改为2。最终运行效果如图6所示。,图 2,图 3,图 4,图 5,图 6,2、信号合成与信号分离模块,mux和demux功能与总线信号生成和总线信号选择模块近似。但是mux与demux是对所有信号进行合成与分离的。

3、 双击mux模块，在参数对话框将number of inputs参数改为3。同样设置demux，将number of outputs参数改为3。仿真结果如图8所示。,图 7,图 8,3、数据类型转换模块,Data type conversion 可将输入数据类型转换为指定输出类型。具体选择有：inherit（与输入数据保持一致）、double、single、int8等。同时可以选择取整方向。Zero:向零取整；nearest：向最接近整数取整；floor:向负无穷取整；ceiling:向正无穷取整。,4、积分模块,Integrator模块为连续时间积分单元。双击图9中该模块，在initial

4、condition可设置积分其初始值，在limit output可设置输出最大和最小值。仿真运行结果如图10所示。,图 9,图 10,5、离散时间积分模块,Discrete time integrator（离散时间积分），可完成离散系统积分作用。如图11所示，双击离散积分模块，设置gainvalue（积分增益值），改变积分速度。在sample time文本框可设置离散积分采样时间，如设置为-1，表示与输入信号采样时间一致。在limit output可设置积分输出上下限。在图11中设置Discrete time integrator1模块增益值为2，采样时间为0.5,仿真结果如图12所示。,图

5、11,图 12,6、乘法与加法模块,product乘法器模块用以求输入信号的乘积,双击模块可设置端口数。Sum模块用来求输入信号的加、减。在list of signs可设置加减法符号。在Icon shape列表可修改其外形。,7、关系操作及逻辑操作模块,Relation operator关系操作模块可用来比较两个输入信号的大小关系。Logic operator逻辑操作模块可用来求两输入变量的逻辑操作。,图 13,例：此系统可用如下方程表示 系统的输出只与当前的输入值有关，而且随着仿真时间的继续在两个不同的代数方程之间切换。,图 14,图 15,这里使用Signal Routing模块库中的Sw

6、itch模块实现切换功能。Switch模块有三个输入端口，它根据第二个输入端口(中间的输入)的值来判断输出第一个输入端口(最上面的端口)或第三个输入端口(最下面的端口)的值，因此，第一个输入和第三个输入被称为数据输入，而第二个输入则被称为控制输入。图16是Switch模块的参数对话框。,图 16,8、增益、输入、输出及终端模块,Gain可用来设置信号的放大倍数；in1（输入）在建子系统时作为信号的输入接口； out1（输出）在建子系统时作为信号的输出接口；终端(Terminator)可用来连接没有与其它模块连接的输出端口。,6.2连续系统模块库,严格说来，一个具体的物理系统通常都是非线性系统，

7、而且是以分布参数的形式存在的，但是由这样的非线性系统建立的数学模型，在需要求解非线性方程和偏微分方程时，是非常困难的。因此，在误差允许的范围内，可以将非线性模型线性化，或者直接用线性集总参数模型描述物理系统。Simulink中的Continuous模块库提供了适用于建立线性连续系统的模块，包括积分器模块、传递函数模块、状态空间模块和零-极点模块等，这些模块为用户以不同形式建立线性连续系统模型提供了方便，如图17所示。,图 17,连续模块组,传递函数模块 状态方程模块 零极点增益模块 微分器、积分器、延迟、PID控制器,图18所示为弹簧质量阻尼器系统。图中，小车所受外力为F，小车位移为x。设小车

8、质量为m=1，弹簧弹性系数k=3，阻尼系数f=4。设系统的初始状态设为静止平衡点 外力函数为幅值等于1的阶跃量，仿真此小车的运动。,图 18,解法1： 构建常微分方程,根据牛顿运动定律，得到小车的运动方程 将相关参数代入上式得 将上述微分方程改写为 式中,利用积分模块构建simulink模块,u(t),x,x,x,图 19,图 20,小车位移随时间的变化,解法2： 利用传递函数,利用拉普拉斯变换，弹簧质量阻尼器微分方程可以转化为如下形式的传递函数 代入参数值，有,图 21,解法3：零极点表达式,零极点表达式与传递函数相同，由解法2的传递表达式，我们可以得到,图 22,解法4：状态方程,状态空间

9、方程具有如下一般形式：,可以求得：,图 23,例 蹦极跳系统 按照物理规律，自由下落的物体满足牛顿运动定律：F = ma。在这个系统中，假设绳子的弹性系数为k，它的拉伸影响系统的动力响应。如果定义绳索下端的初始位置为0位置，x为拉伸位置，那么用b(x)表示绳子的张力，这个影响可以表示为,设m为人的质量，g是重力加速度，a1、a2是空气阻尼系数，则系统方程可以表示为 在MATLAB中建立这个方程的Simulink模型，这里需要使用两个积分器，因为方程中包含的导数的最高阶数为2，一旦x及其导数模型建立完毕，则可以使用一个增益模块(Gain模块)表示空气阻力比例系数，并使用Function模块表示空

10、气阻力中的非线性部分。因为b(x)是通过门槛为0的x条件式确定的，所以这里使用一个Switch模块来实现判断条件。最终的系统Simulink模型方块图如图24 所示。,图 24,图 25,6.3非连续系统模块库,此模块库在以前版本中也成为非线性模块库，包含一些非线性运算模块。,图 26,1、saturation（饱和度）模块 该模块对一个信号设定上下限。当输入在lower limit和upper limit范围内变化时，输入信号无变化输出。若输入信号超出范围，则信号被限幅（值为上限或下限）。,图 27,2、dead zone（死区模块） 模块的输出取决于输入和截止区的大小： （1）若输入落在截

11、止区内，则输出为0 （2）若输入大于或等于上限值，则输出等于输入减去上限值。 （3）若输入小于或等于上限值，则输出等于输入减去下限值。,图 28,3、wrap to zero（限零）模块 当输入信号超过threshold参数限定值时，模块产生零输出；当输入信号小于或等于限定值时，输入信号无变化输出。,图 29,4、backlash（磁滞回环）模块 该系统可以在三种模式之一： Disengaged 在这种模式下，输入不驱动输出，输出保持不变。 Engaged in a positive direction 在这种模式下，输入增加（具有正斜率），输出等于输入减去死区宽度的一半。 Engaged i

12、n a negative direction 在这种模式下，输入降低（具有负斜率），输出等于输入加上死区宽度的一半。,Backlash块好似两个齿啮合 下面这张图说明当输入在死区宽度内，输入不驱动输出，即处于disengaged模式。 第二张图说明输入到达边界时，进入Engaged in a positive direction 模式。,图 30,图 31,最后一张图说明，当进入engaged 模式时，输入如何影响输出。,图 32,上图中backlash模块使用默认设置：deadband width=1，初始输出为0.,图 33,图 34,5、继电器(relay)模块 在两个值中轮流输出。当模

13、块状态为on时，此状态一直保持直到输入下降到比swich off point参数值小；若为off，此状态一直保持直到输入超过swich on point参数值。,图 35,6.4离散系统模块库,离散系统模块主要包括用于建立离散采样系统的模块。该模块库主要包括：,图 36,1、unit delay（单位延迟)模块 该模块延迟一个采样周期。 2、integer delay（整数延迟）模块 该模块将输入延迟N个采样周期，N为自然数。,图 37,例：人口的动态变化 一年的人口数量依赖于： (1)前一年的人口 (2)人口的繁殖速率r，假设r=1.05 (3)资源K，假设K=1000000 (4)人口的初

14、始值，假设为100000 整个系统的动力学模型可由下面的差分方程给出：,图 38,图 39,3、discrete transfer fcn（离散传递函数）模块 Discrete Transfer Fcn模块主要是以z多项式形式描述离散系统。 Discrete Transfer Fcn模块可实现如下标准形式的传递函数： num和den包含z按降幂排列的分子和分母系数，分子的阶次必须大于或等于分母的阶次。,例：描述某LTI系统的方程为： 求系统的单位序列零状态响应h(k)。 解：对方程进行z变换得 由上式可得,图 40,图 41,4、 Discrete Zero-Pole （零极点传递函数）模块

15、Discrete Zero-Pole模块用来实现零极点形式的离散系统，对于单输入单输出的系统，传递函数的形式如下： 这里，Z是零点向量，P是极点向量，K是零极点增益。极点的数目必须大于等于零点数目，即nm，零点和极点可以为复数。,对方程进行变换得,图 42,4离散滤波器Discrete Filter模块实现IIR和FIR滤波器，用户必须以z-1的降幂排列指定分子和分母系数。Discrete Filter模块通常是信号处理人员以z-1多项式形式描述数字滤波器，即,6.5逻辑与位操作模块库,Logic and bit operation（逻辑与位操作）模块库提供了建立逻辑系统及数字系统simuli

16、nk建模的基本模块。,图 42,6.6数学操作模块,Math operation（数学操作）模块库提供了与数学运算相关的simulink仿真模块。,图 43,1、sum,add,subtract,sum of elements 这几个模块通过参数设置，都可以实现加、减操作。 2、bias（偏差）模块 该模块用于将输入量加上偏差。所依据公式为： Y=U+Bias 式中，U为模块输入；Y为输出；Bias为偏差。 3、gain（增益）模块 将模块的输入乘上一个指定的常数、变量或表达式后输出。,4、Product（乘积）模块 该模块对输入进行乘法或除法运算。 5、math function（数学函数）

17、模块 该模块可以进行多种常用数学函数运算。 6、rounding function模块 该模块用于实现常用的数学取整函数。,6.7表格查询模块,Look up（表格查询）模块库可以用来建立一维、二维或多维表格查询的simulink仿真模型。主要模块如下图所示。其中主要包括：一维表格查询模块、二维表格查询模块、多维表格查询模块。,图 44,例：试建立一个二维表格查询的simulink仿真模型 如图45所示。双击sine wave模块，弹出参数对话框，设置如图46所示。对rounding function模块进行设置，如图47所示。双击lookup table(2-D)模块，在row index

18、input value文本框中输入行索引值，在column index input values文本框中输入列索引值。在table data文本框中输入表格元素值。,图 45,图 46,图 47,图 48,6.8端口与子系统模块,Port&subsystems（端口与子系统）模块库用于创建各类子系统模型。该模块库所含模块如下图所示。,图 49,8.9信号路由模块,Signal(信号路由)模块库用于控制信号的传递路径。打开信号路由模块库，如下图所示。,图 50,1、bus creator、bus select 它们分别用于生成信号总线或从输入总线上选择信号 2、manual switch、multiport switch 这两个模块可在模块输入信号之间进行选择。 3、merge(合并)模块 该模块用于合并多重信号到一个信号,例：用信号路由模块及其它模块建立simulink仿真模型,图 51,Pulse generator、sine wave以及step模块设置如下（其它使用默认设置）：,图 52,最后的仿真结果如下：,图 53,6.10接收模块,sinks（接收）模块库中主要包括：,图 54,1、terminator（信号终端）模