Simulink系统仿真绪论.ppt

1、第1章引言，1.1动态系统计算机模拟1.2动态系统Simulink模拟1.3书的组织结构，1.1动态系统计算机模拟，1.1.1系统和模型需要对系统模拟研究的对象进行概述，以便全面准确地了解系统模拟。这里简要介绍了系统仿真和相关的知识系统和系统模型。1 .系统系统是具有特定功能、互连和交互的元素集合。这里的系统是指广义的系统，是指自然界的所有现象和过程。它具有两个茄子基本特性：完整性和相关性。完整性意味着系统作为一个整体代表特定的功能，它是不可分割的。对所有系统的研究应从(1)实体：构成系统的元素、对象这三个茄子方面考虑。(2)属性：本体的性质。(3)活动：系统从一种状态转换到另一种状态的过程。

2、由于构成系统的实体之间的交互而导致的实体属性更改通常用状态变量描述。研究系统主要研究系统的动态变化。除了研究系统的物理属性活动外，还需要研究影响系统活动的外部条件(称为环境)。2 .系统模型系统模型是对实际系统的抽象，对系统的本质(或系统的特性)的说明。模型可以作为格式化实际对象或进程中信息的结果来查看。模型具有与系统相似的特性，可以以多种形式提供我们感兴趣的信息。模型可分为实体模型和数学模型模型。实体模型也称为物理效果模型，是基于系统之间相似性的物理模型。实体模型中最常见的是风洞干燥器实验中常用的翼型模型或建筑模型等比例模型模型。包括数学模型源系统数学模型和模拟系统数学模型。原始系统数学模型

3、是系统的原始数学说明。模拟系统数学模型是电脑中适于计算的模型，主要根据电脑的计算特性、模拟方法、计算方法、精度要求，将原始系统数学模型转换为计算机程序。数学模型可以分为多种类型。可根据状态变化分为动态模型和静态模型。用于描述系统状态变更过程的数学模型模型称为动态模型。静态模型仅反映平衡状态下系统特征值之间的关系，牙齿关系一般用代数方程来描述。根据输入和输出的关系，可以分为确定性模型和随机模型。如果系统的输出可以完全用该输入表示，则称为确定性系统。如果系统的输出是随机的，即对于给定的输入有多个可茄子的输出，则系统是随机的。离散系统是系统的运行和状态变化仅发生在离散时间的系统(例如，交通系统、电话

4、系统、通信网络系统等)，通常用各种概率模型来描述。连续系统模型还可以分为集中式参数和分布参数、线性和非线性、时变和时变、时间和频域、连续时间和离散时间等。表1.1列出了不同类型的数学模型和数学说明。表1.1数学模型分类，1.1.1计算机模拟1。仿真的概念仿真是基于相似性原理、控制论、信息技术和相关领域的知识，以电脑和各种专用物理设备作为工具，通过系统模型对物理系统进行实验的综合技术。使用物理或数学方法构建模型，比喻模拟现实过程，构建虚拟机以寻找过程规律，研究系统的动态特性，以实现理解和改造实际系统的目的。系统模拟包括相似性理论、控制论、计算机科学、系统工程理论、数值计算、概率论、数学统计、时间

5、序列分析等多种学科。相似原理是仿真的主要理论基础。相似性是指各种事务或对象之间存在的一些共同点。相似性是客观世界的普遍现象，反映了客观世界的其他事物之间存在着某种共同的规律。使用相似技术构建实际系统的相似模型是仿真的必要过程。2 .模拟分类根据实现，系统仿真可以分为(1)物理模拟，即物理仿真。是指开发特定的实体模型，以重现原始系统的各种状态。初始模拟的大部分属于此类别。它的优点是直观的形象，至今仍被广泛使用。但是，为系统构建物理模型将是一件非常复杂的事情，投资巨大，周期长，参数变化困难，灵活性差。(2)数学模拟：数学模拟是用数学语言表示系统，并对计算机中实际系统的研究过程进行编程。这种数学表达

6、就是数学模型。数学模拟将研究对象的结构特征或I/o关系抽象到数学说明(微分方程、状态方程、分析模型、统计模型)中，进行研究具有很大的灵活性，使系统结构、参数等更容易更改。而且速度快，可以在很短的时间内完成实际系统的长期动态演化过程。高准确度可让您依需要变更模拟的准确度。重复性好，容易再现模拟过程。(3)半实物模拟：也称为数学物理模拟或混合仿真。为了提高仿真的可靠性或针对某些难以建模的实体，系统研究中经常将数学模型、物理模型和实体组合在一起，以构成复杂的模拟系统。在模拟链接中具有实体的仿真称为半物理模拟或半物理仿真。这些模拟系统包括飞机半实物模拟、无线制导导弹半实物模拟等，许多模拟器也属于半实物

7、仿真。根据模拟系统与实际系统时间尺度的关系，可以分为以下类别：(1)实时模拟：模拟时钟和系统实际时钟。许多模拟应用程序必须满足实时性能，通常需要实时操作系统或专用实时模拟硬件支持。(2)欠实时模拟：比模拟时钟实际时钟慢。如果对模拟的实时性没有严格的要求，则模拟时钟速度比实际时钟慢，对模拟目的没有影响，进行欠实时模拟可以节省大量成本。(3)秒实时模拟：模拟时钟速度比实际时钟速度快。如果实际系统周期太长，采用实际时钟将毫无意义，则需要进行超实时模拟。3 .计算机模拟电脑仿真是在研究系统过程中根据类似的原理利用计算机使模拟研究对象变得真实。研究对象可以是实际系统，也可以是设想中的系统。直到没有计算机

8、，模拟使用物理或物理模型，即物理模拟进行了研究。物理模拟的优点是直接、图像、可靠性，缺点是模型有限、易于破坏、难以重复使用。计算机是最重要的模拟工具，推出了模拟器、模拟数码机、数字通用机、模拟专用机等多种型号，应用于各种模拟领域。除了称为计算机的主要模拟工具外，还有两种茄子类型的专用仿真器：在飞行模拟中广泛使用的转盘、各种风洞、手动等专用物理仿真器等。另一种是核电站训练、大型自动化工厂操作员和飞行员训练、宇航员教育仿真器、模拟工作台、模拟舱等用于教育目的的各种训练仿真器。1.1.1模拟的作用模拟技术具有很高的科研价值和巨大的经济效果。由于模拟技术的特殊功效，特别是安全性和经济性，模拟技术得到了

9、广泛应用。首先，由于模拟技术的应用节目安全，航空、航天、核电站等成为模拟技术最古老最重要的应用领域。概括地说，模拟技术的主要用途是：(1)优化系统设计。在实际系统构建之前，改变模拟模型结构，调整系统参数，优化系统设计。控制系统等数字信号处理系统的设计经常需要依赖仿真来优化系统性能。(2)系统故障郑在玹，发现故障的原因。实际系统故障再现必将带来一种危害性。这样做不安全，不经济，利用仿真再现系统故障安全经济。(3)确认系统设计的正确性。(4)对系统或子系统执行性能评估和分析。做很多物理模拟，比如飞机的疲劳试验。(5)教育系统操作员。在飞行模拟器、坦克模拟器等多种模拟器中很常见。(6)支持管理决策和

10、技术决策。1.1.1模拟算法和模拟软件1。构建模拟算法系统数学模型后，应将其转换为可在计算机上运行的模拟模型。由于计算机只能进行离散数值计算，所以必须推导出用于拆卸微分方程的朗格库塔算法等连续系统的迭代数学公式。这实际上属于数值计算的内容，其发展已经相当完善。实际上，这将数学模型转换为电脑算法设计，即可以在计算机上运行的模拟模型。一般来说，这种模拟算法不需要编制人员。因为这些算法已经内置在各种仿真专用软件中。但是对这些算法的理解无疑将有助于用户更好地完成模拟工作。通常，系统模拟算法类型为：(1)集中式参数系统模拟算法。(2)分布式参数系统模拟算法。(3)离散时间系统模拟算法。2 .模拟软件模拟

11、软件是针对模拟目的的专用软件，可以面向普遍模拟，也可以面向一个领域的模拟。其功能可概括如下：(1)为仿真提供算法支持。(2)用于建立计算机模拟模型的模型说明。(3)模拟实验的执行和控制。(4)模拟数据的显示、记录和分析。(5)模型、实验数据、文档资料和其他模拟信息的存储、检索和管理(即用于管理模拟数据信息的数据库系统)。根据软件功能，模拟软件可以分为以下三个茄子级别：(1)模拟库：由执行特定功能的一组程序组成，致力于特定问题或领域。可以是用通用语言(C、fortran等)开发的节目包，也可以是附加到统一模拟环境的库或模块库。(2)模拟语言：模拟语言大部分是面向特殊问题的高级语言，是针对模拟问题

12、的基于高级语言的研究。(3)整合模拟环境：设计、分析、建立系统模型、建立模拟节目、建立模拟模型、执行模拟实验、控制、观测、模拟资料记录、模拟结果分析、模拟模型验证等模拟使用的软体工具集合。1.1.1电脑模拟的一般过程电脑模拟的一般过程可以解释为：(1)说明模拟问题，明确模拟目的。(2)项目规划、节目设计和系统定义。根据模拟目的确定相应的模拟结构(实时或非实时模拟、纯数学模拟或半物理模拟等)，并指定该模拟系统的边界条件和约束。(3)数学建模：根据系统的先验知识、实验数据和机制研究，必须根据物理原理或系统识别方法，保证模型的类型、结构和参数决策模型的效率和经济性。(4)模拟建模：根据数学模型格式、

13、电脑类型、高级语言或其他模拟工具，获取可以在计算机上运行的节目或其他模型的数学模型转换，即系统的模拟模型。(5)实验：设定实验环境/条件和记录数据、执行实验和记录数据(6)分析模拟结果：根据实验要求和模拟目的分析(整理和记录)实验结果。图1.1计算机模拟流程图，1.2动态系统Simulink模拟，1.1.1Simulink简介Simulink是用于动态系统建模、模拟和分析的软件包。使用Simulink可以轻松执行各种动态系统建模、分析和模拟，包括连续、离散和混合系统。提供图形交互环境。只能通过鼠标拖动方法快速构建系统长方体模型，无需编写一行代码。使用Simulink模拟系统建模的主要优点是易于

14、学习、易于使用，并且依赖MATLAB提供的丰富模拟资源。这里是Simulink强大功能的简要介绍。1.交互式图形建模环境Simulink提供了多种模块库，使用户可以快速构建动态系统模型。建模时，只需使用鼠标从其他模块库中拖放和连接系统模块。2 .交互式模拟环境Simulink方框图提供了一个强大的模拟环境，通过下拉菜单或命令行执行模拟。菜单方法对于交互非常方便，命令行方法对于运行大型类型的仿真(例如蒙特卡洛仿真)非常有用。3.专用模块库是对Simulink建模系统的补充，MathWorks还开发了专用功能块包，如DSP块集、Communication Blockset等。使用这些软件包，可以快

15、速建模、模拟和分析系统。更重要的是，用户可以对系统模型执行代码生成，并将生成的代码下载到其他目标系统。表1.2 Simulink的部分软件套件，4 .Simulink的开放体系结构提供了模拟库的扩展和自定义机制，使用户可以扩展模拟环境的功能。这意味着使用MATLAB、FORTRAN和c代码生成自定义模块库，并提供自己的图标和界面。因此，用户可以连接用FORTRAN或C编写的代码，或购买第三方开发提供的模块库，以便进行高级系统设计、模拟和分析。5 .与MATLAB工具箱集成Simulink可以直接利用MATLAB的许多资源和功能，因此用户可以直接从Simulink执行资料分析、流程自动化、参数最

16、优化等任务。工具箱提供可集成到模拟过程中的高级设计和分析功能。简单地说，Simulink具有基于(1)矩阵的数值计算。(2)首席编程语言。(3)图形和可视化。(4)工具箱提供特定应用程序的功能。(5)丰富的数据I/O工具。(6)提供其他高级语言接口。(7)多平台支持(PC/Macintosh/UNIX)。(8)开放、可扩展的体系结构，1.1.1 Simulink的应用领域要求读者对构建动态系统模型、系统模拟和分析有比较感性的认识。您还可以在一定程度上了解Simulink的强大功能。那么，使用Simulink进行什么类型的动态系统模拟分析和辅助设计呢？实际上，以数学方式描述的所有动态系统都可以使用Simulink进行建模、模拟和分析。Simulink具有强大的功能和熟悉的用户界面功能，因此(1)它广泛应用于通信和卫星系统等多个领域。(2)航空航天系统。(3)生物系统。(4)船舶系统。(5)汽车系统。(6)金融系统。此外，Simulink还用于生态系统、社会和经济领域。在科学技术飞速发展的21世纪，Simulink的应用领域也将进一步扩大。图1.2显示了Simulink在某些领域的典型应用程序。图1.2 Simulink的应用程序图表，MATLAB家族中的1.1.1 Simuli