simulink基本操作及模块的构造.ppt

第6章 动态仿真集成环境Simulink,2,1990年，Math Works软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。 Simulink软件的名称表明了该系统的两个主要功能：Simu（仿真）和Link（连接），即该软件可以利用鼠标在模型编辑窗口上绘制出所需要的控制系统模型，然后利用Simulink提供的功能来对系统进行仿真和分析。,3,6.1 Simulink简介,一、什么是Simulink Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。 所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本系统模块，用户只需知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。,4,Simulink可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。 在Simulink环境中，用户可观察到摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。还可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。 可直接在Simulink环境中运作的工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、电力系统等诸多领域，所涉内容专业性极强。,5,二、Simulink的启动,(1) 在MATLAB命令窗口中输入Simulink，结果在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。 (2) 在MATLAB窗口的工具条中，单击Simulink的快捷启动按钮“ ”； (3) 在MATLAB窗口的左下角“Start”菜单中，单击“Simulink”子菜单中的“Library Browser”选项。,6,启动 Simulink后，便可显示如图6-1所示的Simulink库浏览窗口（Simulink Library Browser），窗口左边列出了该系统中所有安装的一个树状结构的仿真模块集或工具箱，同时右边显示当前左边所选仿真模块集或工具箱中所包含的标准模块库。 Simulink库浏览窗口由功能菜单、工具栏和模块集或工具箱三大部分组成，创建系统模型时，将从这些仿真模块集或工具箱中利用鼠标复制标准模块到用户模型编辑窗口中。,7,图6-1 Simulink库浏览窗口,8,三、Simulink库浏览窗口的功能菜单 * File 文件操作菜单 New 新建用户模型编辑窗口/模块库窗口 Open 打开用户模型编辑窗口 Close 关闭用户模型编辑窗口 Preferences 设置命令窗口的属性 * Edit 编辑菜单 Add to the current model 增加到当前用户模型编辑 窗口中 Find block 查找模块 Find new block 查找新模块,9,* View 查看菜单 Toolbar 显示/关闭工具条开关 Status bar 显示/关闭状态条开关 Description 显示/关闭描述窗口开关 Stay on top 位于上层 Collapse entire browser 压缩整个树状结构 Expand entire browser 展开整个树状结构 Large icons 大图标 Small icons 小图标 Show parameters for selected block 显示所选模块参数 * Help 帮助菜单,10,四、Simulink模块集,Simulink标准模块库按功能进行分类，包括以下子库： Continuous（连续系统模块库） Discontinuities （非连续系统模块库） Discrete（离散系统模块库） Lookup Tables(查表模块库) Math operations（数学运算模块库） Model verification(模型检测模块库） Model-Wide Utilities（模型扩展功能模块库） Ports&subsystems（端口与子系统模块库） Signal attributes(信号属性模块库) Signal routing(信号路由模块库) Sinks（接收模块库） Sources（信号源模块库） User-Defined Functions(用户自定义函数模块库),11,1、 Continuous（连续系统模块库） Derivative：输入信号微分 Integrator：输入信号积分 State-Space：线性状态空间模型 Transfer-Fcn：线性传递函数模型 Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出 Variable Transport Delay：可变传输延迟模块 Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型,Simulink标准模块库模块功能介绍,12,13,2、Discontinuities （非连续系统模块库） Backlash：死区间隙 Coulomb &Viscous Friction：库仑粘滞摩擦信号 Dead Zone：死区信号 Hit Crossing：将信号与特定的偏移值比较 Quantizer：量化器 Rate Limiter：信号上升、下降速率控制器 Relay：滞环比较器，限制输出值在某一范围内变化。 Saturation：饱和信号，输出超过某一值时饱和。,14,15,3、 Discrete（离散系统模块库） Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型 Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型 Discrete Filter：IIR与FIR滤波器 Discrete State-Space：离散状态空间系统模型 Discrete-time Integrator：离散时间积分器 First-Order Hold：一阶采样和保持器 Memory：单步积分延迟，输出为前一个输入 Unit Delay：一个采样周期的延时 Zero-Order Hold：零阶采样和保持器,16,17,4、 Math Operations（数学运算模块库） Abs：取绝对值 Algebraic Constraint：输出强制系统输入为零的代数状态 Assignment：对信号进行分配 Bitwise Logical Operator：按位逻辑运算 Combinatorial Logic：逻辑真值查找 Complex to Magnitude-Angle：输出输入复数的幅值与相位 Complex to Real-Imag：输出系统输入的实部或虚部 Dot Product：点乘运算 Gain：比例运算（信号增益） Logical Operator：信号逻辑运算 Magnitude-Angle to Complex：幅值与相位转化为复数形式,18,Math Function：特定的一些数学函数，包括指数函数、 对数函数、求平方、开根号等常用 数学函数 Matrix Concatenation：矩阵串联器 Matrix Gain：矩阵增益 MinMax：最值运算 Polynomial：多项式求值 Product ：乘运算 Real-Imag to Complex：从输入实部与虚部构造复数 Relational Operator：关系运算器 Reshape：信号维数改变器 Rounding Function：求整运算 Sign：符号函数,19,Slider Gain：渐变增益 Sum：加减运算 Trigonometric Function：三角函数，包括正弦、余弦、正切等 Logical Operator：逻辑运算 Relational Operator：关系运算 Complex to Magnitude-Angle：由复数输入转为幅值和相角输出 Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角输入合成复数输出 Complex to Real-Imag：由复数输入转为实部和虚部输出 Real-Imag to Complex：由实部和虚部输入合成复数输出,20,21,5、Signal Routing（信号路由模块库） Bus Creator：由输入产生总线信号 Bus Selector：总线信号选择器 Data Store Memory：用户定义的数据存储区 Data Store Read：从数据存储区读出数据 Data Store Write：向数据存储区写入数据 Demux：信号分解器 From：从Goto 模块中获得信号 Goto：向Goto 模块传递信号,22,Goto Tag Visibility：Goto 模块标记控制器 Manual Switch：双输出选择器（手动） Merge：合并输入信号为一个输出 Multiport Switch：多端口输出选择器 Mux：信号组合器 Selector：选择或重组信号 Switch：三路选择器（根据输入2控制输出）,23,6、Sinks（接收模块库）信宿 Display：数字显示器（以数值形式显示输入信号） Floating Scope：游离示波器（不需任何连线，可显示任何指定信号） Out1：为子系统或其它模型提供输出端口 Scope：示波器 Stop Simulation：当输入非零时停止仿真 Terminator：接收终端（防止输出信号无连接） To File(.mat)：将仿真输出写入(.mat)数据文件 To Workspace：将仿真输出写入MATLAB的工作空间 XY Graph：使用MATLAB图形显示二维图形,24,25,7、Sources（信号源模块库）信源 Band-Limited White Noise：有限带宽白噪声 Chirp Signal：输出频率随时间线性变换的正弦信号 Clock：仿真时钟信号（输出每个仿真步点的时刻） Constant：常数信号（数值可设置） Digital Clock：以固定速率输出当前仿真时间 From Workspace：来自MATLAB的工作空间输入数据 From File(.mat)：来自数据文件.mat中输入数据 Ground：接地信号 In1：为子系统或其它模型提供输入端口,26,Pulse Generator：脉冲发生器 Ramp：斜坡信号发生器 Random Number：服从高斯分布的随机信号发生器 Repeating Sequence：周期信号发生器 Signal Generator：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿波及随意波。 Signal Builder：时序波形生成器 Sine Wave：正弦波信号发生器 Step：阶跃波信号发生器 Uniform Random Number：服从均匀分布的随机信号发生器,27,28,8、 User-Defined Function（用户自定义函数模块库） Fcn：用自定义的函数（表达式）进行运算 MATLAB Fcn：利用 matlab 的现有函数进行运算（对输入进行运算输出结果） S-Function：调用自编的S-函数模块进行运算 S-Function Builder： S-函数生成器,29,6.2 Simulink模型的构造,Simulink 模型在视觉上表现为方框图，在文件上则是扩展名为.mdl的ASCII代码；在数学上体现为一组微分方程或差分方程；在行为上模拟了物理器件构成的实际系统的动态特性。 Simulink 的一般结构：,输入,输出,系统,信源,信宿,30,Simulink完全采用方框图的“抓取”功能来构造动态系统模型，系统的创建过程就是绘制方框图的过程。在Simulink环境中方框图的绘制完全依赖于鼠标操作。,31,6.2.1 模型编辑窗口 若想新建一个控制系统结构框图，则首先应该新建一个标题为“Untitled”的空白模型编辑窗口，如图6-26所示。,图6-26 空白模型编辑窗口,32,新建一个模型编辑窗口有三种方法： 在Simulink库浏览窗口中，点击工具条中的新建模型窗口快捷按钮“ ”； 在Simulink库浏览窗口中选择菜单命令FileNewModel； 在MATLAB命令窗口中选择菜单命令FileNewModel。,33,模型编辑窗口由功能菜单、工具栏和用户模型编辑区三部分组成。在模型编辑窗口中允许用户对系统的结构图进行编辑、修改和仿真。 对控制系统结构框图的绘制必须在用户模型编辑区中进行，结构图中所需的各种模块，可直接从Simulink库浏览窗口中的各模块库(集)中复制相应的标准模块得到。 模型编辑窗口的标题实际上是扩展名为.mdl的模型文件名，它可利用菜单命令FileSave as将其任意更名保存。,34,为了方便用户建模，模型编辑窗口中设计了以下多种功能菜单。 * File文件操作菜单 * Edit编辑菜单 * View查看菜单 * Simulation 仿真操作菜单 Start 开始仿真 Stop 停止仿真 Configuration Parameters 仿真参数设置 Normal 正常的 Accelerator 加速的 External 外部的,35,* Format 格式菜单 Font 字体设置 Text Alignment 文字对齐 Flip name 模块名置于模块的相反一边 Flip Block 模块旋转180度 Rotate block 模块顺时针方向旋转90度 Show/Hide name 显示/隐藏模块名 Show drop Shadow 显示阴影 Show port labels 显示端口标注 Foreground color 前景颜色设置 Background color 背景颜色设置 Screen color 屏幕颜色设置,36,如果系统方框图模型文件已经存在，则可利用以下三种方法打开一个模型编辑窗口： 在Simulink库浏览窗口中，点击工具条中的打开模型文件按钮“ ”，然后选择或者输入要编辑的模型文件名； 在Simulink库浏览窗口中选择菜单命令FileOpen，然后选择或者输入要编辑的模型文件名； 在MATLAB命令窗口中直接键入模型文件名（不带.mdl扩展名）。,37,6.2.2 对象的选定 在建模操作中，诸如复制一个模块或者删除一条连线，都需要首先选定一个或多个模块或连线，我们把这些模块或连线称做对象。 1. 选定单个对象 用鼠标单击待选对象，小黑四方块的“句柄”就会出现在被选中模块的四个角上，或在被选中连线的两个端点旁。,38,2. 选定一组对象 选定一组对象有三种方法： 选定一组不连续对象 在按下Shift键的同时，用鼠标单击每一待选的对象。要取消一个已被选定的对象的选定状态，在按下Shift键的同时，再一次用鼠标单击该对象。 选定一组连续对象 按住鼠标左键向右下方拉出一个矩形虚线框，将所有待选模块包围在其中，然后松开按键，则矩形框里所有的对象同时被选中。,39,选定整个模型 要选定一个活动窗口的所有对象，只要选择窗口菜单下的EditSelect All命令即可。但不能通过此种方法来选择所有的模块和连线来创建子系统模块。 如果想放弃选中的对象，则只需在空白处点击即可,40,6.2.3 Simulink功能模块的基本操作,功能模块的基本操作，包括模块的移动、复制、删除、转向、改变大小、模块命名、颜色设定、参数设定、属性设定、模块输入输出信号等。 模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖放（选中模块，按住鼠标左键不放）而放到模型窗口中进行处理。在模型窗口中，选中模块，则可以对模块进行以下的基本操作。,41,(1) 移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖放到所需的位置即可。若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖放。 在按下shift键同时，可以将选中模块从一个窗口拖动到另一个窗口。 当移动多个模块及其连线时，首先要选中要移动的模块和连线，然后将光标置于待移动模块及连线任一处，将其拖动到指定位置即可。,42,(2) 复制：选中模块，然后按住鼠标左键进行拖放即可在另一窗口复制同样的一个功能模块。 在同一窗口中复制模块时按下Ctrl键同时用鼠标选中待复制的模块将其拖放到指定位置即可。如果采用鼠标右键，以上复制过程就省掉按Ctrl键了。 (3) 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。,43,(4) 旋转：从标准模块库中复制到模型编辑窗口中模块，在默认状态下是输入端（大于符号）在左，而输出端（三角符号）在右，在绘制系统方框图时，有时为了使得连线更容易，避免不必要的交叉线，增加框图的可读性，需要对某些模块翻转或旋转，使得其输入端和输出端改变方向。 在菜单Format中选择Flip Block旋转180，选择Rotate Block顺时针旋转90，或者直接按Ctrl+F键执行Flip Block，按Ctrl+R键执行Rotate Block。,44,(5) 改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖放即可。 (6) 模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改即可。名称在功能模块上的位置也可以变换180度，可以用Format菜单中的Flip Name来实现，也可以直接通过鼠标进行拖放。Hide/Show Name可以隐藏/显示模块名称。,45,(7) 颜色设定： Format菜单中的Foreground Color可以改变模块的前景颜色，Background Color可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过Screen Color来改变。 (8) 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。参数设定窗口包含了该模块的基本功能描述，为获得更详尽的帮助，可以点击其上的help按钮。通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。,46,(9) 属性设定：选中模块，打开Edit菜单的Block Properties可以对模块进行属性设定。包括Description属性、 Priority优先级属性、Tag属性、Open function属性、Attributes format string属性。其中Open function属性是一个很有用的属性，通过它指定一个函数名，则当该模块被双击之后，Simulink就会调用该函数执行，这种函数在MATLAB中称为回调函数。,47,(10) 模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一种单一信号，而向量信号为一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输入信号，模块都具有一种“智能”的识别功能，能自动进行匹配。某些模块通过对参数的设定，可以使模块输出向量信号。,48,6.2.4 Simulink线的处理,Simulink模型的构建是通过用线将各种功能模块进行连接而构成的。用鼠标可以在功能模块的输入与输出端之间直接连线。所画的线可以改变粗细、设定标签，也可以把线折弯、分支。,49,（1）改变粗细：线所以有粗细是因为线引出的信号可以是标量信号或向量信号，当选中FormatPort/Signal DisplaysWide Nonscalar Lines 时，线的粗细会根据线所引出的信号是标量还是向量而改变，如果信号为标量则为细线，若为向量则为粗线。选中Wide Nonscalar Lines 则可以显示出向量引出线的宽度，即向量信号由多少个单一信号合成。,50,（2）设定标签：只要在线上双击鼠标，即可输入该线的说明标签。也可以通过选中线，然后打开Edit菜单下的Signal Properties进行设定，其中signal name属性的作用是标明信号的名称，设置这个名称反映在模型上的直接效果就是与该信号有关的端口相连的所有直线附近都会出现写有信号名称的标签。,51,（3）线的折弯：按住Shift键，再用鼠标在要折弯的线处单击一下，就会出现圆圈，表示折点，利用折点就可以改变线的形状。 （4）线的分支：按住鼠标右键，在需要分支的地方拉出即可以。或者按住Ctrl键，并在要建立分支的地方用鼠标拉出即可。,52,6.2.5 模型的注释 (1) 模型注释的创建 在将用作