Simulink仿真初步和系统串联校正.doc

Simulink仿真初步和系统串联校正MATLAB环境下的动态仿真集成环境Simulink是一个对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,拥有丰富的系统建模、仿真和分析的动态仿真模块。 一般来说，Simulink的功能有系统建模和系统仿真两个部分。对于建模,Simulink提供了一个图形化的用户界面(GUI),可以直接在模型窗口中用鼠标点击和拖拉模块图标的方式很容易地建立所需要的控制系统模型，然后利用其提供的功能对系统进行仿真与分析，使得一个复杂系统的输入输出以及控制变得相当的简单和直观。这比用编程语言描述系统效率高得多。Simulink包括一个由信号源、接收器、线性和非线性组件以及中间的连接器件组成的模块库,同时可以根据用户自己的需要创建相应的模块。 用Simulink仿真与分析控制系统的主要步骤为：1、 建立控制系统方块图模型并确定仿真输入和输出；2、设置仿真参数；3、进行动态仿真并观看输出结果；4、针对输出结果进行分析和比较。一、实验目的：1、了解用Simulink实现系统仿真设计的基本方法、步骤。2、用Simulink实现二阶系统的阶跃响应仿真3、研究比例微分校正对系统性能的影响二、实验内容与步骤（一）Simulink的启动及基本仿真方法1、Simulink的启动方法（1）在Matlab命令窗口直接键入simulink并回车，或双击Matlab主窗口的快捷键，都会在桌面上以下拉菜单方式弹出仿真功能模块库Simulink Library Brower。方法（2）在Matlab命令窗口直接键入simulink3并回车，则以图标形式显示出仿真功能模块库Library，如图4-4-1所示。图4-4-1 Simulink3的模型库窗口2、了解Simulink的模块库Library。按照功能的不同，Simulnk可分为以下8类子模块：（1）Continuous（连续模块）：包含了连续系统分析中的各种模型，主要有：Integrator:积分模块，对输入信号进行积分；Derivative:微分模块，对输入信号进行微分；Transferfcn：线性传递函数模型；ZeroPole：以零极点表示的传递函数模型；Transport Delay：将输入信号延时一个固定时间再输出;Variable Transport Delay：将输入信号延时一个可变时间再输出。（2）Discrete（离散模块）：包含了离散系统分析中的各种模型。（3）Function&Tables（函数和平台模块）：主要用于解决函数之间的调用问题。（4）Math（数学模块）：主要用于实现各种数学运算。部分常用模块含义为：Sum：实现对输入信号的加减运算；Product：实现对输入信号的乘运算；Dot Product：实现对输入信号的点乘运算Gain：实现对输入信号的比例（增益）运算Math Function：包括指数函数、对数函数、求平方、开根号等常用数学运算；Trigonometric Fonction：各种三角函数包括正弦、余弦、正切等；MinMax：最值运算（求输入信号的最大值和最小值）；Abs：对输入信号求绝对值；Sign：符号函数；Logical Operator：逻辑函数；Relational Operator：关系函数；Complex to MagnitudeAngle：将复数输入转化为幅值和相角输入；MagnitudeAngle to Complex：将幅值和相角输入转化为复数输入；Complex to Real-Imag：将复数输入转化为实部和虚部输入；Real-Imag to Complex：将实部和虚部输入转化为复数输入。（5）Nonliner（非线性）模块：主要用于实现各种非线性运算（6）Signals&Systems（信号和系统模块）：用于实现信号的输入输出等功能。主要模块有：In1：输入端；Out1：输出端；Mux：将多个单一输入转化为复合输入；Demux：将一个复合输入转化为单一输出；Ground：连接到未连接到的输入端；Terminator：连接到未连接到的输出端；Subsystem：建立新的封装（Mask）功能模块。（7）Sinks（接收器模块）：用于接收仿真所产生的数据，形成图像或数据文件。主要模块有：Scope：示波器，显示波形；Display：显示数据；XY Graph：显示二维图形，第一个输入作为横轴；To Workspace：将输出写入Matlab的工作空间；To File(.mat)：将输出吸入数据文件；Stop Simuliation：停止仿真。（8）Sources（输入源模块）：包括各种输入激励源或数据文件。主要模块有：Constant：常数信号；Clock：时钟信号；Form Workspace：输入数据来自Matlab工作空间；From File(.mat)：输入数据来自数据文件；Pulse Generator：脉冲信号发生器；Repeating Sequence：重复信号；Signal Generator：信号发生器，可用来产生正弦、方波、锯齿波及随机波形；Sine Wave：正弦波发生器；Step：阶跃信号发生器。3、Simulink的基本操作3.1 Simulink模型窗口的打开在Matlab命令窗口直接键入simulink3并回车，得到图标形式显示的仿真功能模块库Library后，使用FileNew/Model命令，即可创建一个新的系统模型，如图4-4-2所示。然后就可以在图1.1的模型库中找到所需模块，并将它们拖曳到图4-4-1所示窗口，连接形成系统仿真模型，以供仿真。图4-4-2 新系统模型编辑窗口3.2 Simulink功能模块的处理模块库中的各功能模块可以直接用鼠标进行拖曳（选中模块，按住鼠标左键不放）到模型编辑窗口中进行处理。对放入模型编辑窗口的功能模块，选中（鼠标移到某模块上单击左键，该模块的四角会出现黑色标记）后需要进行的主要处理及方法包括：1、移动：选中模块并按住鼠标左键不放，将其拖曳到所需位置即可。2、复制：选中模块并按住鼠标右键不放，将其拖曳到所需位置即可，也可使用Copy和Paste命令实现。3、删除：选中模块，按Delete键即可删除。4、旋转：为减少连线时的交叉，有时需要对某模块适当旋转一定角度。选中某模块并单击鼠标右键在弹出的右键菜单中的Format命令下选择Flip Block，即可实现水平翻转；选择ROtate Block，即可实现顺时针翻转90，等等。5、模块命名：通常模块旁边显示该模块名称，如需更改，只需在其名称上单击，然后直接输入新名即可。6、参数设定：模型参数具有缺省设置。若需设定，选定模块，单击鼠标右键，在弹出的右键菜单中选择Block Properties（或在选中模块后，打开Edit菜单的Block Properties），即可弹出模块属性设定窗口进行设定。33 Simulink模块的连线处理Simulink仿真模型通过用连线（信号线）将各功能模块连接而成。用鼠标可以直接连线，并可以根据需要改变粗细，分叉、弯转、移动。1、在模块间连线：将鼠标移动到连线起点处模块的输出端（三角符号），鼠标图标变成“”时，按下鼠标左键不放，然后拖动鼠标，即可出现一条带箭头的直线，将其箭头拖曳到目标模块的输入端再释放鼠标左键，Simulink便会自动生成一条带箭头的直线，将两个模块连接起来。2、改变粗细：连线的粗细是为了区分标量（用细线）和向量（用粗线）信号（由多个单一信号合成）。当选中Format菜单下的Wide Vector Lines时，连线粗细会根据连线所引出的信号是标量信号还是向量信号而改变。3、连线分叉：当某个信号需要分成几路送往不同模块时就需要对信号线进行分叉。有两种方法可以实现分叉。一是按住鼠标右键，在需要分叉的地方拉出即可；另一方法是先按住Ctrl键，并在需要分叉的地方用鼠标左键点中并拉出至需要连接的端点即可。4、连线移动或删除：移动连线是为了调整连线分布，以使模型图清晰明了。直接在连线上单击鼠标不放开，可以拖动连线进行移动。选中需要删除的连线后，按下Delete键即可删除连线。3.4 模型建立与仿真练习利用前面的介绍，练习建立图4-4-3所示简单系统的仿真模型。注意将模型参数修改为所需值。双击Sine Wave模块，弹出其属性设置窗口，将其幅值设置为2，频率设置为10Rad/s。启动主菜单中的SimulationStart进行仿真，并双击Scope打开其窗口，观察仿真波形并记录。分析系统稳定性，并说明结论的依据。图4-4-3 一个简单的系统模型3.5 Scope的使用方法在系统的仿真分析过程中，常用Scope模块对系统仿真的结果或系统中指定模块的信号进行定性或定量的分析。Scope模块的显示界面与示波器非常类似，但是提供了很多为方便观测和分析输出结果而对输出信号曲线进行调整、控制的手段，需要熟练掌握。在模型编辑窗口中的Scope图标上双击鼠标左键即可出现Scope窗口，如图4-4-4所示。注意该窗口中有一排工具栏，自左至右依次为：视图整体和局部缩放、X轴缩放、Y轴缩放、视图自动缩放、保存当前坐标设置、参数设置、打印输出。一般操作步骤是：选择某工具栏项后，再在视图曲线的任一处用鼠标实现所需操作。如局部缩放，可用鼠标选中曲线过零点等特殊点并按住不放，拉出一个方框，实现方框部分的放大显示；选X轴缩放后，用鼠标在视图中任一点按住不放，并沿水平拉出一段局部范围，松开鼠标后即可实现选中范围的那部分曲线的水平放大显示；如要对Y轴缩放，在视图曲线中按住鼠标左键不放，垂直拉出一段局部范围，松开鼠标后视图就变为选中局部范围的垂直放大显示。在放大的局部视图上双击鼠标即可回到原来视图。图4-4-4 Scope窗口（二）二阶系统的阶跃响应实验模拟电路如图4-4-5所示。图4-4-5 二阶系统的模拟电路图系统的闭环传递函数为:GB(s)=U2(s)U1(s)= (1) 典型二阶系统的闭环传递函数为:GB(s)= (2) 比较式(1)、(2),可得: n=1T=1RC, =K2=R22R1 (3) 由式(3)可知,改变比值R2R1,可以改变二阶系统的阻尼比改变RC值可以改变无阻尼自然频率n。二阶系统电路的结构如图4-4-6所示。图4-4-6二阶系统电路结构方块图实验步骤1. 建立系统模型利用Simulink建立仿真框图如图4-4-7所示，或采用图4-4-8的简图。 图4-4-7 二阶系统Simulink仿真图 图4-4-8二阶系统仿真简图实验步骤2. 仿真根据阻尼比在不同的范围内取值，观察并记录示波器上的阶跃响应曲线，分析0、=0、01、1时系统的控制特征。（三）研究比例微分校正对系统性能的影响已知系统结构图如图4-4-9所示，校正前0，校正时取0.15。图4-4-9 比例微分校正系统结构图实验步骤1.建立如图4-4-10所示的比例微分校正仿真结构图，并调整好参数。图4.65 比例微分校正系统仿真结构图实验步骤2.先将方框对话框中的第二个数字改为0，得校正前系统结构图，点击菜单项中的Simulation下拉菜单中的Start启动仿真，双击示波器可以看到校正前的单位阶跃响应曲线。点击示波器界面中的望远镜图标可看到曲线全图。实验步骤3. 再将方框对话框中的第二个数字改为0.15，得加入校正后系统的结构图。双击输出方块y，将其改为y1,再将t改为t1。点击菜单项中的Simulation下拉菜单中的Start启动仿真，双击示波器可以看到校正后的单位阶跃响应曲线。点击示波器界面中的望远镜图标可看到曲线全图。实验步骤4.回到MATLAB主界面，点击白纸图标，打开“Untitled”界面，键入以下程序：Plot(t,y,t,1,t,1.05,t,0.95),hold onPlot(t1,y1,r)输入完毕后回车，点击Debug中的Sa