SIMULIN下数学模型建立与仿真.ppt

第三章 SIMULINK环境建模和仿真,MATLAB于1990年推出Simulink，用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境，该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），即该软件可以进行仿真和把一系列模型连接起来构成复杂的系统，然后利用Simulink提供的功能来对系统进行仿真和分析。,第一节 SIMULINK简介,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。 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的系统模块，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，进而进行仿真与分析。,一、什么是SIMULINK,特 点： SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它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。 以调用模块代替程序的编写，以模块连成的方框图表示系统，点击模块可以完成模块参数输入，整个系统应包括输入、输出和系统组成等模块。 系统方框图画完，设置仿真参数即可以启动仿真，这时系统会自动地完成仿真的初始化过程，将系统的框图转换为仿真的数学模型，建立仿真的数据结构并计算系统在给定激励下的响应。,系统运行的状态和结果可以通过波形或曲线观察，与在实验室中用示波器观察的效果基本一致。 如果系统方框图绘制不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况，会给出一定的出错提示信息。 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。,二、SIMULINK的启动,1、在MATLAB命令窗口中输入simulink 结果是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的工具栏上点击按钮 ，可以直接打开SIMULINK,然后打开对应的模型库，查找模块。,3、启动simulink后，在MATLAB的菜单栏中选择File，在下拉菜单中的New选项中选择Model，屏幕上会出现Simulink的工作窗口，标题栏上“untitled”表示是一个尚未命名的新文件。,2、标题栏下方是菜单栏，有File, Edit, View, Simulation, Format, Tolls, Help等七项主要功能菜单,三、SIMULINK模块的操作,1、模块的查找：打开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。利用窗口的滚动条可以搜索所有的模块库，也可以根据模块名搜索。,或者在MATLAB的工具栏上点击按钮 ，可以直接打开SIMULINK,然后打开对应的模型库，查找模块。,三、SIMULINK模块的操作,2、模块的提取、复制和粘贴。 3、模块的移动、放大和缩小。 4、模块的转动。 5、模块名的修改和移动。 6、模块的参数设置。 7、模块的删除和恢复。 8、模块的连接。 9、信号线的弯折、移动和删除。,SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下子库： Continuous（连续模块） disontinuous （非线性模块） Discrete（离散模块） look up tables(查询表模块) Math operations（数学模块）Model verification(模型检测) Model-wide Utilities（模型扩展功能模块） Ports&Systems（端口和子系统模块） Signal attributes(信号描述模块) Signal routing(信号路由模块) Sinks（仪表仪器（输出显示）模块）Sources（信号源模块） User-defined functions(自定义模块),1、 Continuous（连续系统子模块库） Derivative：输入信号微分 Integrator：输入信号积分 State-Space：线性状态空间系统模型 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：输入信号延时一个可变时间再输出 Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型,2、Discontinuities （非线性系统子模块库） Backlash：间隙设定（ 模拟间隙非线性环节） Coulomb &Viscous Friction：库仑粘滞摩擦信号（模拟非线性环节） Dead Zone：设定死区范围 Switch：可控开关（根据门槛电压，选择开关的输出） Quantizer；阶梯信号（根据输入产生阶梯输出信号） Rate Limiter；斜坡函数（限制输入信号的上升、下降率） Relay：滞环控制（模拟滞环特性的继电器环节） Saturation：饱和限制（设置限幅值，模拟环节的饱和特性）,3、 Discrete（离散系统子模块库） 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：离散滤波器（建立一个离散度滤波器） Discrete State-Space：离散状态方程 Discrete-time Integrator：离散时间积分器 First-Order Hold：一阶保持器 Memory：单步积分延迟，输出为前一个输入 Unit Delay：单位延迟（信号采样后保持一个采样周期后输出）,4、Function and Tables（函数与表格子模块库） Fan:自定义函数表达式 Interpolation (n-D) using PreLook-Up：根据输入用内插值运算得到输出 Look-Up Table：给出输入数据值，经过插值计算得到输出值返回 Look-Up Table(2-D)：同上 Look-Up Table (n-D)：同上 S-Function builder:创建一个s函数（用户自己编写的函数，可以将MATLAB语句、c语言等编写的函数在Simulink中执行）,5、 Math Operations（数学模块） 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）,6、Sinks（系统输出子模块库） Display：以数值形式显示输入信号 Floating Scope：悬浮信号显示器（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（观察输入信号波形） Stop Simulation：终止仿真（满足条件预置条件时停止仿真） Terminator：信号终结器（终止信号，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X、Y作变量输出二维图形,7、Sources（信号源子模块库） 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 Constant：常数信号（数值可设置） 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,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,五、SIMULINK下自定义子系统模块,自定义子系统模块有两种方法： 一种方法是采用Ports&Subsystems 模块库中的Subsystem功能模块，利用其编辑区设计组合新的功能模块； 另一种方法是将现有的多个功能模块组合起来，形成新的功能模块。对于很大的SIMULINK模型，通过自定义功能模块可以简化图形，减少功能模块的个数，有利于模型的分层构建。,方法 1 将Ports&Subsystems 模块库中的Subsystem功能模块复制到打开的模型窗口中。 双击Subsystem功能模块，进入自定义功能模块窗口，从而可以利用已有的基本功能模块设计出新的功能模块。,方法 2 在模型窗口中建立所定义功能模块的子模块。 用鼠标将这些需要组合的功能模块框住，然后选择Edit菜单下的Create Subsystem即可。,子系统模块的封装,封装子系统具有以下特点： 自定义子系统模块及其图标。 用户双击封装后的图标时显示子系统参数设置对话框。 用户自定义子系统模块的帮助文档。,上面提到的两种方法都只是创建一个功能模块，如果要命名该自定义模块、对模块进行说明、选定模块外观、设定输入数据窗口，则需要对其进行封装处理。,子系统模块封装方法 首先选中Subsystem功能模块，再打开Edit菜单中的Mask Subsystem进入mask的编辑窗口，可以看出有3个标签页。 Icon：设定功能模块的外观。 Initialization：设定输入数据窗口。 Documentation：设计该功能模块的文字说明。,Simpower System模型库是专用于RLC电路、电力电子电路、电机传动控制系统和电力系统仿真的模型库。 模型库中包换交直流电源、电气元器件、电工测量仪表，控制元器件等的模型。利用这些模型和其它工具箱的模型结合可以模拟组成电力电子系统、电力系统、电力拖动系统等来进行仿真研究。 电力系统模型有两种端口，一种用于连接主电路，一种用于连接控制信号。,六、电力系统模型库,一、SIMULINK的仿真步骤,1、根据系统的框图或者原理图构建系统仿真模型,模型的特点 在SIMULINK里提供了许多如Scope的接收器模块，这使得用SIMULNK进行仿真具有像做实验一般的图形化显示效果。 SIMULINK的模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统。 SIMULINK提供了对子系统进行封装的功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。,第二节 仿真模型的建立与仿真,查找需要的模块 建立模型,设置仿真模型中的模块的参数。,设置系统的仿真参数和选择解法。,设置系统的仿真参数和选择解法。,设置仿真参数和选择解法 设置仿真参数和选择解法器，选择Simulation菜单下的Parameters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面来管理仿真的参数。 Solver页，它允许用户设置仿真的开始和结束时间，选择解法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。 Workspace I/O页，作用是管理模型从MATLAB工作空间的输入和对它的输出。 Diagnostics页，允许用户选择Simulink在仿真中显示的警告信息的等级。,算法参数设置（Solver）,此页可以进行的设置有：选择仿真开始和结束的时间；选择解法器，并设定它的参数；选择输出项。 仿真时间：注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示，比如10秒的仿真时间，如果采样步长定为0.1，则需要执行100步，若把步长减小，则采样点数增加，那么实际的执行时间就会增加。Simulink默认的仿真开始时间为0，结束时间为10s。实际中可根据需要设置合适的仿真时间。总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。,2）仿真步长模式：用户在Type后面的第一个下拉选项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的有Variable-step（变步长）和Fixed-step（固定步长）方式。变步长模式可以在仿真的过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测。用户还可以在第二个下拉选项框中选择对应模式下仿真所采用的算法。,步长参数：对于变步长模式，用户可以设置最大的和推荐的初始步长参数，缺省情况下，步长自动地确定，它由值auto表示。 Maximum step size（最大步长参数）：它决定了解法器能够使用的最大时间步长，它的缺省值为“仿真时间/50”，即整个仿真过程中至少取50个取样点，但这样的取法对于仿真时间较长的系统则可能带来取样点过于稀疏，而使仿真结果失真，或造成仿真输出曲线的不光滑。一般建议对于仿真时间不超过15s的采用默认值即可，对于超过15s的每秒至少保