[工程科技]第二章 SIMULINK仿真基础.ppt

matlab和simulink matlab是集数值计算 符号运算和图形处理功能于一身的超级科学计算语言 与其它计算语言相比 matlab在功能 开放性和易学性等方面独占鳌头 matlab的核心是数值计算 simulink是建立系统框图和仿真的环境 battery s v0430dc15v v1390dc15v dischargev 0410pulse 1515196ms10us10us20ms200ms offsetv 150pulse 5 5 7150ms10us10us50ms200ms pibiasv 210pulse 10 10190ms2us2us10ms200ms misc tran10us210ms0s10msuic 语句方式 框图方式 simulink仿真基础 在工程实际中 控制系统的结构往往很复杂 如果不借助专用的系统建模软件 则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机 对其进行进一步的分析与仿真 1990年 mathworks软件公司命名为simulab 1992年正式将该软件更名为simulink 使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段 simulink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 simulinkbasics clickthesimulinkbutton thesimulinkwindow clickthe new button thesimulinkmodelwindow simulinkbasics createanewmodeloropenanexistingone 第一节simulink简介 simulink与matlab语言的主要区别在于使用户把更多的精力投入到系统模型的构建 而非语言的编程上 simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块 用户只需要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 一 什么是simulink 三 simulink的模块库介绍 similink模块库按功能进行分类 主要包括以下8类子库 continuous 连续模块 discrete 离散模块 function tables 函数和平台模块 math 数学模块 nonlinear 非线性模块 signals systems 信号和系统模块 sinks 接收器模块 sources 输入源模块 1 连续模块 continuous continuous mdlintegrator 输入信号积分derivative 输入信号微分state space 线性状态空间系统模型transfer fcn 线性传递函数模型zero pole 以零极点表示的传递函数模型memory 存储上一时刻的状态值transportdelay 输入信号延时一个固定时间再输出variabletransportdelay 输入信号延时一个可变时间再输出 2 离散模块 discrete discrete mdldiscrete timeintegrator 离散时间积分器discretefilter iir与fir滤波器discretestate space 离散状态空间系统模型discretetransfer fcn 离散传递函数模型discretezero pole 以零极点表示的离散传递函数模型first orderhold 一阶采样和保持器zero orderhold 零阶采样和保持器unitdelay 一个采样周期的延时 3 function tables 函数和平台模块 function mdlfcn 用自定义的函数 表达式 进行运算matlabfcn 利用matlab的现有函数进行运算s function 调用自编的s函数的程序进行运算look uptable 建立输入信号的查询表 线性峰值匹配 look uptable 2 d 建立两个输入信号的查询表 线性峰值匹配 4 math 数学模块 math mdlsum 加减运算product 乘运算dotproduct 点乘运算gain 比例运算mathfunction 包括指数函数 对数函数 求平方 开根号等常用数学函数trigonometricfunction 三角函数 包括正弦 余弦 正切等minmax 最值运算abs 取绝对值sign 符号函数 logicaloperator 逻辑运算relationaloperator 关系运算complextomagnitude angle 由复数输入转为幅值和相角输出magnitude angletocomplex 由幅值和相角输入合成复数输出complextoreal imag 由复数输入转为实部和虚部输出real imagtocomplex 由实部和虚部输入合成复数输出 5 nonlinear 非线性模块 nonlinear mdlsaturation 饱和输出 让输出超过某一值时能够饱和 relay 滞环比较器 限制输出值在某一范围内变化 switch 开关选择 当第二个输入端大于临界值时 输出由第一个输入端而来 否则输出由第三个输入端而来 manualswitch 手动选择开关 6 signal systems 信号和系统模块 sigsys mdlin1 输入端 out1 输出端 mux 将多个单一输入转化为一个复合输出 demux 将一个复合输入转化为多个单一输出 ground 连接到没有连接到的输入端 terminator 连接到没有连接到的输出端 subsystem 建立新的封装 mask 功能模块 7 sinks 接收器模块 sinks mdlscope 示波器 xygraph 显示二维图形 toworkspace 将输出写入matlab的工作空间 tofile mat 将输出写入数据文件 8 sources 输入源模块 sources mdlconstant 常数信号 clock 时钟信号 fromworkspace 来自matlab的工作空间 fromfile mat 来自数据文件 pulsegenerator 脉冲发生器 repeatingsequence 重复信号 signalgenerator 信号发生器 可以产生正弦 方波 锯齿波及随意波 sinewave 正弦波信号 step 阶跃波信号 二 模型建立 ex1 mdl 下面以一个惯性环节的阶跃响应为例 说明模型的建立过程 要求得到系统g s 5 0 1s 2 的阶跃响应曲线 用simulink来建立模型 双击打开simulink模块库中的信号源库 sources 选择信号源库中的step模块 使用鼠标右健将其拖入自己的模型窗口 模型窗口中出现了一个step模块 设置它的跳跃时间 初值和终值 双击打开simulink的线性系统库 continuous 使用鼠标右键将其中的传递函数模块拖入自己的模型窗口 双击这一模块 设置传递函数的表达式 如传递函数为5 0 1s 2 参数numerator填入 参数denominator中填入 0 1 2 打开simulink的显示库 sinks 使用鼠标右键将其中的示波器模块拖入自己的模型窗口 模型外侧的 和 分别表示信号的输出和输入 为了联结两个模块 使用鼠标的任意按钮 点击输入或输出端口 但鼠标变为 形式时 拖动十字图标到另一个窗口 然后释放鼠标按钮 则带箭头的连线表示了信号的流向 如上得到的数学模型如图所示 三 仿真在模型窗口的simulation菜单中选择start 就开始仿真 双击scope模块 可以看到仿真的结果 上述惯性环节的阶跃响应仿真结果如图所示 四 模型保存在模型窗口中的file菜单下 有save菜单 使用该菜单可以将模型保存为一个文件 待下次使用时打开 也可以使用saveas菜单改名保存文件 matlab5 0以后版本保存的文件扩展名为 mdl 以前的版本为 m文件 在matlab的命令窗口中 键入模型文件名 就可以打开模型文件 仿真题目及图形 习题图所示的系统 求系统在阶跃作用下的动态响应 并分析当比例系数k增大时系统动态响应的变化 ex2 mdl simulink仿真及结果 如图 当k 0 01时如右图 可以看出输出是发散的 当k 1时如右图所示 输出有延迟且趋于收敛 当k 10时如右图 可以看出输出是收敛 稳定的的 例 求解vanderpol方程 则可以列写出如下的状态方程模型functionxdot vdpol t x u 1 xdot zeros 2 1 acolumnvectorxdot 1 x 2 xdot 2 u x 1 2 1 x 2 x 1 解选择状态变量 根据该状态方程编写一个m函数vdpol m t0 0 tf 20 tol 1e 6 y0 0 2 0 7 t y ode45 vdpol 020 y0 subplot 1 2 1 plot t y legend y1 y2 subplot 1 2 2 plot y 1 y 2 simulink模型举例 mu 1 x01 1 x02 2 输入参数的值和变量的初值plot tout yout figure plot yout 1 yout 2 画出时间响应曲线和相平面曲线 vanderpol方程的simulink的表示 vanderpol方程的仿真结果 带x y示波器的simulink模型 x y示波器的显示 带示波器的simulink模型 默认示波器显示 simulink搭建数字逻辑电路 simulink中的数学函数模块组中提供了 逻辑算子 logicoperator 模块 可以搭建数字逻辑电路 例 利用simulink搭建下面的逻辑关系式 subplot 311 plot tout yout 1 set gca ylim 0 1 1 1 box off subplot 312 plot tout yout 2 set gca ylim 0 1 1 1 box off subplot 313 plot tout yout 3 set gca ylim 0 1 1 1 box off z a b 例 对采样控制系统结构 要求利用simulink得到信号阶跃响应曲线 采用discrete模块库中的零阶保持器 并设置其采样周期为0 1 仿真完成后 可以由matlab命令stairs tout yout 得出信号阶跃响应曲线 采样系统阶跃响应 对含有磁滞回环非线性环节的控制系统的仿真 例 对下图含有磁滞回环非线性环节的控制系统利用simulink求得阶跃响应曲线 磁滞回环非线性环节采用非线性模块库中的backlash模块表示 仿真之前给磁滞宽度c1赋值 c1 1 并设置终止仿真时间为3 启动仿真过程 仿真结束 在matlab空间自动生成两个变量 tout yout plot tout yout color r c1 1 不同的c1值 c1 2 c1 1 c1 0 5 输入幅值为3 输入幅值为0 6 不同的幅值 例 系统的传递函数模型如下 利用simulink求得系统的阶跃响应的数值解 分别用欧拉法和4阶rk法 ex3 dml 利用simulink求得系统的数值解 plot tout yout axis 010001 1 欧拉法 欧拉法和4阶rk法 simulink中仿真过程的命令化 1 启动仿真过程除了使用相应的simulation菜单外 还可以使用命令sim 函数来完成 t x y sim model timespan options a b c d linmo