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1 第三讲MATLAB的SIMULINK仿真 3 1快速入门3 2模型的创建和模型文件3 3仿真运行3 4系统建模3 5子系统的创建 封装及受控执行3 6常用工具箱简介3 7仿真设计实例3 7 1幅度调制的仿真3 7 2平衡正交调幅与解调 2 3 1快速入门 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 在SIMULINK提供的图形用户界面GUI上 只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型 它外表以方块图形式呈现 且采用分层结构 从建模角度讲 这既适于自上而下 Top down 的设计流程 概念 功能 系统 子系统 直至器件 又适于自下而上 Bottum up 逆程设计 从分析研究角度讲 这种SIMULINK模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节 而且能让用户清晰地了解各器件 各子系统 各系统间的信息交换 掌握各部分之间的交互影响 3 3 1快速入门 续1 在SIMULINK环境中 用户将观察到现实世界中非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响 在SIMULINK环境中 用户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 在MATLAB5 3版中 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 DSP 电力系统等诸多领域 所涉内容专业性极强 本讲由浅入深地讲述SIMULINK对各种数学 工程问题的建模 仿真和分析的基本方法 采用 算例 作为主体 配以适量的归纳性表述 例3 1 1 信号发生器和示波器 例3 1 2 实现两个正弦信号的相乘 4 3 2模型的创建和模型文件 3 2 1SIMULINK模型是什么 SIMULINK模型有以下几层含义 在视觉上表现为直观的方框图 在文件上则是扩展名为mdl的ASCII代码 在数学上表现为一组微分方程或差分方程 在行为上则模拟了实际系统的动态特性 SIMULINK模型通常包含三种 组件 信源 Sources 可以是常数 时钟 白噪声 正弦波 阶梯波 扫频信号 脉冲生成器 随机数产生器等信号源 系统 System 即指被研究系统的SIMULINK方框图 信宿 Sink 可以是示波器 图形记录仪等 对于具体的SIMULINK模型而 不一定完全地包含这三大组件 例如 研究初始条件对系统影响就不必包含信源组件 5 3 2模型的创建和模型文件 续1 3 2 2SIMULINK模型的创建 创建模型文件 选择对象 模块的操作 连线的操作 创建子系统 仿真的配置 对模型的注释 保存模型 仿真和结果分析 6 3 2模型的创建和模型文件 续2 3 2 3SIMULINK模型文件 SIMULINK除了可以通过图形界面设计模块外 也可以通过直接编写mdl文件来设计仿真模型图 一个有输入和输出的图形界面设计模块 用mdl文件编写有输入和输出的增益器 在Word下 韩利竹P161 Gain In Out 1 1 1 7 3 3仿真运行 3 3 1使用菜单进行仿真 设置仿真参数和选择求解器 通过选择菜单Simulation下的Parameters菜单项 用来设置仿真参数和选择求解器 其中有三个页面管理这些仿真参数 在Solver页面 设置开始和停止时间 选择求解器和指定求解器 solver 的参数 另外还可以选择一些输出选项 在WorkspaceI O页面 管理对MATLAB工作空间的输入和输出 在Diagnostics页面 可以选择在仿真期间显示的警告信息的层次 在Solveroptions中 SIMULINK模型的仿真涉及到一组常微分方程 ODEs 的数值积分 如果模型是连续系统 使用ode45方法 如果模型不是连续系统 使用discrete方法 例3 1 2 实现两个正弦信号的相乘 AM mdl 8 3 3仿真运行 续1 3 3 2通过命令行运行仿真 通过命令行运行仿真与通过菜单运行仿真相比 有如下的一些优点 可以不理睬模块中的初始条件 参数x0 可以定义任何外部输入 用参数ut 可以由一个M文件来启动一个仿真 并且允许模块中的参数发生改变 用来进行仿真的命令有四个 使用set param命令 开始 停止或者继续仿真或者更新模块的方框图 get param命令来检查一个仿真的状态 使用sim命令 启动仿真命令 使用simset命令 用来向sim命令产生或者编辑仿真参数和积分法属性的命令 使用simget命令 可以得到选项结构体属性和参数 9 3 3仿真运行 续2 3 3 4综合算例 M3 ex3 3 1 m 例3 3 1 求非线性系统的相平面轨迹 平衡点 并进行稳定性分析 本例演示 A SIMULINK模型和MATLAB指令的配合使用 B sim simset trim指令的应用 C 二阶系统相轨迹的精良图形 10 3 4系统建模3 4 1连续系统建模 线性系统建模举例 例3 4 1 复位积分器的功用示例 例3 4 2 积分模块直接构造微分方程求解模型 例3 4 3 直接利用传递函数模块求解方程 在仿真启动时 积分器从零开始对0 5t进行积分 当复位口信号t 5 0瞬间 积分器被重置为零 此后 再对0 5 t 5 进行积分 假设从实际自然界 力学 电学 生态等 或社会中 抽象出有初始状态为0的二阶微分程 是单位阶跃函数 本例演示如何用积分器直接构搭求解该微分方程的模型 对二阶微分程进行拉氏变换 可以得到 11 3 4 1连续系统建模 续 非线性系统建模举例 例3 4 4 求非线性系统的相平面轨迹 平衡点 并进行稳定性分析 本例综合演示 A SIMULINK模型和MATLAB指令的配合使用 B sim simset trim指令的应用 C 二阶系统相轨迹的精良图形 1 非线性系统由SIMULINK模型M3 ex3 4 4 mdl表达 2 编写绘制传统状态轨迹 Statetrajectory 的M文件M3 ex3 4 4 m 12 3 4 2离散时间系统和混合系统建模 用组合逻辑模块产生的 逻辑和 结果及 逻辑或 结果 1 建立输入输出关系 2 建立模型M3 ex3 4 5 mdl 13 3 4 2离散时间系统和混合系统建模 续 多速率离散时间系统 计算机就是这样的系统 它的CPU 串行 并行控制器 磁盘驱动器 输入键盘就采用不同的工作速率 再如通信系统也是多速率系统 离散 连续混合系统 在现代控制系统中 通常被控的对象是连续时间的 物理 子系统 而控制器是由逻辑控制器或计算机构成的离散子系统 对于这种离散 连续混合系统 模型参数设置页中的几乎所有Solver解算方法都能采用 可以使该模型及其所有子系统按采样速率着色 连续时间部分用黑色 离散时间部分用红色 离散 连续混合的子系统被着黄色 14 3 5子系统的创建 封装及受控执行 利用SIMULINK的封装 Mask 功能 可以定做一个模块或一个子系统的对话框和图标 引用子系统的理由是 研究分析系统时 进行概念抽象 Abstractionofconcepts 的需要 为提高工作效率和可靠性 实施模块 重用 Reuse 的需要 仿真建模中子系统的作用 类似于MATLAB指令运行中的M函数文件 前面介绍了如何利用库标准模块建立被研究系统的仿真模型 下面着重介绍如何利用 分层 思想建立比较复杂的仿真模型 介绍建立这种分层模型所需的各种子系统 Subsystem 封装的一个重要用途是帮助用户创建一个对话框来接受参数 这样就无需打开子系统中各个模块的对话框 然后再逐个输入参数 15 3 5 1用封装的办法创建模块 1 封装模块功能 例3 5 1 封装线性方程y mx b的模型 M3 ex3 5 1 mdl 子系统mx b包含了一个Gain模块 命名为Slope 其增益常数为m 一个Constant模块 命名为Intercept 其常数值参数指定为b 这些参数代表一条直线的斜率和截距 封装该子系统产生一个用户对话框和图标 对话框包含对斜率和截距的提示 用户向封装对话框输入Slope和Intercept的值 封装将这些封装参数映射给底层模块 在SIMULINK中产生线性方程y mx b的模型 并生成mx b子系统 16 3 5 1用封装的办法创建模块 续 2 产生封装提示对话框 要产生这个系统的封装 先选取子系统模块 然后从Edit菜单中选取MaskSubsystem命令 封装提示对话框开始时大都显示MaskEditor对话框的Initialization选项卡 把Slope和Intercept定义为Edit控件 3 产生封装模块描述和帮助文本 在Documentation选项卡中可以定义模块的封装类型 模块描述和帮助文本 4 产生模块的图标 可以在MaskEditor对话框的Icon选项卡中定义图标 17 3 5 2条件执行子系统 在SIMULINK模块库中 有两个特殊模块 Enable模块和Trigger模块 如果把这种模块放到某个子系统中 则该子系统是否起作用将取决于外界的某个条件 状态或事件 是否满足 这样就构成了所谓的条件执行子系统 ConditionallyExecutedSubsystem 常用的条件执行子系统有 使能子系统 EnabledSubsystem 触发子系统 TriggedSubsystem 触发使能子系统 TriggedandEnabledSubsystem 18 使能子系统 例3 5 2 利用使能原理构成一个半波整流器 本例演示使能子系统的创建及工作机理 M3 ex3 5 2 mdl 1 打开SIMULINK的新建模型窗口 2 从SIMULINK库中提取三个模块Sinewave Subsystem Scope到新建窗 然后进行文件保存操作 并起文件名为M3 ex3 5 2 这保存操作只为以后调用方便 并非必要 3 双击空子系统模块Subsystem 打开其结构模型窗 4 从SIMULINK库中拷贝In输入口模块 Out输出口模块 Enable使能模块到子系统的结构模型窗 把In模块的输出直接送到Out模块的输入端 Enable模块无须进行任何连接 且本例采用它的缺省设置 便实现了题目所需使能子系统 5 完成M3 ex3 5 2窗口中各模块间的连接 6 双击示波器模块 打开显示窗 然后选择M3 ex3 5 2窗口菜单项 Simulation Start 就可看到半波整流后的波形 19 触发子系统 例3 5 3 利用触发子系统获得零阶保持的采样信号 本例演示 触发子系统工作原理 在MATLAB指令窗中运行SIMULINK模型 M3 ex3 5 3 mdl 1 构造如图所示的仿真模型 M3 ex3 5 3 mdl 2 在MATLAB指令窗中运行SIMULINK模型 M3 ex3 5 3 m t x y sim M3 ex3 5 3 mdl 10 clf holdonplot t y 1 b stairs t y 2 r stairs t y 3 c holdoffaxis 010 1 11 1 boxonlegend sinewave output trigger 4 20 触发使能子系统 把触发模块和使能模块装置在同一个子系统中 就构成触发使能子系统 该系统的行为方式与触发子系统相似 但只有当使能信号为 正 时 触发事件才起作用 21 3 6常用工具箱简介 具有16种功能强大的应用工具箱 我们常用工具箱有SIMULINK COMM DSP等 22 3 7仿真设计实例 3 7 1幅度调制的仿真 amdsb tc mdl 幅度调制可以分为标准调幅 SAM 抑制载波双边带 DSB SC 单边带 SSBAM 残留边带 VSBAM 和平衡正交调幅 QAM 设调制信号为m t 其幅度为1V 载波信号为 角频率为 各种调幅方式的已调波的表达式如下 标准调幅 其中调制度的数值范围在之间 抑制载波双边带调幅 单边带调幅 为调制信号的希尔伯特 Hilbert 变换 23 3 7仿真设计实例 续1 幅度调制解调器可以分为包络检波和同步解调两种基本方式 包络检波适用于标准调幅和残留边带调幅 而同步解调适用于各种幅度调制方式 包络检波器的结构十分简单 它包括一个 或两个 检波二极管和一个低通滤波器 同步解调器的核心部分是由一个乘法器和一个低通滤波器构成 由于同步解调要求在接收端必须产生一个与输入载波信号同步的本地载波信号 因此同步解调器中还必须有一个载波恢复装置 电路十分复杂 24 3 7仿真设计实例 续2 3 7 2平衡正交调幅与解调 qam mdl 平衡正交调幅与解调的仿真采用模块仿真的方式 整个系统的概念是十分清晰的 从中可以观察到两路调制信号的波形 载波信号的波形和频谱 两路解调信号的波形 平衡正交调幅的特点是可以在同一载波频率上调制两路不同的信号 其中一路信号调制在正弦波上 而另一路信号则调制在余弦波上 平衡正交调幅的解调采用同步解调的方式 在模拟电视广播中 两路色差信号的传输就是采用平衡正交调幅的方式 信号发生器的参数设置 频率为1Hz 信号幅度为1V 调制信号的类型分别为正弦波和锯齿波 正弦载波发生器的参数设置 角频率为200 频率为100Hz 相位为0 信号幅度为1V 采样时间间隔为0 0025s 采样频率为400Hz 25 3 7仿真设计实例 续3 余弦载波发生器的参数设置 角频率为200 频率为100Hz 相位为 信号幅度为1V 采样时间间隔为0 0025s 采样频率为400Hz 各个示波器的参数设置 显示时间范围均为2s Input示波器的Y轴设置为1 2V和 1 2V QAM示波器的Y轴设置为1 5V和 1 5V Output示波器的Y轴设置为0 6V和 0 6V 滤波器的参数设置 采用4阶的切比雪夫II型低通滤波器 通带的转折频率归一值为0 5 频率为100Hz 阻带衰减为40dB 采样模块的参数设置 采样时间间隔为0 0025s 采样频率为400Hz 26 MATLAB5 3版中的16种工具箱 返回1 Simulink库 CommunicationsBlockset 通信模块集 ControlSystemToolbox 控制系统工具箱 Dials GaugesBlockset 面板和仪表模块集 DSPBlockset 数字信号处理模块集 Fixed PointBlockset 定点模块集 FuzzyLogicToolbox 模糊逻辑工具箱 NCDBlockset 非线性控制设计模块集 NeuralNetworkBlockset 神经网络模块集 MPCBlockset MPC模块集 PowerSystemBlockset 电源系统模块集 Real TimeWindowsTarget 实时窗口目标库 Real TimeWorkshop 实时工作空间库 Stateflow 状态流程库 SimulinkExtras Simulink附加库 SystemIDBlockset 系统辨识模块集 返回2 27 例3 1 1 信号发生器和示波器 返回 sig scope mdl 通过这个例子 对于系统仿真工具箱的使用有一个比较具体的认识 首先从源模块库内拖出三个信号发生器模块 然后对它们分别进行设置 一个为噪声源 另外两个为正弦波 频率分别为0 2Hz和0 6Hz 接着从Simulink Math模块库内拖出一个加法器 将它的输入端设置为三个 最后从输出模块库内拖出一个示波器 将上述五个模块连接在一起 进行系统仿真 28 例3 1 2 实现两个正弦信号的相乘 返回 刘敏P99 AM mdl 计算 将两个正弦源的频率设置为1Hz和10Hz 信号幅度均为1V 要求显示两个正弦波以及相乘后的波形 因此要求示波器有三个输入端 进行系统仿真 仿真参数设置 仿真时间设置 0到2s 仿真步长设置 定步长 Fixed Step 仿真算法设置 龙格 库塔法的5阶算法 ode5 29 Simulink库 返回 Sources库 Sinks库 Discrete库 Continuous库 Math库 Nonlinear库 Signals Systems库 Functions Tables库 30 Sources库 返回 Band LimitedWhiteNoise 限带白噪声 ChirpSignal 扫频信号 Clock 时钟 Constant 常量 DigitalClock 数字时钟 DiscretePulseGenerator 离散脉冲生成器 FromWorkspace 从工作空间读取数据 FromFile 从文件读数据 PulseGenerator 脉冲生成器 Ramp 倾斜 RandomNumber 随机数产生器 RepeatingSequence 重复序列 31 Sources库 续 返回 SignalGenerator 信号发生器 SineWave 正弦波 Step 阶跃 UniformRandomNumber 均匀分布随机数 32 Sinks库 返回 Display 显示 Scope 示波器 StopSimulation 停止仿真 ToFile 写入文件 ToWorkspace 写到工作空间 XYGraph 显示平面图形 33 Discrete库 返回 DiscreteFilter 离散滤波器 DiscreteStateSpace 离散状态空间 Discrete TimeIntegrator 离散时间积分器 DiscreteTransferFcn 离散传递函数 DiscreteZero Pole 数字零极点函数 First OrderHold 一阶保持 Zero OrderHold 零阶保持 UnitDelay 单位延迟 34 Continuous库 返回 Derivative 导数 Integrator 积分器 Memory 记忆 StateSpace 状态空间 TransferFcn 传递函数 TransportDelay 传递延迟 VariableTransportDelay 可变传输延迟 Zero Pole 零 极点 35 Math库 返回 Abs 绝对值 AlgebraicConstraint CombinatorialLogic 组合逻辑 ComplextoMagnitude Angle ComplextoReal Image DotProduct 点乘 Gain 增益 LogicalOperator 逻辑运算 Magnitude AngletoComplex MathFunction 数学函数 MatrixGain 矩阵增益 MinMax 最大最小值 36 Math库 续 Product 乘积 Real ImagetoComplex RelationalOperator 关系运算 RoundingFunction 圆整函数 Sign 符号 SliderGain 滑块增益 Sum 和 TrigonometricFunction 三角函数 返回 37 Nonlinear库 返回 Backlash模块 CoulombandViscousFriction 库仑和粘性摩擦 DeadZone 死区 ManualSwitch 手动开关 MultiportSwitch 多路转换开关 Quantizer 量化 RateLimiter 限速器 Relay 继电器 Saturation 饱和 Switch 选择开关 38 Signals Systems库 返回 BusSelector 总线选择器 ConfigurableSubsystem 可配置子系统 DataStoreMemory 数据存储器 DataStoreRead 读数据存储 DataStoreWrite 写数据存储 DataTypeConversion 数据类型转换 Demux 解混 Enable 激活 From 导入 Goto 传出 GotoTagVisibility 传出标记符的可见性 Ground 接地 HitCrossing 捕获穿越点 39 Signals Systems库 续 返回 IC 初始状态 Inport 输入端口 Merge 合并 ModelInfo 模型信息 Mux 混合 Outport 输出端口 Probe 探测器 Selector 选择器 Subsystem 子系统 Terminator 终结器 Trigger 触发器 Width 宽度 Function CallGenerator 函数调用发生器 40 Functions Tables库 返回 Fcn 函数表达式 Look UpTable 查找表 Look UpTable 2 D 二维查找表 MATLABFcn MATLAB函数 S Function S函数 41 CommunicationsBlockset 返回 ChannelCoding 信道编码库 Channels 信道库 CommSinks 通信接收库 CommSources 通信源库 Modulation 调制和解调库 SourceCoding 源编码库 Synchronization 同步库 UtilityFunctions 实用函数库 42 ChannelCoding 信道编码库 返回 该库中又包含的有 模块编码库和卷积编码库 模块编码库中包含有各种编码和解码成对模块以及演示模块 线性编码模块组 有二进制向量线性编码 解码和演示三个模块 二进制序列线性编码 解码和演示三个模块 循环编码模块组 有二进制向量循环编码 解码和演示三个模块 二进制序列循环编码 解码和演示三个模块 Hamming编码模块组 有二进制向量Hamming编码 解码和演示三个模块 二进制序列Hamming编码 解码和演示三个模块 BCH编码模块组 有二进制向量BCH编码 解码和演示三个模块 二进制序列BCH编码 解码和演示三个模块 43 ChannelCoding 信道编码库 续 返回 Reed Solomon编码模块组 有整数向量RS编码 解码和演示三个模块 二进制向量RS编码 解码和演示三个模块 整数序列RS编码 解码和演示三个模块 二进制序列RS编码 解码和演示三个模块 卷积编码库中包含有 卷积编码 Viterbi解码和演示三个模块 44 Channels 信道库 返回 该库中包含的模块有 加零均值Gauss白噪声 AWGN 信道模块及四个演示模块 加二进制误差信道模块及演示模块 有限二进制误差信道模块及演示模块 定参数Rayleigh衰减信道模块 变参数Rayleigh衰减信道模块及演示模块 定参数加Rician噪声信道模块 变参数加Rician噪声信道模块及两个演示模块 45 CommSinks 通信接收库 返回 该库中包含的模块有 触发写文件模块及触发文件I O演示模块 触发眼孔图样 散布图模块及演示模块 采样时间眼孔图样 散布图模块及演示模块 误差率计算模块及演示模块 46 CommSources 通信源库 返回 该库中包含的模块有 触发文件读入模块及触发文件I O演示模块 采样读工作空间变量模块 具有同步脉冲的采样读工作空间变量模块 具有采样率的向量脉冲模块 伪随机序列发生器模块及演示模块 均匀分布噪声发生器模块及演示模块 Gauss分布噪声发生器模块及演示模块 随机整数发生器模块及均匀分布整数演示模块 47 CommSources 通信源库 续 返回 Poisson分布随机整数发生器模块及演示模块 二进制向量发生器模块及演示模块 Bernoulli分布随机数发生器模块及演示模块 Rayleigh分布噪声发生器模块及演示模块 Rician分布噪声发生器模块及演示模块 48 Modulation 调制和解调库 返回 调制库中包含四个模块库 它们是 数字基带调制模块库 数字通带调制模块库 模拟基带调制模块库 模拟通带调制模块库 数字基带调制模块库 包含的模块有 基带MASK MultipleAmplitudeShiftKeying 多幅键控法 调制 解调及演示三个模块 基带S QASK QuadratureAmplitudeShiftKeying 正交振幅相移键控法 调制 解调及演示三个模块 基带A QASK调制 解调及演示三个模块 基带MFSK MultipleFrequencyShiftKeying 多频移键控法 调制模块 基带相干MFSK调制模块 基带非相干MFSK调制模块及演示四个模块 基带MPSK MultiplePhaseShiftKeying 多相移键控法 调制 解调及演示三个模块 49 Modulation 调制和解调库 续1 返回 数字通带调制模块库 包含的模块有 通带MASK调制 解调及演示三个模块 通带S QASK调制 解调及演示三个模块 通带A QASK调制 解调及演示三个模块 通带MFSK调制模块 通带相干MFSK调制模块 通带非相干MFSK调制模块及演示四个模块 通带MPSK调制 解调及演示三个模块 通带DPSK DifferentialPhaseShiftKeying 差分相移键控法 调制 解调两个模块 通带MSK MinimunPhaseShiftKeying 最小相移键控法 调制 解调两个模块 通带OQPSK OffsetQuadraturePhaseShiftKeying 偏移正交相移键控法 调制 解调两个模块 50 Modulation 调制和解调库 续2 返回 模拟基带调制模块库 包含的模块有 基带DSB SC DoubleSideBandShiftControl 双边频带移位控制 AM AmplitudeModulation 调幅 解调及演示三个模块 基带QAM QuadratureAmplitudeModulation 正交幅度调制 解调及演示三个模块 基带FM FrequencyMo