第七章Simulink仿真案例.ppt

第七章Simulink仿真 自动化与电气工程学院许春磊 第七章Simulink仿真 7 1Simulink基础7 2Simulink模型操作和仿真系统设置7 3系统建模实例7 4仿真系统中的子系统 Simulink是MATLAB软件的一个软件包 能够对动力学系统进行建模 仿真以及各种分析 Simulink仿真模拟支持完全的图形化界面 Simulink提供了图形用户界面 使得构建模型变的更直观 简单 只需要鼠标的点击与拖放 Simulink模块是分层次结构的 为用户寻找需要的模块提供了方便 提高了工作效率 所以Simulink是MATLAB软件一个非常重要的组成部分 7 1Simulink基础 1 启动Simulink的两种方法 a 通过点击工具栏 图标启动 b 在MATLAB命令窗口输入simulink然后点击回车键启动 打开的SimulinkLibraryBrowser 2 Simulink模块库浏览器 3 CommonlyUsedBlocks模块库 常用模块库中模块 4 Simulink模型窗口 模型窗口含有菜单栏 工具栏 编辑框和状态栏等部分 5 Simulink建模仿真示例 例7 1用Simulink模拟正弦信号产生与输出 创建Simulink的步骤 1 创建新模型界面 2 添加正弦信号产生模块和波形显示模块 3 模块属性设置 4 运行仿真系统 正弦信号模块属性设定 示波器属性设置窗口 系统运行结果 练一练 如何产生余弦信号 如何产生振幅为3的余弦信号 如何产生振幅为3 周期为4的余弦信号 例7 2用Simulink模拟chirp信号和正弦信号叠加的信号输出 SineWave模块属性设置 ChirpSignal模块属性设置 属性设置窗口 示波器属性设置 示波器结果图 练一练 仿真正弦信号与chirp信号相乘的波形图 示波器同时观察三个波形 例7 3现有一待显示图形函数为现需要在同一示波器中分别显示 和曲线 作业 请借助Simulink工具完成将摄氏度转换为华氏度 公式如下 7 2Simulink模型操作和仿真系统设置 7 2 1Simulink模型操作操作模块操作连线7 2 2Simulink仿真系统设置 例7 4借助积分器求微分方程其中为单位阶跃函数 方法1 解 将微分方程改写为 7 3系统建模实例 图形窗口属性设置 最终仿真结果 EXAMP070031 从工作空间加载数据 t simout x Time 输入信号标线为xx simout x Data 在变量x中寻找最大值 xm km max x 绘制最终结果图形 plot t x holdon 标注x的最大值位置 plot t km xm ro markersize 15 linewidth 2 holdoffgridontitle 仿真结果 方法2 解 传输函数 方法3 状态空间模型 G tf 0 2 10 20 4 G1 ss G 试一试 借助Simulink仿真求解微分方程初始条件为 例7 5用Simulink创建系统 求解非线性微分方程其初始值为 绘制函数的波形 例7 6力 质量系统 要拉动一个箱子 拉力f 1N 箱子质量为M 1kg 箱子与地面存在摩擦力 b 0 4N m s 其大小与车子的速度成正比 其运动方程式为 拉力作用时间为2s 建构的模型为 例7 7下图所示简单的单摆系统 假设杆的长度为L 且质量不计 钢球的质量为m 单摆的运动可以以线性的微分方程式来近似 但事实上系统的行为是非线性的 而且存在粘滞阻尼 假设粘滞阻尼系数为bkg ms 1 选取b 0 03 g 9 8 L 0 8 m 0 3 所构建的模型 单摆系统的运动方程式为 Integrator初始状态为0Integrator1初始状态为1 创建Simulink仿真系统模型步骤如下 1 将Sources模块库中SignalGenerator模块拖入模型窗口 将Continuous模块库中State Space模块拖入模型窗口 将Sinks模块库中Scope模块拖入模型窗口 2 连线 设置模块属性 SignalGenerator模块 Waveform设置为square Amplitude设置为25 State Space模块 ParametersA设置为 1 0 02 0 3 0 02 0 3 0 0001 0 000005 0 0001 B设置为 1 0 02 0 C设置为 0 1 D设置为0 Initialconditions设置为 1 10 结果如图7 40所示 3 将上面仿真系统模型保存为EXAMP07006 Stoptime设置为2秒 作业 请借助Simulink工具完成下面动力学系统仿真 7 4仿真系统中的子系统 7 4 1创建子系统当用户创建一些模块能够实现某些特定功能 想把这些模块变成子系统 操作步骤如下 1 将需要放到子系统中的所有模块都选中 2 选择菜单 Diagram Subsystem modelReferecence CreateSubsystemfromSelection命令 或者单击鼠标右键 在弹出菜单中选择CreateSubsystemfromSelection命令 子系统建立 通过Subsystem模块创建子系统 可以按照下面步骤 1 打开Simulink模块库 将Ports Sybsystems模块库中Subsystem模块拖入模型窗口 2 双击Subsystem模块 打开Subsystem窗口 3 把要组合的模块拖入Subsystem窗口内 然后在窗口中加入Inport模块表示从子系统外部到内部的输入 加入Output模块表示从子系统内部到外部的输出 把这些模块按顺序连接起来 子系统建立 例7 9PID控制器是在自动控制中经常使用的模块 在工程应用中其标准的数字模型为其中采用了一阶环节来近似纯微分动作 为保证有良好的微分近似的效果 一般选 试建立PID控制器的模型并建立子系统 借助Simulink创建PID控制器模型步骤如下 1 将Sources模块库中In1模块拖入模型窗口 将Sinks模块库中Out1模块拖入模型窗口 将MathOperations模块库中Grain模块和Add模块拖入模型窗口 将Continuous模块库中2个TransferFcn模块拖入模型窗口 2 连线 设置各个模块属性 Gain模块 Gain属性设置为Kp TransferFcn模块 Parameters中Denominatorcoefficients设置为 Ti0 TransferFcn1模块 Parameters中Numeratorcoefficients设置为 Td0 Denominatorcoefficients设置为 Td N1 Add模块 Listofsigns设置为 创建子系统有两种方法 方法一步骤如下 1 按住shift键 通过鼠标选中Gain模块 TransferFcn模块 TransferFcn1模块和Add模块 2 单击鼠标右键打开悬挂菜单 选中Createsubsystemfromselection命令 子系统建立 也可以借助快捷键ctrl G创建子系统 方法二步骤如下 1 将Ports Subsystems模块库中拖入建模窗口 2 双击Subsystem模块 打开子系统窗口 3 将MathOperations模块库中Grain模块和Add模块拖入模型窗口 将Continuous模块库中2个TransferFcn模块拖入模型窗口 4 连线 设置各个模块属性 Gain模块 Gain属性设置为Kp TransferFcn模块 Parameters中Denominatorcoefficients设置为 Ti0 TransferFcn1模块 Parameters中Numeratorcoefficients设置为 Td0 Denominatorcoefficients设置为 Td N1 Add模块 Listofsigns设置为 子系统建立 7 4 2子系统的条件执行 1 使能子系统例7 10利用使能子系统构成一个正弦半波整流器创建子系统步骤如下 1 打开SimulinkLibraryBrowser窗口 创建一仿真模型 2 将Sources模块库中SineWave模块拖入模型窗口 将Ports Subsystems中的EnabledSubsystem模块拖入模型窗口 将Sinks模块库中Scope模块拖入模型窗口 3 连线 设置模块属性 Scope模块 Numberofaxes设置为2 设置Stoptime为20秒 2 触发子系统 触发事件由系统内触发模块对话框定义 有4种触发事件形式可以选择 1 rising 触发信号以增长的方式穿越0时 子系统开始接收输入值 2 falling 触发信号以减小的方式穿越0时 子系统开始接收输入值 3 either 每当触发信号穿越0时 子系统开始接收输入值 4 function call 这种触发方式必须和S函数配合使用 Trigger模块参数设置对话框中 有Showoutputport复选框 表示是否为Trigger模块添加一个输出端口 用来输出控制信号 选中后 下面参数Outputdatatype被激活 在这里的输出控制信号的类型 含有auto int8和double类型 例7 11利用触发子系统获取零阶保持的采样信号实例创建模型步骤如下 1 将Sources模块库中PulseGenerator模块和SineWave模块拖入建模窗口 将Sinks模块库中Scope拖入建模窗口 将Ports Subsystems模块库中TriggeredSubsystem模块拖入模型窗口 2 连线 模块属性设置 PulseGenerator模块 Period设置为1 PulseWidth设置为50 Scope模块 Numberofaxes设置为3 y轴的显示范围定义为 1 5到1 5 背景设计颜色设置为白色 线条都设置为黑色 其它属性及其它模块输定都采用默认值 3 双击TriggeredSubsystem模块 打开触发子系统窗口 在In1模块和Out1模块之间添加一个SliderGain模块 所有属性都采用默认值 Stoptime设置为20秒 7 4 3封装子系统 封装子系统的创建步骤为 1 创建仿真系统模型 2 创建子系统 3 在选中子系统情况下 通过菜单 Diagram Mask CreateMask 命令或者快捷组合键ctrl M 打开属性设置窗口 可以设置封装子系统的参数属性 模块描述 帮助说明等 完成子系统封装 例7 12封装子系统创建 创建封装子系统步骤如下 1 将Sources模块库中2个In1模块拖入子系统窗口 将Sinks模块库中2个Out1模块拖入子系统窗口 将Continuous模块库中Derivative模块和Integrator模块拖入子系统窗口 将Ports Subsystems模块库中Enable模块拖入子系统窗口 连线 2 选中窗口中所有模块 单击鼠标右键打开悬挂菜单 选中Createsubsystemfromselection命令 建立子系统 然后剪切窗口中Enable模块 粘贴到子系统窗口 例7 13实现一个sin信号源封装子系统 即 Out t Amp Sin Freq t Phase Bias 在库选择Subsystem 双击该模块 建立子系统 模块编辑 右击模块 Mask CreateMask 或者选择模块 按快捷键Ctrl M 图标显示 即子模块的外观显示 可以在IconDrawingCommands里面用plot画 也可以直接用image命令导入 其他命令见Command 可以根据需要自定义 在IconDrawingCommands里输入如下命令 得到所要显示的图t 0 0 2 2 pi y sin t plot t y 00 11 02 pi 00 在Docum