第九讲 Simulink交互式方针集成环境.ppt

Simulink交互式仿真集成环境,第九讲,1.引导,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。,1.1Simulink入门,1.2SIMULINK库浏览器界面,1.3SIMULINK模型窗的组成,2模型的创建,2.1SIMULINK模型是什么系统：被研究系统的Simulink方框图信源：可以是常数、正弦波、阶梯波等信号源信宿：可以是示波器，图形记录仪等,2.2模块操作,模块的选定模块的复制模块的移动模块的删除改变模块大小模块的旋转模块名的操作模块的阴影效果,2.3向量化模块和标量扩展,【例1】演示“示波”模块的向量显示能力。,【例2】演示“求和”模块的向量处理能力：输入扩展【例3】演示“增益”模块的向量处理能力：参数扩展,2.4信号线操作,产生连线信号线的分支和折曲信号线宽度显示彩色显示信号线插入模块信号线标识（label）,3常用的Source库信源,Clock（连续）仿真时钟Constant恒值输出FromFile从文件读数据FromWorkspace从工作内存读取数据SignalGenerator信号发生器SineWave正弦波输出Step阶跃输出,【例4】如何调用MATLAB工作空间中的信号矩阵作为模型输入。本例所需的输入为,sourec0825_1.mfunctionTU=source0825_1(T0,N0,K)t=linspace(0,K*T0,K*N0+1);N=length(t);u1=t(1:(N0+1).2;u2=(t(N0+2):(2*N0+1)-2*T0).2;u3(1:(N-(2*N0+2)+1)=0;u=u1,u2,u3;TU=t,u;,模块的参数设置：双击模块S08025_1，弹出“FromWorkspace”,设置对话框在“Data”栏中填写TU在指令窗口中，运行以下指令：TU=source0825_1(1,100,4);,4常用的Sink库信宿,Display数值显示Scope示波器Stop终止仿真ToFile将数据保存为文件ToWorkspace将数据写成矩阵XYGraph显示x-y图形,示波器（1）示波器的用途（2）示波器窗的工具条（3）示波器纵坐标范围的手工设置（4）示波器横坐标的设置（5）把示波器数据送入MATLAB工作空间（6）多信号显示区设置（7）设置为游离示波器,5仿真的配置,5.1解算器参数的设置（Solver）,5.2仿真数据的输入输出设置（WorkspaceI/O）,6连续系统建模,6.1积分模块的功用,仿真结果说明：在仿真启动时，积分器从0开始对0.5t进行积分，当复位信号t-5=0瞬间，积分器被重置为0。此后对0.5t进行积分。因此信号满足：,6.2积分模块直接构造微分方程求解模型,【例5】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的二阶微分方程，,是单位阶跃函数。本例演示如何用积分器直接构作求解该微分方程的模型。,求解步骤,（1）改写微分方程把原方程改写为（2）利用Simulink库中的标准模块构作模型,（3）保存在Matlab工作空间中的数据示波器模块项工作空间存放构架数组Toworkspace模块以选定的矩阵方式项工作空间存放数组x_t模型窗的I/O页，以tout,xout名称存放数据在工作空间下面演示如何利用示波器数据ScopeData绘制出所需的图形,clftt=ScopeData.time;xx=ScopeData.signals.values;xm,km=max(xx);plot(tt,xx,r,LineWidth,4),holdonplot(tt(km),xm,b.,MarkerSize,36),holdoffstrmax=char(最大值,t=,num2str(tt(km),x=,num2str(xm);text(6.5,xm,strmax),xlabel(t),ylabel(x),6.3传递函数模块,假设初始状态为0，U(t)是单位阶跃对方程两边施行laplace变换，得：,6.4状态方程模块和单位脉冲输入的生成,【例6】假设式中的输入函数是单位脉冲函数，研究该系统的位移变化。本例演示：（A）状态方程模块的使用；（B）脉冲函数的生成方法。令，则微分方程可写为：可写出下列状态方程：,单位脉冲函数的表示,数学定义：考虑因素：脉冲宽度应远小于被研究系统的最快动态模式（如特征根的实部）脉冲宽度不能太小本系统特征根的实部绝对值为0.1,幅度M=100。即：,7.非线性系统,Simulink包含了许多非典型的非线性模块，如间隙性非线性模块Backlash，继电器非线性模块Relay，死区非线性模块Deadzone等。,7.1建立非线性仿真模型的基本考虑,【例7】物理背景：如图所示喷射动力车的定位控制问题，要求设计一个控制器，目标是：当车辆的位移和速度为正时，控制器点燃右发电机；当车辆的位移和速度为负时，控制器点燃左发动机，直至车辆静止在坐标原点。,求解步骤,（1）根据车辆的动态方程，构作基本仿真模型在阻力不计的前提下，又设喷射力F=1,车辆的质量m=5初始条件,基本仿真模型,（2）为观察仿真时间进程，引入仿真时钟显示（3）为模仿“车辆速度与位移小于某域值时被认为控制目标达到”，引入仿真终止环节本例中，假设：时，认为控制目标达到，终止仿真。（4）为模仿“符号切换的非瞬间性”，本例采用“定步长”Solver解算器。（5）为便于分析接近原点时的颤振现象，通过模型窗I/O设置保存仿真数据。,完整的仿真模型,（6）保存数据的利用和分析为了看清接近原点时的振颤chatter现象，利用保存数据tout和xout画出相轨迹的指令,subplot(1,2,1),plot(xout(:,2),xout(:,1)gridon,axis(-0.2,1,-1,0.2),axissquarexlabel(fontsize14位移),ylabel(fontsize14速度),subplot(1,2,2),plot(xout(:,2),xout(:,1)gridon,axis(-0.1,0.05,-0.05,0.1),axissquare,7.2任意非线性函数模块及其应用,Fcn函数模块表达式符合C语言格式，执行的是标量运算，计算结果就是模块的输出；模块输入是标量时，必须用u变量名，输入为向量时，必须用u1，u2等向量元素名表达式引用的其他标量形式参量必须存放于Matlab基本空间中,【例8】轿车沿直线山坡路向前行驶。要求设计一个简单的比例放大器，使轿车能以指定的速度运动。本例演示：（A）仿真系统的创建。（B）非线性模块的使用。（C）任意函数模块的应用。(D)体现“自下而上”的建模方式。（1）轿车的运动方程：,Fe是引擎动力：,Fw是空气阻力：,Fh是重力分量：,行使轿车动力学仿真模型,（2）比例控制及其仿真模型利用简单的比例控制，工作原理是：根据期望速度和实际速度之差产生“指令”驱动Fc。数学模型是：图中ScIn-和SaIn+分别是比例控制器模型的期望速度和实际速度输入口模块，而FcOut是“指令”驱动力输出口模块,受控轿车的完整仿真模型,8子系统的创建、装帧及受控执行,如果被研究的系统比较复杂，那么直接用基本模块构成的模型就比较庞大，模型中的信息主要流向就不容易辨认，若把整个模型按实现功能或对应物理器件的存在划分成块，将有利于整个系统的概念抽象。,8.1简装子系统及其应用,1.创建简装子系统的“先有内容后套包装”法,2.创建简装子系统的“先有包装后置内容”法,（1）在新建模型窗中复制包括子系统模块在内的所有标准模块（2）在subsystem标准模块里面“装入”轿车动态模型和比例控制器模型（3）对模型窗中进行各模块的连接,8.2精装子系统,在简装子系统所在的窗口中，点亮该简装子系统，然后再在窗口菜单条中选取Edit:Masksubsystem，利用装桢编辑器为未来的参数对话窗设计：设计参数项、模块描述和帮助文字、用户自定义的图形标识。如果需要对已经生成的精装子系统重新加以装桢，编