Simulink建模与仿真基础

电气工程学院朱学贵,Simulink-从仿真,走进现实,0-初识Simulink一个简单的仿真实例,在MATLAB的命令窗口输入Simulink，或单击MATLAB主窗口工具栏上的“Simulink”命令按钮即可启动Simulink。Simulink启动后会显示如图所示的Simulink模块库浏览器（SimulinkLibraryBrowser）窗口。,1模型元素一个典型的Simulinnk模型包括以下3种元素。信号源（Source）被模拟的系统模块信号输出（Sink）2仿真步骤（1）建立系统仿真模型，包括添加模块、设置模块参数、进行模块连接等操作。（2）设置仿真参数。（3）启动仿真并分析仿真结果。,3仿真实例利用Simulink仿真曲线。正弦信号由信号源模块库（Sources）中的SineWave模块提供，求和用数学运算模块库（MathOperations）中的数学函数模块（Add）产生，再用信号输出模块库（Sinks）中的示波器模块（Scope）输出波形（1）打开一个名为untitled的模型编辑窗口（2）将所需模块添加到模型中。（3）用连线将各个模块连接起来组成系统仿真模型（4）设置模块参数并连接各个模块组成仿真模型。,模型建好后，将模型以模型文件的格式（扩展名为.mdl）存盘。,（5）设置系统仿真参数。（6）仿真操作。,主要内容,第一讲Simulink建模与仿真基础第二讲子系统封装技术与S_function基础第三讲Simulink在研究中的应用,Simulink简介Simulink能做什么？模块介绍建模参数设置仿真练习,第一讲Simulink建模与仿真基础,1.1Simulink简介,并行计算ParallelComputingToolboxMATLABDistributedComputingServer数学、统计与优化SymbolicMathToolboxPartialDifferentialEquationToolboxStatisticsToolboxCurveFittingToolboxOptimizationToolboxGlobalOptimizationToolboxNeuralNetworkToolboxModel-BasedCalibrationToolbox控制系统设计与分析ControlSystemToolboxSystemIdentificationToolboxFuzzyLogicToolboxRobustControlToolboxModelPredictiveControlToolboxAerospaceToolbox,代码生成和验证MATLABCoderHDLCoderHDLVerifierFilterDesignHDLCoder应用发布MATLABCompilerMATLABBuilderNE(forMicrosoft.NETFramework)MATLABBuilderJA(forJavalanguage)MATLABBuilderEX(forMicrosoftExcel)SpreadsheetLinkEX(forMicrosoftExcel)MATLABProductionServer数据库访问与报告DatabaseToolboxMATLABReportGenerator,计算金融FinancialToolboxEconometricsToolboxDatafeedToolboxDatabaseToolboxSpreadsheetLinkEX(forMicrosoftExcel)FinancialInstrumentsToolbox计算生物BioinformaticsToolboxSimBiology,信号处理与通信SignalProcessingToolboxDSPSystemToolboxCommunicationsSystemToolboxWaveletToolboxFixed-PointToolboxRFToolboxPhasedArraySystemToolbox图像处理与计算机视觉ImageProcessingToolboxComputerVisionSystemToolboxImageAcquisitionToolboxMappingToolbox测试u=sin(t),cos(t).*sin(t),exp(-2*t).*sin(t);,Input选项：用于将MATLAB空间已存的数据导入Simulink模型的“输入模块(In)”中，数据类型包括：数组、时间表达式、结构体和时间串等。如果Simulink模型中使用了“输入模块”，就必须选中该选项并填写所导入数据的变量名，缺省变量名为t，u，t为时间，u为该时间对应的数值。,“Loadformworkspace”选项组：从MATLAB工作空间导入数据,仿真数据输入/输出，用来设置仿真模型与工作空间Workspace之间的数据的输入/输出。,Initialstate选项：用于设置由Input选项导入Simulink模型输入模块(In)变量的初始值，与Input选项配合使用。将迫使模型从MATLAB工作空间获取模型中全部模块所有状态变量的初始值。,Time选项：用于设置保存于MATLAB工作空间中的仿真运行时间变量名。选中此选项，可将仿真运行时间变量以指定的变量名（缺省名为tout）保存于MATLAB工作空间。,“Savetoworkspace”选项组：将仿真结果数据保存至MATLAB工作空间中,States选项：用于设置保存于MATLAB工作空间中的状态变量名。选中此选项，可将仿真过程中Simulink模型中的状态变量值以指定的变量名（缺省名为xout）保存于MATLAB工作空间。,Output选项：用于设置保存于MATLAB工作空间中的输出数据变量名。如果Simulink模型中使用了“输出模块(Out)”，就必须选中该选项并填写保存于MATLAB工作空间中的输出数据变量名（缺省名为yout）。,Finalstate选项：用于设置保存于MATLAB工作空间中的最终状态变量名。选中此选项，可将Simulink模型中的最终状态变量值以指定的变量名（缺省名为xFinal）保存于MATLAB工作空间。,Limitdatapointtolast选项：用于限定可存取的数据。选中此选项后，可设定保存变量接受数据的长度，缺省值为1000。如果输入数据长度超过设定值，那么最早的“历史”数据被删除。,“Saveoptions”选项组：数据保存选项，需要与Savetoworkspace选项组配合使用。,Decimation选项：用于设置降频程度系数，降频系数的默认值为1，表示每一个点都返回状态与输出值。,Format选项：用于设置数据保存格式。保存数据有三种的格式选择：带时间的构架(StructureWithTime)结构体(Structure)数组(Array),Outputoptions选项：用于设置产生附加输出信号数据，只适用于变步长解算器。,输出选项,Refineoutput平滑输出,Produceadditionaloutput产生附加输出,Producespecifiedoutputonly仅产生特殊的输出,（3）诊断参数(Diagnostics)设置,在Simulink中可能出现一些错误情况，这就需要事先设置出现各类错误时发出警告的等级。提醒用户仿真模型中所存在的问题。通过选择不同的诊断提示方式对仿真模型进行代数环、过零等检测，有利于仿真之前发现仿真模型中所存在的问题。当然这些检测需要花费大量的时间，一般情况下，可以使用默认的属性设置。但是在建立仿真模型的时候，应该要特别关注代数环和过零检测两个问题。用于设置系统对仿真过程中，可能会出现一些非正常事件做出何种反应，有以下几种：None：不做任何反应。Warning：提出警告，但警告信息不影响程序的运行。Error：提示错误，运行的程序停止。,诊断参数设置界面，主要用来设置仿真模型的警告和错误的提示。,（4）硬件实现(HardwareImplementation)设置,硬件实现设置界面，主要用于定义硬件的特性（包括硬件支持的字长等）。这里的硬件是指将来要用来运行模型的物理硬件。这些设置可以帮助用户在模型实际运行目标系统（硬件）之前通过仿真检测到以后在目标系统上运行可能会出现的问题，如溢出问题等。,（5）模型参考(ModelReferencing)设置,模型参考设置界面，主要用于生成目标代码、建立仿真以及定义当此模型中包含其他模型或其他模型引用该模型时的一些选项参数值。,1）Rebuildoptionsforallreferencedmodels选项组：所有参考模型重建选项Rebuildoptions选项：用于设置是否要在当前模型更新、运行仿真和生成代码之前重建仿真和Real-TimeWorkshop目标。,Modeldependencies用于定义存放初始化模型参数的命令以及为模型提供数据的文件名或文件的路径。,2）Optionsforreferencingthismodel选项组：,totalnumberofinstancesallowedpertopmodel选项：用于设置在其他模型中可以引用多少个该模型。,Passscalarrootinputsbyvalue选项：通过数值来传递该模型的标量输入选中此项后，别的模型在调用该模型时就会通过数值来传递该模型的标量输入，否则就通过参考（如输入的地址）来传递输入。选中此项就会允许模型从速度快的寄存器或局部存储单元读取数据，而不是从它的实际输入位置来读取。如果模型的输入在同一个时间步内发生改变，那么选中此项就会导致仿真出错。,Minimizealgebraicloopoccurrences选项：最大限度地减少发生代数环选中此项后，Simulink就试图消除模型中的一些代数环。,（6）实时工作间(Real-TimeWorkshop)设置,在该环境下可直接从Simulink模型生成可移植的程序源代码，并自动生成能在多种环境中（包括实时系统和单机仿真）实时执行程序。Real-TimeWorkshop主要用来进行实时控制、实时仿真、交互式实时参数调整与生成可移植的C语言代码等。在该该界面中允许用户选择目标语言模板、系统目标文件等，如果选择了Generatecodeonly（只生成代码）选项，则实时工具只将Simulink模型翻译成目标语言代码，不进行编译、生成可执行文件。,实时工作间设置界面，它是Simulink的一个重要功能模块，也是一种实时开发环境。,2.运行模型,用户在选择适当的算法并且设置好仿真参数后，就可以运行Simulink仿真模型了。有两种方法可以启动仿真：1）选择SimulationStart；2）点击图标“”。,注意：缺省时，示波器历史数据只保存最后的5000个。如果我们希望显示完整的仿真曲线，就需要将“Limitdatatolast5000”前面复选框中的“”去掉。,观察仿真结果,（1）仿真结果输出到显示模块,1）示波器(Scope)显示。,将数据显示在其独立窗口中，是一个用途非常广泛是显示模块，它以图形的方式直接显示输入数据，在很多情况下，无需对输出结果进行定量分析，便可以从其仿真输出曲线中获知系统的运行规律。,Scope模块的工具栏按钮命令功能介绍,设置Y轴个数,设置显示的时间范围,选择轴的标注方法,确定显示频度(每隔n-1个数据点显示一次),确定显示点的时间间隔(缺省为0表示连续显示),示波器属性对话框General页,通过Scope模块窗口的工具栏中选择Parameters按钮，打开示波器参数设置界面,参数设置主要是针对示波器窗口的坐标系与曲线显示方面的,Numberofaxes选项：示波器窗口内的坐标系个数，默认值为1；当设置为2时，相当模型结构图中示波器图标的输入端就为两个输入端口；,Axes选项组：,Timerange选项：信号显示从0开始的时间区间，默认设置为10，若设置为n，则信号显示的时间区间为0，n；,Ticklabels选项：有三种选择：坐标系标注标志(all)；坐标系不标注标志(none)；坐标系底部标注标志(bottomaxisonly)；,floatingscope选项：选中此项，则示波器为浮动状态，模型结构图中示波器的输入端将与系统模型的连线会断开。,选择“Decimation”是设置数据的显示频度，默认值为1，表示每点都显示；设置为n时，则为隔（n-1）点显示一次；选择“Sampletime”是设置显示点的采样时间间隔，默认值为0，表示显示连续信号，若设置为-1，则表示显示方式取决与输入信号；若设置大于0的数，则表示显示离散信号的时间间隔。,Sampling选项组：,设置主要是针对示波器的数据存储与传送方面的,Savedatatoworkspace选项：用来把示波器缓冲区存储的数据送到MATLAB工作空间，默认值是不选此项。,Limitdatapointtolast选项：设置缓冲区存储数据的长度，默认值为5000。若输入数据过多时，则会自动清除原有的数据。,Variablename选项：存储数据的变量名，可以设置，也可以用默认设置名“ScopeData”。,Format选项：设置数据保存格式。保存数据有三种的格式选择：带时间的构架(StructureWithTime)、结构体(Structure)、数组(Array)。,“FloatingScope”模块特点：模块没有任何输入和输出端口，不需要和任何连接线连接，它可以在仿真过程中显示任何选定的信号，而无须修改系统模型。与普通示波器(Scope)的区别在于：本模块可以选定所要显示的信号，而普通示波器(Scope)模块只能显示与之相连的信号。,2）浮动示波器(FloatingScope)显示,在MATLAB图形窗口绘制二维图形。该显示器有两个输入端，上面的输入端作为x，下面的输入端作为y，X-Y示波器模块可以显示两个图形的关系。,3）X-Y示波器(XYGraph)显示,将结果以数字形式显示出来。数字显示模块没有独立的显示窗口，只是在模块的显示框中直接滚动显示数据结果。当数据是标量时，显示模块中只显示一个窗口；当数据是行向量或列向量或矩阵时，显示模块在右下角显示一个或同时显示两个向右或向下的小箭头，将模块向右或向下拉开可显示出多个窗口。,4）数字(Display)显示,在输出模块组中有一个名为“out1”的模块，将数据输入到这个模块，该模块就会将数据输出到命令窗口，并用“yout”的变量保存，同时还将时间数据用“tout”保存。存储在工作空间的结果可以利用相应的命令在工作空间中做进一步的分析。,（2）仿真结果返回到MATLAB命令窗口,三种方式1）通过示波器模块向工作空间存储数据。在使用示波器观察数据时，默认情况下将一个名为“ScopeData”的数据结构和名为tout的数组存储在工作空间中。也可通过Scope的窗口的工具栏中选择Parameters按钮，打开示波器参数设置界面，选Datahistory选项进行设置。2）选择“ToWorkspace”模块。只要将数据输入到这个模块内，就会将数据保持到工作空间中。3）选择SimulationConfigurationParametersDataImport/Export选项，根据各个参数的选择来确定。,（3）仿真结果存储到工作空间,Simulink在控制系统仿真研究中的应用举例,【例1-1】某一SISO的线性定常如图所示，试用MATLAB观测其单位阶跃响应曲线。,解：建立一个Simulink模型文件，在其中构造如下