MATLAB与系统仿真13

1、MATLAB与系统仿真机电工程学院 勾燕洁 二一四年秋第八章 Simulink的基本使用 Simulink是MATLAB的重要组成部分，用来进行动态系统仿真、建模和分析。它不但支持线性系统仿真，也支持非线性系统仿真，既可以进行连续系统仿真，也可以进行离散系统仿真或者二者的混合仿真，同时支持具有多种采样速率的系统仿真。 Simulink提供建立系统模型、选择仿真参数和数值算法、启动仿真程序对该系统进行仿真、设置不同的输出方式来观察仿真结果等功能。8.1 Simulink简介 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。用模是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包

2、。用模块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型，特别对块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型，特别对于复杂的非线性系统，它的效果更为明显。于复杂的非线性系统，它的效果更为明显。Simulink模型可以用来模拟线性、模型可以用来模拟线性、非线性系统，连续、离散及混合系统，单任务、多任务离散事件系统。也就是非线性系统，连续、离散及混合系统，单任务、多任务离散事件系统。也就是说，它可以用来模拟几乎所有可遇到的动态系统。说，它可以用来模拟几乎所有可遇到的动态系统。 在在Simulink提供的图形用户界面上，只需鼠标的简单拖拉操作即可构造出提供的图形用户界面上，

3、只需鼠标的简单拖拉操作即可构造出复杂的仿真模型。它以图块方式呈现，采用分层结构，既适用于自上而下复杂的仿真模型。它以图块方式呈现，采用分层结构，既适用于自上而下（Top-down）的设计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件），又适于）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（自下而上（Bottum-up）逆程设计。这不仅能让用户知道具体环节的动态细节，）逆程设计。这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、子系统、系统间的信息交换，掌握各部分之而且能让用户清晰地了解各器件、子系统、系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。间的交互影响。 在

4、在Simulink环境中，用户将摆脱理论演绎时必须做理想化假设的无奈，观环境中，用户将摆脱理论演绎时必须做理想化假设的无奈，观察到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素察到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。在对系统行为的影响。在Simulink环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时观察系统行为的变化。由于参数，实时观察系统行为的变化。由于Simulink环境使用户摆脱了深奥数学推环境使用户摆脱了深奥数学推演的压力和繁琐编程的困扰，因此用户会产生浓厚的探索兴趣，引发活跃的

5、思演的压力和繁琐编程的困扰，因此用户会产生浓厚的探索兴趣，引发活跃的思维，感悟出新的真谛。维，感悟出新的真谛。1Simulink的启动 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Simulink模块库浏览器(Simulink Library Browser)窗口。8.1.1 Simulink8.1.1 Simulink的启动与退出的启动与退出 在MATLAB主窗口File菜单中选择New菜单项下的Model命令，在出现Simulink模块库浏览器的同时，还会出现一个名字为untit

6、led的模型编辑窗口。在启动Simulink模块库浏览器后再单击其工具栏中的Create a new model命令按钮，也会弹出模型编辑窗口。利用模型编辑窗口，可以通过鼠标的拖放操作创建一个模型。一个简单的例子一个简单的例子例 正弦波的输出 模型创建完成后，从模型编辑窗口的File菜单项中选择Save或Save As命令，可以将模型以模型文件的格式(扩展名为.mdl)存入磁盘。 如果要对一个已经存在的模型文件进行编辑修改，需要打开该模型文件。在MATLAB命令窗口直接输入模型文件名(不要加扩展名.mdl)。在模块库浏览器窗口或模型编辑窗口的File菜单中选择Open命令，然后选择或输入欲编辑

7、模型的名字，也能打开已经存在的模型文件。另外，单击模块库浏览器窗口工具栏上的Open a model命令按钮或模型编辑窗口工具栏上的Open model命令按钮，也能打开已经存在的模型文件。2Simulink的退出 要退出Simulink，只要关闭所有模型编辑窗口和Simulink模块库浏览器窗口即可。 Simulink的模块库提供了大量模块。单击模块库浏览器中Simulink前面的“+”号，将看到Simulink模块库中包含的子模块库，单击所需要的子模块库，在右边的窗口中将看到相应的基本模块，选择所需基本模块，可用鼠标将其拖到模型编辑窗口。同样，在模块库浏览器左侧的Simulink栏上单击鼠

8、标右键，在弹出的快捷菜单中单击Open the Simulink Libray 命令，将打开Simulink基本模块库窗口。单击其中的子模块库图标，打开子模块库，找到仿真所需要的基本模块。8.1.2 Simulink8.1.2 Simulink的基本模块的基本模块信号源模块组信号源模块组 (Sources)nSine Wave：产生幅值、频率可设置的正弦波信号。 双击图标 ，弹出正弦波的参数设置框图。图中参数为Simulink默认值，用户可根据需要对这些参数重新设置。 幅值、频率为2，基准为0.5，其波形如下图所示：nStep：产生幅值、阶跃时间可设置的阶跃信号。 双击图标 ,弹出阶跃信号的参

9、数设置框图。图中参数为Simulink默认值。 当设置幅值为0.8,阶跃时间为1秒时，阶跃波形如下图所示：连续模块组连续模块组(Continuous)离散模块组离散模块组 (Discrete)数学运算模块组数学运算模块组(Math Operations) ：加法器加法器。 该模块为求和装置。求和器形状，输入信号个数和符号可设置，如右边框图。若设置如框图。则模块显示为： ：符号函数符号函数。 该模块的输出为输入信号的符号。下图为对正弦信号经符号运算后的波形。 ：实现一个数学函数。 右图为该函数的参数设置框。点击函数设置的下拉窗口，可选择所需要的函数。选定函数后，该模块图标将显示所选函数。如选择“

10、Square”，则模块图标变为：输出池模块组输出池模块组 (Sinks) 该库包含了显示和写模块输出的模块。双击 即弹出该库的模块图： ：数字表，显示指定模块的输出数值。 ：X-Y绘图仪用同一图形窗口，显示X-Y坐标的图形(需先在参数对话框中设置每个坐标的变化范围)，当X、Y分别为正、余弦信号时，其显示图形如下： ：示波器示波器。显示在仿真过程产生的信号波形。双击该图标,弹出示波器窗如下图所示：分别管理X-Y、X和Y轴向变焦取当前窗中信号最大、最小值为纵坐标的上下限把当前轴的设置保存为该示波器的缺省设置打开示波器属性对话框设置为浮动示波器设置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

11、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页示波器属性对话框Data history页设定缓冲区接受数据的长度,勾选为缺省状态,其值为5000确定示波器数据是 否 保 存 到MATLAB工作空间。若勾选则为保存，且需确定变量名和保存格式(缺省时,不被勾选)信号路线发送模块组信号路线发送模块组 (Signal Routing)断续模块组断续模块组(Discontinuous)其他模块组其他模块组 Simulink模型有以下几层含义：在视觉上表现为直观的方框图；在文件上是扩展名为MDL的ASCII代码；

12、在数学上体现了一组微分方程或差分方程；在行为上模拟了物理器件构成的实际系统的动态性状。 从宏观角度看，Simulink模型通常包含3种“组件”：信源（Source），系统（System）以及信宿（Sink）。8.2 Simulink模型的建立与仿真8.2.1 Simulink8.2.1 Simulink模型是什么模型是什么8.2.2 8.2.2 模型窗口的建立和保存模型窗口的建立和保存8.2.3 8.2.3 模块操作模块操作 模块创建和选定 模块复制、移动和删除 模块缩放、旋转和翻转 模块名操作 模块的阴影和颜色 向量化模块和标量扩展 Simulink中几乎所有模块都是向量化模块（Blocks

13、 vectorized）。向量化模块输入量和输出量之间的关系是符合数学规则的向量关系y=F(x1,x2,xn)，式中x1,x2,xn可以是标量或向量，但如果是向量必须长度相同。 Simulink中几乎所有模块的参数都允许用户进行设置。双击要设置的模块或在模块上按鼠标右键并在弹出的快捷菜单中选择相应模块的参数设置命令就会弹出模块参数对话框。该对话框分两部分，上面部分是模块功能说明，下面部分用来进行模块参数设置。 模块的参数设置 信号线操作 Simulink模型中的信号总是由模块之间的连线携带并传送的，因此模块间的连线称为信号线（Signal lines）。在链接模块时，要注意模块的输入、输出端和

14、各模块间的信号流向。在Simulink中，模块总是由输入口接收信号，由输出口发送信号。例 建立一个惯性环节阶跃响应的仿真模型。(1) 在MATLAB主菜单中，选择File菜单中New菜单项的Model命令，打开一个模型编辑窗口。(2) 将所需模块添加到模型中。(3) 设置模块参数并连接各个模块组成仿真模型。 设置模块参数后，用连线将各个模块连接起来组成系统仿真模型。模型建好后，从模型编辑窗口的File菜单中选择Save或Save as命令将它存盘。 (1) Solver选项卡：用于设置仿真起始和停止时间，选择微分方程求解算法并为其规定参数，以及选择某些输出选项。 (2) Workspace I

15、/O选项卡：用于管理对MATLAB工作空间的输入和输出。8.2.4 8.2.4 系统仿真系统仿真(3) Diagnostics选项卡：用于设置在仿真过程中出现各类错误时发出警告的等级。(4) Advanced选项卡：用于设置一些高级仿真属性，更好地控制仿真过程。(5) Real-time Workshop选项卡：用于设置若干实时工具中的参数。如果没有安装实时工具箱，则将不出现该选项卡。8.3 Simulink模型仿真实例 用Simulink进行系统仿真的步骤如下：(1) 建立系统仿真模型，这包括添加模块、设置模块参数以及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。

16、 线性系统 非线性系统 离散时间系统 离散-连续混合系统例1 调用工作空间中的信号矩阵作为模型输入。source.mfunction TU=source(T0,N0,K)t=linspace(0,K*T0,K*N0+1); %T0每段时长，N0每段时间点个数N=length(t);u1=t(1:(N0+1).2; %分段u2=(t(N0+2):(2*N0+1)-2*T0).2; %T0即Tu3(1:(N-(2*N0+2)+1)=0;u=u1,u2,u3; %组合TU=t,u;(1) 编写一个产生信号矩阵的编写一个产生信号矩阵的MM函数文件函数文件(2) 构造简单的接受信号用的实验模构造简单的接

17、受信号用的实验模型。型。 信号源选择信号源选择siminsimin模块，作用为模块，作用为从工作空间中指定的矩阵或构架中从工作空间中指定的矩阵或构架中读取数据。读取数据。(3) 模块参数的设置。模块参数的设置。 双击信号源模块，在设置框中双击信号源模块，在设置框中DataData栏中填写栏中填写TUTU。(4) 在命令窗口运行以下指令，工作在命令窗口运行以下指令，工作空间中产生空间中产生TUTU信号矩阵：信号矩阵：TU=source(1,100,4);(5) 仿真，然后双击示波器查看信号。仿真，然后双击示波器查看信号。例2 示波器应用示例。Simulink仿真模型如左图所示，示波器输入为3（Y

18、轴个数为3）。右图为该示波器显示的三路输入信号的波形. 例3 利用Simulink求解微分方程x=sin(t)，x(0)=0。例4 复位积分器的使用。(1) 构造一个如图所示的系统。构造一个如图所示的系统。(2) 构造复位积分器。构造复位积分器。 双击积分模块，在双击积分模块，在External External resetreset外复位下拉框中选择外复位下拉框中选择risingrising项，模块会呈现两个输入端口。项，模块会呈现两个输入端口。下端口旁的符号表示：此端口下端口旁的符号表示：此端口信号由负变正的瞬间，该积分信号由负变正的瞬间，该积分器被强迫置零。器被强迫置零。(3) 将示波器的输出窗口改为将示波器的输出窗口改为2 2个。个。(4) 仿真并查看输出波形。仿真并查看输出波形。050.505( )0.55tttdttf ttdtt 第一个窗口的信号为第一个窗口的信号为例5 二阶阻尼系统如图所示。设阻尼系数c=1.0，弹簧弹性系数为k=2，小车质量m=5kg。系统无输入，初始位置距离平衡点1.0m。仿真小车的运动。ckxxxmm (1) 对系统做力学分析，建立数对系统做力学分析，建立数学模型。学模型。0mxcxkx(0)1, (0)0 xx(2) 构造构造SimulinkSimulink模型。模型。(4) 仿真并查看结果。仿真并查看结果。(3) 设置初