第三章matlab的simulink建模与仿真

1、系统是指具有某些特定功能，相互联系、相互作 用的元素集合。系统的两个基本特征：整体性、相关性对系统的研究从以下三个方面入手：1）实体：组成系统的元素，对象2）属性：实体的特征3）活动：系统状态变化的过程系统仿真是研究系统的一种重要手段，而系统模 型是仿真所研究的直接对象。2、系统模型（实体模型：根据相似性建立I数学模型:原始系统数学模型；仿真系统数学模型动态模型：描述系统动态变化过程静态模型：平衡状态下系统特性值之间的关系1、计算机仿真 1、仿真的概念以相似性原理、控制理论、信息技术及相关领域 的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工 具，借助系统模型对真实系统进行实验研究的一门综合

2、性技术。2、仿真分类实物仿真：建造实体模型数学模型：将数学语言编制成计算机程序 半实体模型:墩学物理仿真七实时仿真：需要专用的实时仿真硬件欠实时仿真：比实际时钟慢超实时仿真：比实际时钟快3、计算机仿真根据相似性原理，利用计算机逼真模拟研究对象。 模拟机、模拟数字机、数字通用机、仿真专用机。三、仿真的作用1）优化系统设计2）系统故障再现3）验证系统设计的正确性4）对系统，子系统进行性能评估 5）训练系统操作员 3）为管理、技术决策提供支持四、仿真软件仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它可 以是面向通用的仿真，也可能是面向某个领域的仿真。功能：1）为仿真提供算法支持2）模型描述，建立计算机仿真

3、模型 3）仿真实验的执行、控制 4）仿真数据的记录、分析5）仿真数据管理仿真软件的三个层次：1）仿真程序库：由一组完成特定功能的程序组成 的集合，专门面向某一问题或一个领域。2）仿真语言：在高级语言的基础上，为面向专门 问题而开发的。3）集成仿真环境五、计算机仿真的一般过程仿真问题和仿真目的描述确定仿真方案h修改方案鬲统描述"A1建立系统数学模型修改模型建立仿真数学模型编写仿真程序修改程序验证模型1是否符合要 VC是否符合要求X是否符合要求二琉調否符合要求进行仿真研究3.2 simudn mat (a 61 X一、simulink仿真对动态系统进行建模、仿真的软件包。功能:1、交互式

4、、图形化建模环境2、交互式仿真环境3、专用模块库(blocksets)simulink的专用软件工具包CDMAnoiilixieai-conXro 1CDMAnoiilixieai-conXro 1dspfixed-pointpowersystemCDMAnoiilixieai-conXro 1CDMAnoiilixieai-conXro 1dials&gaugescommunicationsCDMAnoiilixieai-conXro 1CDMAnoiilixieai-conXro 14、提供仿真库的扩充和定制功能5、应用领挟/通信与卫星系统航空航天生物系统汽车系统船舶系统 金融系统

5、3、simulink在matlab家族中的位置/StateflowlocksetsimulinkRTW/ToolboxesMATLABcompiler二、matlab函数仿真与simulink仿真的区别1、数据流仿真按照数据流的顺序，依次执行，即处理的数据首 先通过一个运算阶后在激活下一个运算阶。例如：m=13;n=15;k=ll;fc=10000;fd=1000;fs=100000;msg=randint( k*100, 1); code=encode (msg, n, k,' bch，);modu=dmod (code, fc, fd, fs, qask", m); mo

6、du_noise=modu+randn(length(modu), 1); demo=ddemod (modu_noise, fc, fd, fs,' qask"、m); msg_r=decode (demo, n, k,' bch,);rate=biterr(msg, msg_r);2、时间流仿真所有模块在同一时间步长上同时执行。3.3菜统的sinrndn貯苗注一、简单系统的simulink描述 例如：对U=0:0.1:10;For 1=1: length(u)if u(I)<ly= u2elseendEndPlot (u, y)_0<u<l1/2

7、二、离散系统的simulink描述例:y=3；Iu =0；for 1=2:11 u(i)=2*i y二u(i：endplot(u, y) ;grid;三、连续系统模型表示例：t=0:0.1:5;ut二t+sin(t); utdot二1+cos (t);yt二ut+utdot; plot(yt);grid;混合系统混合系统一般都是由系统各部分输入与输出间的 数学方程所共同描述的。例：一混合系统：输入为一离散变量u(n), n=l, 2, 3系统由离散、连续系统串联而成，其中离散系统输 出经过一个零阶保持器后作为连续系统的输入。其中离 散系统的输入输出方程为y(n)=u(n)+l, u(n)二n/

8、2,系 统采样时间为Ts=ls.连续系统的输入输出方程为：顾臥u(t)与y(n)的数学关系为:u(t) = y(n),nTs<t < (n+l)75整个系统的方程描述:u(n) = n/2,n = 1,2,3.y(n) = w(n)+l,W) = Jy() +sin(y()m <t<n + lSimulink描述为： t=l:0. 1:99. 9;n=l:100;un=0.5*n;yn=un+l;for i=l:length(: for j=l:len / if t(j) /. y(jendendend3.4创建simdin游里筒单入门丿一、启用simulink并建立系

9、统模型 启动simulink：用命令方式：simulink(1)ReadyA(2)Brovsex已 Simulink LibraryHelpI WorkspaceConti utiohs：瑚 Stade:simul inkS/t口回冈 J nt g yIyn rm 二二r-rt一 一 lb- mn RQ 二二二二二二二二二H一 rmSuelxl lxl 1x100 1x990 1x1001x9901x100曰WorkspaceHHHHH0:：El-:.®-B-:B-:宀ReadySimulink 3-| ContinuousDiscrete tk Functions & Ta

10、b 如 Math 41 Ionl inear is-| Signals & SysteSinks 纠 Sources 2-| Subsystems CIMAE 100%BlocksetCommuiiications BlocksetControl System ToolboxDeveloper s Ki t for II BSFile|曲Edi t Vi ew HelpModel Ctrl+NOpen.Ctrl+OLibraryClosePreferences.SimulirLk纠 Continuous毎 Discrete2>； Functions & Tables 纠

11、MathNonlineart>| Signals & Systems虫 Sinks纠 Sources汁| SubsystemsCDMA R«£erence Blockset国BSEEConti.DiscreteFuneti ons & TablesC ommuxii cat 1 ons Bloclzse tMathffonli.SignalsReadyA二、simulink模块库简介S1 nr al i nk1、simulink公共模块库FutlctioTLS 炭 TablesContinuous（连续系统）Deriva ti化IntegratorMe

12、mory连续信号数值积分输入信号连续时间积分单步积分延迟，输出为前一输入x" = Ax+Buy= Cx+DuState"Space线性连续系统的状态空间描述Transfer Fen线性连续系统传递函数描述|Transp or t Delay|也J |Variable Transport DelayI Drag this icuiL intu a ni»jdpl tn iJ，I Zeru-f olH|对输入信号进行固定时间延迟对输入信号进行变时间延迟Variable Transport DelayMathNcirilineai-Signals 及 SystemsSi

13、iiksSoiir cesSubsys七飾三Discrete （离散系统） 线性离散系统的传递函数描述 线性离散系统的零极点模型描述 线性离散系统的滤波器描述 线性离散系统的状态空间描述 离散时间积分器离散信号的-阶保持器 单位延迟离散信号的零阶保持器Func t i on&Tab les (函数与表库)Direct Look-Up Table (n"D)FenIVD TB,t-Tiut erpolationusing PreLook-UpLook-Up TableLo okUp TaLle2-d)Look-Up TableMATLABFunctionMATLAB FenPg

14、O(P) = 5PolynomialPreLook-Up Index SearchsyrtarriS - Func tion表数据选择器（从表中选择数据） 求取输入（言号的数学函数值 对输入信号进行内插运算 输入信号的一维线性内插 输入信号的二维线性内插 输入信号的n维线性内插 M函数（对输入进行运算输出结果） 多项式求值查找输入信号所在范围S 函数模块S函数生成器Ds>s lemSFmction BuilderMath （数学运算库）Algebraic ConstraintBitwise Logical OperatorCombinatorial LogicComplex to Mag

15、nitude-AngleComplex to Real-ImagJot ProductGaiRLogi cd OperatorNagnituie-Arigle to ComplexMath Furicti&n求信号绝对值 输出强制系统输 按位逻辑il算 逻辑真值查* 输出输入复数的 输出系统输入的 点乘运算 信号增益 信号逻辑运算 幅值与相位转化 特定的一些数学Product|min |Lelitional OperatorEounding FunctionSiller GainTrigonometric Function.Matrix GainNinfilaxEeal-Imag to

16、 Complex矩阵增益/求输入的最小值乘法或除法器从输入实部与虚部构造复数卑系运算器求整运算器符号普算渐变增益对输入求和或差三角与双曲函数Nonlinear （非线性系统模块库）圉tfffivTE53BfflsffiEacklaEriC&nlomb & Viscous FrictionDead. ZoneMamial SwitchMultiport SwitchQuanti王旺Rats： LimiterRelay死区间歇库仑题信* / 死廉号 / 双输出选择器（手动）多端口输出选择器量化器信号上升、下降速率控制器信号延迟器饱和信号三路选择器（根据输入2控制输出）SwitchS

17、ignal &System （信号和系统模块）unr? nU2 .> Y(EJ Y对信号为Goto Tag VisibilityBus Cr«at«r由输入产H?. t CrossingICBus Selector*用户定、Hc.'rir； CaqDita Stor« Memory从数据仏MergeMatrix 匚oncatenati onMergeData St ore Read向数据仏Model InfoDita Siwe Write数据类理autoData Type Conversi on从goto枳信号分解InfoMuxProboDe

18、mux函数调片Reshape| A From向goto檢SelectorFunctioirCall Generatorbhift Signal SpecificationGoto模块标记控制器 将信号与特定的偏彩值比较 初始化信号 /甲阵串联器石并输入信号为一个输出 模块控制信息信号组合器信号探测器信号维数改变器选择或重组信号信号属性修改输入信号宽度A | GotoWidthSinks （系统输出模块库）DisplayFloating ScopeOutlScope£top Simulati onTeririinatorTo File以数值形式显示输入信号 悬浮信金器 为子寥统或模型提

19、供输出端aX/信号显示器当输入非零时停止仿真 人断输出信号将仿真数据写入mat文件将仿真数据输出到matlab工作空间使用matlab图形显示器simout ToWorkspaceGraphSource （信号源模块库）siminuntitle d.matBanrLimitea nhite NoiseChirp SignalClockConstan tDigital ClockFrom WorkspaceFrom F订qGround有限带弋 输出频; 输出当 常数输, 以固定i 从 matla 从.matj 接地信Fulse GeneratorRandom NwriberRepeating S

20、equenceSme WaveUniform Random NurTiber为子系统或其它模型提供输入端口输入脉冲信号输入服从高司分布的随机信号输入周期信号信号发生器正弦信号初始器输入阶跃信号输入服从高司分布的随机信号Subsystem （子系统模块库）IM*Configurable SubsystemIhrcwAtomic SubsystemEnabled Subsystemhabled and Triggered SubsystemEFor Iterator SubsystemLr in- . orPimctim-Call Subsystemp7Ilull"r"el&#

21、187;If Action SubsystemSubsystem ExplesSwitch CaseSwitch Case Action SubsystemSubsystemE3 Tri ggered Subsystemw rUhile Iterator Subsystem条件执行子系统通用子系统Switch-case 子系统S witchcase动作子系统 触发子系统当型循坏子系统2、simulink专业模块库11 j 二 - 八 - 二二 1= = 1= - 二 二二八二-z.二二 m 二二|- = -SimiiT i rJk:= CDM A. Kefeireixce!El o cits

22、es tEl o cits 0 t.T o olt- okKi tH工 DSFM o t oi" ol =l DSF E：1 o cks e -tITCD Bl o cks e tSs t em HD E：1 o crls三、建立simulink框图1、选择模块File Edit Vi ew HelpD -0 Find ISme lave: Out put a sine iravesine typenaiiipRandom NiuriberSignal GeneratorSt&pSine WaveUniform Random JffuiTiberRapaat1ngSequen

23、ceonnoooContinuouEDi sereS i mul i nJk#1Funvt& Table:Matk ffonlinearSigrialsfe Sys七呦吕Sinks x.CommunicatiBlocksCDMA Refsrs&rkce Blocks由Control SyEtenX°lb°DLD DI . -1丄Readyrriuntitled *回冈2、模块连接HI untitled *File Edit View SimulationFormat Tools Helpc G I HDisplay卮45/3、信号组合与分支File Edi

24、t ¥iew Simulation Format Tools Help ss爲麾龜a圧届曲 ® 両Sine WaveGainScope-0.544ScopelDisplayXY GraphReady 100%ode 453、运行仿真Block Farfliaeters： GainGainElemeni=u*K).Gain：MultijBloch Faraaet«rs： Sine TaeOutput a sine wave where the sin« type determines the uomputational teehnique used. Th

25、屯 parsjr«eters in the tw* types are related through；Striples per period = 2*pi / (Frequency * Sample time)Number of offset samples = Phase * Samples per period / (2*pi)Use the sajnple-l>ased sine type if itumer i cal problems due to running for large times (e. g. overflow in absolute timeocc

26、ur.ReadyFarametersSine type! |jgQAjnpli tude :Big|oFrqueney (ra.d/Eec)：Phase (rad):pSample time：I5& 工nAerpret vecto:r parametersOKICancelHelpApply100%ode45Applyrluntitled *叵I冈File Edit Vi ew Simulati on Forma t Too" HelpD S O為気寵GO*Ready100%|ode45四、simulink子系统介绍1、子系统生成在已有的系统模型中建立壬紊统3 nut it

27、led. 9File Edit Vi §w SifTiulation Format Tools HelpFile Edit Vi gw Si mulation Format Tools HelpD H O為奄皂口总丨駅!冏龟E 100%Sine WaveSine WaveOkScopeI 100%SubsystemScopelOutlIniOut2ode45oda45>OScopel曰 imt it led/Subsyst ea »回冈File Edi t View Simulation Format ToolsHelpD H S 余聯念丨仝U 耳IGainE 100

28、%Out1先建立空的子系统untitled *匚叵|区File EdAt Vi ew Simulation Format Tools Help3.5 simuCin mat(a6$z接口 设计、使用工作空间变量设置系统模块参数说计QiatlabWorkspaceiiCommand X untitled *File Edit Vi ew Simulati on FormatTools HelpD色O冒為电念圧|$Sine WaveGainScopeodelI 100%将信号输出到workspac er 目untitled *叵 X|File Eiit View Simulatioii Forma

29、tTools Help1 DlQfloBill讣*圖莓®111七一ASine WaveGainpa 100%1r口Scape:output1f o WorispacHIe皿45/1、从workspace中产生信号源n untitled *回冈Block Farajieters： Fro WorkspaceFrorri WorkspaceFile Edit Vi ew Simulation Format ToolsMMW«MBBMMHelp|詰齬曙| 2 Q |岭inputFromWo rkspaceCommand Window» t=0：0. 1:10;»

30、; x=sin(t): input二t/ , x »lI 100%Read data values specified in array or structure format from MATLAB，s workspace.Array (or matrix) format:1D signal:var= TimeVal-ues Data.Valu.esF or 2-D signal use structvire form atStructure format：var. tiirie= TimeValuesvar. signals, values= Data.Valu.esvar. s

31、ignals. diiriensions=DiinValuesSelect iriterpolation to interpolate or extrapolate at time steps for which dta does not exist.ParametersData：S3 value by： |E%&a：po：Utig Help虹ply四、向量与矩阵Block Faraaeters： GainGainElement-wise gain (y = K. or ma/trix gain (y = K*u or y =讷K)ParametersGain：ZJ2 5Multipl

32、ication： |Elsmeat-wi se X *u)ApplyF7 Saturate on integer overflowSirmilati on Format Tools HelpI爲电唱aa”阖毎® 1 100%ode45曰 untitled *匚叵区File Edit Vi ew Simulation. Form at Tools黑电鸟a a层100%ode45|C2 5Muit i pli c at i on:P ar am e t er sGai n :IJ lum< JECTOEl ementw i se(y = K. *u) or matr ix gain

33、, (y = K*u or y=-u*K) S :elIih- =l+ e otl iCancel五、matlab function与function模块H Siiulink Library Btotser0®Fcn：用于实现简单函数关系输入总表不成u （可是一向量）Direct Look-Up Table GrD)： Table member selection.二 SimulinkA空 Continuous 色-Discr&t&|”创 WWBj“ 图 Math 纠 Nonlinear 纠 Signals & Systemsi“图 Sinks 空 Som-c

34、es 生 Subsystems4-CDNA Reference Blocks十 H Comirninications Blocks HI Control System Toolbo m 口1 "2 DT 1-i £ 1Ready输岀是一标量ir&TUi运MATLABFunctionP(u)Interpolation (irll) using PreLookrVpLoolrUp TableLaokUp TableLaolrUp TableMATLAB FenMatlab Fen：用于调用matlab函数实现某一 动能所调用函数只能有一个输出（可以是一个向量）单输入函数

35、只需要使用函数名, 多输入需引用相应的元素例：信号平方运算J untitled *Equared sin® .OutlH SX噩息1C G 1File Edit View Simulation Format Tools HelpsineSine WaveIn1Scope1,100%Iode45Subsystem回冈File Edi t Vi ew Simulati on Format Tools HelpD色用冒筋电电匕处岭¥ Scope匚|回冈IS0 苹Floating scopTime offset: 0UriilMM ilBBAr.3.6 simudn棄统技术一、回顾

36、1、通用子系统的生成2、子系统的基本操作子系统的命名 子系统的编辑 子系统的输入 子系统的输出 子系统的参数设置二、simulink高级子系统技术使能子系统触发子系统函数调用子系统1、条件子系统的建立方法在enabled subsystemtriggered subsystemenabled and triggered subsystem中。1)早期simulink版本中,enab 1 e和tr i ggered信号需要从 signal&system 中调用 °2) simulink后期版本中，在上述模块中含这两个信号。3 ) 一个系统中不能含多个enab 1 e和trigg

37、ered信号。4)其它子系统可看成某种形式的条件执行子系统。2、使能子系统2、使能子系统un± i"t led. *X2、使能子系统File E.li t Vi ewS imiil at i otl FT o ol s Helpd 当o曇 品曜倉 a a 显国 ®r ,V.sineSine WaveJT占In1Out1A 1=12、使能子系统Enabled andTriggered Subsystem厂L二】imt i"t ledL/EnaljledL and Trigeer- 因File E di t Vi ew S i nmal at. i oix

38、F orm atHelp2、使能子系统王o 昌陶曇 芯电 U匸4sIn1ETrigger回Enableiiii!Out13国尸*<52、使能子系统odLe45I 1OO%2、使能子系统回Enableuntitled 回冈File Edit Vi ew Simulation forma t To ols HelpD 金 13 冒希电念 2 二 St tS ® » lrmalZJSinE Wjv*ReadyIniMLPulse LogicalGenerator Operator100%2 0 Consta n'Enable PortEnabledSubsystem

39、回En ablenIniOutlNOTEnabledSubjygfrTdROConstant*!Place this block in a subsystem to create an enabled subsystem.P arametersStates when enabling： IW5V1厂 Show output portReset:执行时，系held：统中的状翻Held：执行时，系统的状态保持不变OKCancelHelpApply2、使能子系统口回回u5oT(Time offset: 0GeneralData history |Tip: try right clicking on

40、axes.«esNumber of axes: | 1厂 floating scope2、使能子系统2、使能子系统Time range: | autoTick labels: |bottom axis onlJSamplingI Decimation | 13、触发子系统3、触发子系统EnabledEnabledSub习俗kmSub习俗kmSina WjvaIn1Outl2 0 Constan'MLPulseGeneratorLogicalOperatorNOTT riaae：rIn1Triggeredutl5、原子子系统5、原子子系统JI不IniOutlEnabled an

41、dTri口口e：e：d Subsvste：rnEJ untit led/Enabled and Trigg 匚叵区a希电龜innJ u TriggernnR匸u Enableode45I 100%虚子系统：对通用子系统与使能子系统1）子系统只是系统模型中某些模块组的图形表示 2）子系统中的模块在执行时与其上一级模块统一被排序,不受子系统限制。3）在一个仿真时间步长内，simulink可以多次进出一 个子系统。原子子系统：/1）子系统作为一个“实际”的模块，需顺序连续执行。2）子系统作为整体进行仿真。3）子系统中的模块在子系统中被排序执行。建立原子子系统:1）先建立一空的原子子系统。2）先建立子

42、系统，再强制转换成原子子系统。Edit/block parametersBlock Farueters： ktoaic SiilisysteBSubsyEt*mSelect the settings for the subsystem block.Show port labels0 Siiulint Library Browser口岳虫FindReidyAtonic Snbsyste: A subsysiem block templatE纠W-KRead/Write parrTiissions： |R§adWriteName of err or cal lb ack function

43、：F/ Treat as 妣omic unitRTWRTWRTWsyst电m code： |kutfunction name options: |Xut£uncti皿 namw：RTW file nLJTia ogti。11三：|AutoRTW file TiajTi?! (jio extArLEion):CancelApplyZ1Zl3、其它子系统可配置子系统，代表用 户定义库中的任意模块， 只能在用户定义库中使用。函数调用子系统。for循环wh订e循环选择)表达式执行子系统Conf i?iiB ableSubsystem1 Atomic Subsystemnailed Subsy

44、stemlutiminabled and Triggered SubsystemSubsystem ExamplesSwitch CaseSubsystemc«Mt：Ohl OullSwitch Case ActionSubsystemifCdfor IteratorSubsystem.FiirictiorCall Subsystem卜I W:1Triggered SubsystemWhile IteratorSubsystemIfilldieIf Action Subsystem三、simulink的子系统封装技术封装子系统的/ I /1）自定义系统模块及图表2）用户板击子系统图表

45、将弹出参数设置框3）可自定义子系统的帮助文件4）拥有自己的工作区使用子系统封装技术的优点：1）向子系统模块中传递参数2）“隐藏”子系统中不需要过多展现的内容3）保护子系统中的内容，防止模块实现被随意篡改。1、封装编辑器之图表编辑对话框首先封装后丸再选中子系统图表，执行edit/editmask oOKCancelUnmaskHelpApply1）封转类型：对封装后的子系统进行简短的说明2）图表显示界面控制参数icon fram：设置图表边框为可见或不可见icon transparency:设置图表为透明或不透明icon rotation:设置图表为固定或可旋转显示 drawing coordinate