《MATLAB基础教程》第11章-simulink建模与仿真

1、2022年8月27日第1页第11 章 Simulink的建模与仿真MATLAB R2010a 基础教程 清华大学出版社教学目标教学重点教学内容2022年8月27日第2页教学目标掌握Simulink的基本建模方法熟悉Simulink模块库熟悉常见Simulink模型了解S函数的设计和调用2022年8月27日第3页教学重点掌握Simulink的基本建模方法熟悉Simulink模块库熟悉常见Simulink模型2022年8月27日第4页教学内容掌握Simulink的基本建模方法掌握Simulink模块库熟悉常见Simulink模型S函数的设计和调用Simulink建模的工程应用2022年8月27日第

2、5页Simulink简介Simulink的启动Simulink模型窗口的建立 Simulink模块的操作 2022年8月27日第6页Simulink启动 Simulink的启动主要有以下两种方法：在MATLAB的命令窗口中输入simulink,结果是在桌面上出现一个Simulink Library Browser的窗口，如图11-1，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。单击MATLAB主窗口的快捷按钮 ，打开Simulink Library Browser窗口 。2022年8月27日第7页Simulink模型窗口的建立 在Simulink中打开一个空白的模型窗口的方法：选中Simul

3、ink菜单系统中的File | New | Model菜单项后，会生成一个Simulink窗口；单击Simulink工具栏中的“新建模型”图标；在MATLAB的命令窗口中选择File | New | New Model菜单项； 2022年8月27日第8页Simulink 模块的操作(1/2) 在Simulink的空白模型窗口中，搭建Simulink的模型主要是通过用线将各种功能模块连接构成的。在Simulink中，将两个模块相接非常简单，在每个允许输出的模块口都有一个输出的符号表示离开该模块，而输入端也有一个表示输入的符号表示进入该模块。假如想将一个输入模块和一个输出模块连接起来，那么只需要在

4、前一个模块的输出口处鼠标左键单击，然后拖动鼠标至另外一个模块的输入口，松开鼠标左键，Simulink会自动将两个模块用线连接起来。 2022年8月27日第9页Simulink 模块的操作(2/2)模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖拽（用鼠标左键选中模块，并按住左键不放），然后放到模型窗口中处理。在模型窗口中，选中该模块，然后四个角都有黑色标记，这时可以对该模块进行复制、删除、移动、命名、转向、设置模块属性等操作。2022年8月27日第10页Simulink模块库（1/2） Simulink的模块库是建立好仿真模型的基础，模块库主要包括： （1）连续模块 ； （2）非连续模块 ； （3）离散模块

5、 ； （4）逻辑和位操作模块 ； （5）查找表模块 ； （6）数学模块 ；2022年8月27日第11页Simulink模块库（2/2） （7）模型检测模块； （8）模型扩充模块； （9）端口和子系统模块； （10）信号属性模块； （11）信号线路模块； （12）接收模块； （13）输入模块； （14）用户自定义函数模块； 2022年8月27日第12页Simulink基本仿真建模实例（1/3）现有如下微分-代数混合方程：初始条件为x1=20, x2=3, x3=0.5，根据以上方程构造出Simulink模型，其中积分器Integrator、Integrator1、Integrator2的初始值设

6、定分别是2、3、0.5。2022年8月27日第13页Simulink基本仿真建模实例（2/3） 的结构图 2022年8月27日第14页Simulink基本仿真建模实例（3/3） 仿真模型图 仿真结果 2022年8月27日第15页常见Simulink模型线性状态-变量模型分段线性模型传递-函数模型非线性状态-变量模型子系统2022年8月27日第16页S函数的设计和调用S函数的介绍S函数的调用 S函数设计 2022年8月27日第17页S函数的介绍S函数就是S-Functions，是system-Functions的缩写。当MATLAB所提供的模型不能完全满足用户要求时，就可以通过S函数提供给用户自

7、己编写程序来满足自己要求模型的接口。S函数可以用MATLAB，C，C+，Ada和Fortan.编写。C，C+，Ada，and Fortan S-Functions需要编译为Mex文件，就和其它MEX文件一样，Simulink可以随时动态的调用这些文件。S函数使用的是一种比较特殊的调用格式，可以和Simulink求解器交互式操作，这种交互式就是与Simulink求解器和内置固有模块交互式操作相同。S-Functions功能非常全面，适用于连续、离散以及混合系统。S函数允许用户向模型中添加自己编写的模块，只要按照一些简单的规制，就可以在S-Functions添加设计算法。在编写好S-Functio

8、ns之后就可以在S-Functions莫窥阿中添加相应得函数名，也可以通过封装技术来订制自己的交互界面。2022年8月27日第18页S函数的调用在Simulink使用S-Functions的方法就是从Simulink中的User-Defined Functions模块库中向Simulink模型文件窗口中拖放S-Function模块。然后在S-Functions模块的对话框中的S-Functions Name框中输入S函数的文件名，在S-Functions Parameters框中输入S函数的参数值。在点击edit的选项后可以编辑S函数的代码部分，利用S函数实现需要的功能主要是代码部分的修改。2

9、022年8月27日第19页S函数设计（1/6）对于代码部分的修改，可以使用MATLAB语言按照S-Functions的格式来编写代码。MATLAB提供了一个模板文件，方便S-Function的编写，该模板文件位于MATLAB根目录toolbox/Simulink/blocks下 2022年8月27日第20页S函数设计（2/6）模板函数的代码如下：function sys,x0,str,ts = sfuntmpl(t,x,u,flag)switch flag, case 0, sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes; case 1, sys=mdlDerivatives

10、(t,x,u); case 2, sys=mdlUpdate(t,x,u); case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u); case 4, sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); case 9, sys=mdlTerminate(t,x,u); otherwise error(Unhandled flag = ,num2str(flag);end2022年8月27日第21页S函数设计（3/6）function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizessizes = simsizes;sizes.NumContStates =

11、 0;sizes.NumDiscStates = 0;sizes.NumOutputs = 0;sizes.NumInputs = 0;sizes.DirFeedthrough = 1;sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes);x0 = ;str = ;ts = 0 0;function sys=mdlDerivatives(t,x,u)sys = ;function sys=mdlUpdate(t,x,u)sys = ;function sys=mdlOutputs(t,x,u)sys = ;function sys=mdlGetTime

12、OfNextVarHit(t,x,u)sampleTime = 1; sys = t + sampleTime;function sys=mdlTerminate(t,x,u)sys = ;2022年8月27日第22页S函数设计（4/6）M文件S-Functions可用的子函数说明如下： （1）mdlInitializeSizes：定义S-Function模块的基本特性，包括采样时间、连续或者离散状态的初始条件和sizes数组。 （2）mdlDerivatives：计算连续状态变量的微分方程。 （3）mdlUpdate：更新离散状态、采样时间和主时间同步的要求。 （4）mdlOutputs：计

13、算S-Function的输出。 （5）mdlGetTimeOfNextVarHit: 计算下一个采样时间点的绝对时间。 （6）mdlTerminate：结束仿真任务。2022年8月27日第23页S函数设计（5/6）S-function默认的4个输入参数t、x、u和flag，他们的次序不能变动，各自代表的意义是： t：表示当前仿真时刻，是采用绝对计量的时间值，是从仿真开始模型运行时间的计量值。 x：模块的状态向量，包括连续状态向量和离散状态向量。 u：模块的输入向量。 flag：执行不同操作的标记变量。2022年8月27日第24页S函数设计（6/6）S-Function默认的4个返回参数为sys、x0、str和ts，他们的次序也不能改变，代表的意义为： sys：通用返回函数； x0：初始状态值，当flag的值为0时才有效； str：没有明