工学第七章SIMULINK基础

第七章SIMULINK根底11精选ppt

概述在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。1990年，MathWorks软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名为SIMULINK。SIMULINK的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。该软件的名称呼明了该系统的两个主要功能：Simu(仿真)和Link(连接)，即该软件可以利用鼠标在模型窗口上绘制出所需要的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真和分析。22精选pptSIMULINK简介一、什么是SIMULINKSIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的根本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些根本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型〔以.mdl文件进行存取〕，进而进行仿真与分析。33精选ppt主要内容Simulink建模的根底知识Simulink建模与仿真线性/非线性系统分析与仿真子系统与模块封装技术44精选ppt

SIMULINK简介二、SIMULINK的启动1.在MATLAB的命令窗口直接键入“Simulink〞并回车；2.单击MATLAB工具条上的Simulink图标；3.在MATLAB菜单上选File→New→Model。三、SIMULINK的模块库介绍常用的SIMILINK模块库按功能可分为以下8大类：Continuous〔连续模块〕—Discrete〔离散模块〕Function&Tables〔函数和表模块〕—Nonlinear〔非线性模块〕Signal&System〔信号与系统模块〕—Math〔数学模块〕Sinks〔接收器模块〕—Sources〔输入源模块〕55精选ppt1、连续模块〔Continuous〕Integrator：输入信号积分Derivative：输入信号微分State-Space：线性状态空间系统模型Transfer-Fcn：线性传递函数模型Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型TransportDelay：输入信号延时一个固定时间再输出VariableTransportDelay：输入信号延时一个可变时间再输出Memory:一个积分步骤的延迟66精选ppt2、离散模块〔Discrete〕Discrete-timeIntegrator：离散时间积分器DiscreteFilter：离散滤波器DiscreteState-Space：离散状态空间系统模型DiscreteTransfer-Fcn：离散传递函数模型DiscreteZero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型First-OrderHold：一阶采样和保持器Zero-OrderHold：零阶采样和保持器UnitDelay：一个采样周期的延时77精选ppt3、Function&Tables〔函数和表模块〕Fcn：用自定义的函数〔表达式〕进行运算MATLABFcn：利用matlab的现有函数进行运算S-Function：调用自编的S函数的程序进行运算Look-UpTable：建立输入信号的查询表Look-UpTable(2-D)：建立两个输入信号的查询表88精选ppt4、Nonlinear〔非线性模块〕Saturation：饱和输出，让输出超过某一值时能够饱和。Relay：滞环比较器，限制输出值在某一范围内变化。DeadZone：死区，在某一范围内的输入其输出值为0Backlash:磁滞回环模块Switch:开关模块Ratelimiter:变化率限幅模块99精选ppt5、Signal&System〔信号与系统模块〕In1：输入端Out1：输出端Mux：将多个单一输入转化为一个复合输出Demux：将一个复合输入转化为多个单一输出SubSystem：建立新的封装〔Mask〕功能模块Switch：开关选择，当第二个输入端大于临界值时，输出由第一个输入端而来，否那么输出由第三个输入端而来ManualSwitch：手动选择开关1010精选ppt6、Math〔数学模块〕Sum：加减运算Gain：比例运算DotProduct：点乘运算MinMax：最值运算—Abs：取绝对值Sign：符号函数—Product：乘运算MathFunction：包括指数、对数、求平方、开根号等常用数学函数TrigonometricFunction：三角函数，包括正弦、余弦、正切等ComplextoMagnitude-Angle：由复数输入转为幅值和相角输出Magnitude-AngletoComplex：由幅值和相角输入合成复数输出ComplextoReal-Imag：由复数输入转为实部和虚部输出Real-ImagtoComplex：由实部和虚部输入合成复数输出1111精选ppt7、Sinks〔接收器模块〕Scope：示波器XYGraph：显示二维图形ToWorkspace：将输出写入MATLAB的工作空间ToFile(.mat)：将输出写入数据文件Terminator：连接到没有连接的输出端1212精选ppt8、Sources〔输入源模块〕Constant：常数信号Clock：时钟信号FromWorkspace：来自MATLAB的工作空间FromFile(.mat)：来自数据文件PulseGenerator：脉冲发生器RepeatingSequence：重复信号SignalGenerator：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿涉及随意波SineWave：正弦波信号Step：阶跃波信号1313精选pptSIMULINK仿真的运行启动仿真设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿真而运行。选择Simulink菜单下的start选项来启动仿真，如果模型中有些参数没有定义，那么会出现错误信息提示框。如果一切设置无误，那么开始仿真运行。除了直接在SIMULINK环境下启动仿真外，还可以在MATLAB命令窗口中通过函数进行，格式如下：[t,x,y]=sim(‘模型文件名’,[totf],simset(‘参数1’,参数值1,‘参数2’,参数值2,…))其中to为仿真起始时间，tf为仿真终止时间。[t,x,y]为返回值，t为返回的时间向量值，x为返回的状态值，y为返回的输出向量值。simset定义了仿真参数，包括以下一些主要参数：1414精选pptAbsTol：默认值为1e-6设定绝对误差范围。Decimation：默认值为1，决定隔多少个点返回状态和输出值。Solver：解法器的选择MaxRows：默认值为0，表示不限制。假设为大于零的值，那么表示限制输出和状态的规模，使其最大行数等于该数值。InitialState：一个向量值，用于设定初始状态。FixedStep：用一个正数表示步阶的大小，仅用于固定步长模式。MaxStep：默认值为auto。用于变步长模式，表示最大的步阶大小。如果知道模型文件名称，可以用以下命令得到该模型的仿真参数：simget(‘模型文件名’〕1515精选pptSimulink建模方法简介16考虑图中给出的典型非线性反响系统框图，其中控制器为PI控制器，其模型为:16精选ppt1717精选ppt18Simulink是解决这样问题的最有效的方法，可以用下面的步骤搭建此系统的仿真模型：

①翻开模型编辑窗口;首先翻开一个模型编辑窗口，这可以单击Simulink工具栏中新模型的图标或选择菜单项实现。②复制相关模块;将相关的模块组中的模块拖动到此窗口中③修改模块参数;④模块连接;⑤系统仿真研究;c5mblk3.mdl18精选ppt5.2.2仿真算法与控制参数选择19

选中Simulink模型窗口的Simulation菜单项，其中的ConfigurationParameters菜单项允许用户设置仿真控制参数。19精选ppt仿真算法与控制参数选择1、Solver页此页可以进行的设置有：选择仿真开始和结束的时间；选择解法器，并设定它的参数；仿真时间：注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示，比方10秒的仿真时间，如果采样步长定为0.1，那么需要执行100步，假设把步长减小，那么采样点数增加，那么实际的执行时间就会增加。一般仿真开始时间设为0，而结束时间视不同的因素而选择。总的说来，执行一次仿真要消耗的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。仿真精度控制有RelativeTolerance选项、AbsoluteTolerance等，其中相对误差限的默认值设置为1e-3，该值在实际仿真中显得偏大，建议选择1e-6和1e-7。值得指出的是，由于采用的变步长仿真算法，所以将误差限设置到这样小的值也不会增加太大的运算量。2020精选ppt仿真算法与控制参数选择1、Solver页仿真步长模式：用户在Type后面的第一个下拉选项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的有Variable-step〔变步长〕和Fixed-step〔固定步长〕方式。变步长模式可以在仿真的过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测。在仿真时还可以选定最大允许的步长和最小允许的步长，这可以通过填写Maxstepsize栏目和Minstepsize的值来实现，如果变步长选择的步长超过这个限制那么将弹出警告对话框。用户还可以在solver下拉选项框中选择对应模式下仿真所采用的算法。2121精选ppt(1)ode45：缺省值，四/五阶龙格－库塔法，适用于大多数连续或离散系统，但不适用于刚性〔stiff〕系统。它是单步解法器，也就是，在计算y(tn)时，它仅需要最近处理时刻的结果y(tn-1)。一般来说，面对一个仿真问题最好是首先试试ode45。(2)ode23：二/三阶龙格－库塔法，它在误差限要求不高和求解的问题不太难的情况下，可能会比ode45更有效。也是一个单步解法器。(3)ode113：是一种阶数可变的解法器，它在误差容许要求严格的情况下通常比ode45有效。ode113是一种多步解法器，也就是在计算当前时刻输出时，它需要以前多个时刻的解。(4)ode15s：是一种基于数字微分公式的解法器〔NDFs〕。也是一种多步解法器。适用于刚性系统，当用户估计要解决的问题是比较困难的，或者不能使用ode45，或者即使使用效果也不好，就可以用ode15s。22变步长模式解法器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。22精选ppt(5)ode23s：它是一种单步解法器，专门应用于刚性系统，在弱误差允许下的效果好于ode15s。它能解决某些ode15s所不能有效解决的stiff问题。(6)ode23t：是梯形规那么的一种自由插值实现。这种解法器适用于求解适度stiff的问题而用户又需要一个无数字振荡的解法器的情况。(7)ode23tb：是TR-BDF2的一种实现，TR-BDF2是具有两个阶段的隐式龙格－库塔公式。(8)discrtet：当Simulink检查到模型没有连续状态时使用它。2323精选ppt(1)ode5：缺省值，是ode45的固定步长版本，适用于大多数连续或离散系统，不适用于刚性系统。(2)ode4：四阶龙格－库塔法，具有一定的计算精度。(3)ode3：固定步长的二/三阶龙格－库塔法。(4)ode2：改进的欧拉法。(5)ode1：欧拉法。(6)discrete：是一个实现积分的固定步长解法器，它适合于离散无连续状态的系统。24固定步长模式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete24精选ppt2、WorkspaceI/O页主要用来设置SIMULINK与MATLAB工作空间交换数值的有关选项。Loadfromworkspace：选中前面的复选框即可从MATLAB工作空间获取时间和输入变量，一般时间变量定义为t，输入变量定义为u。Initialstate用来定义从MATLAB工作空间获得的状态初始值的变量名。Savetoworkspace：用来设置存往MATLAB工作空间的变量类型和变量名，选中变量类型前的复选框使相应的变量有效。一般存往工作空间的变量包括输出时间向量〔Time〕、状态向量〔States〕和输出变量〔Output〕。Finalstate用来定义将系统稳态值存往工作空间所使用的变量名。Saveoption：用来设置存往工作空间的有关选项。Limitrowstolast用来设定SIMULINK仿真结果最终可存往MATLAB工作空间的变量的规模，对于向量而言即其维数，对于矩阵而言即其秩；Decimation设定了一个亚采样因子，它的缺省值为1，也就是对每一个仿真时间点产生值都保存，而假设为2，那么是每隔一个仿真时刻才保存一个值。Format用来说明返回数据的格式，包括矩阵array、结构struct及带时间的结构structwithtime。2525精选ppt3、Diagnostics页此页主要列举了一些常见的事件类型，以及当SIMULINK检查到这些事件时给予的处理。4、real-timeworkshop页主要用于与C语言编辑器的交换，通过它可以直接从SIMULINK模型生成代码，并且自动建立可以在不同环境下运行的程序，这些环境包括实时系统和单机仿真。2626精选ppt27非线性微分方程的框图求解方程，其数学表达式为:27精选ppt28这样的微分方程在Simulink下也可以搭建相应的仿真模型，从而进行仿真。如以下图所示：c5mrossler.mdl28精选ppt29

这样用下面的语句就可以绘制出各个状态变量的时间响应曲线，如图29精选ppt30comet3(yout(:,1),yout(:,2),yout(:,3))假设以x1(t),x2(t),x3(t)分别为三个坐标轴，那么可以绘制出三维状态空间曲线30精选ppt31直流电机拖动系统31精选ppt32终止仿真时间为332精选ppt33stairs(tout,yout)33精选ppt34Simulink的数学函数模块组中提供了“逻辑算子〞Logicoperator模块，可以搭建数字逻辑电路subplot(311),plot(tout,yout(:,1));subplot(312),plot(tout,yout(:,2));subplot(313),plot(tout,yout(:,3));34精选ppt例exp6_1.mdl,例exp6_2.mdl例exp6_3.mdl3535精选ppt功能模块的根本操作模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳〔选中模块，按住鼠标左键不放〕而放到模型窗口中进行处理。在模型窗口中，选中模块，那么其4个角会出现黑色标记。此时可以对模块进行以下的根本操作。移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。假设要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块。3636精选ppt删除：选中模块，按Delete键即可。假设要删除多个模块，可以同时按住Shift键，再用鼠标选中多个模块，按Delete键即可。也可以用鼠标选取某区域，再按Delete键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删除。转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。在菜单Format中选择FlipBlock旋转180度，选择RotateBlock顺时针或逆时针旋转90度。改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳即可。模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改。名称在功能模块上的位置也可以变换180度，可以用Format菜单中的FlipName来实现，也可以直接通过鼠标进行拖曳。HideName可以隐藏模块名称。颜色设定:Format菜单中的ForegroundColor可以改变模块的前景颜色,BackgroundColor可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过ScreenColor来改变。3737精选ppt参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进行参数设定。参数设定窗口包含了该模块的根本功能帮助，为获得更详尽的帮助，可以点击其上的help按钮。通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。属性设定：选中模块，翻开Edit菜单的BlockProperties可以对模块进行属性设定。包括Description属性、Priority优先级属性、Tag属性。模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一种单一信号，而向量信号为复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输入信号，模块都具有一种“智能〞的识别功能，能自动进行匹配。某些模块通过对参数的设定，可以使模块输出向量信号。3838精选ppt39>>mu=1;x0=1;x02=-2;>>plot(tout,yout)>>plot(yout(:,1),yout(:,2))39精选ppt40直接画图由前例看出xmin=-2.5,xmax=2.5,ymin=-4,ymax=4,Sampletime=-1表示继承其输入信号的采样周期40精选ppt41用示波器观察结果41精选ppt42

在SIMULINK中，很多模块不但支持单个的信号输入，还支持向量型的信号输入。在向量化建模过程中，可以将向量的各个组成信号通过Demux模块进行分解，然后单独对各路信号进行运算，再将结果用Mux模块回合成单路的信号，传输给向量化的模块进行处理。Simulink常用模块与应用技巧42精选ppt4343精选pp