《线性系统分析与设计》-第二单元

一、基本模块在MATLAB的命令窗口中运行Simulink命令，可以打开仿真模块。其内容如下。1.输入信号源模块库输入信号源模块库(Sources)见表2-1。2.接收模块库接收模块库存(Sinks)见表2-2。3.连续系统模块库连续系统模块库(Continuous)见表2-3。4.离散系统模块库离散系统模块库(Discrete)见表2-4。返回二、模块的参数和属性设置1.正弦信号源双击正弦信号源(SineWave)模块，会出现图2-1所示的参数设置对话框。其上部分为参数说明，仔细阅读可以帮助用户设置参数。Sinetype为正弦类型，包括Timebased和Samplebased;Amplitude为正弦幅值:Bias为幅值偏移值；Frequency为正弦频率；Phase为初始相角;Sampletime为采样时间。2.阶跃信号源阶跃信号源(Step)模块是输入信号源，其模块参数对话框如图2-2所示。其中Steptime为阶跃信号的变化时刻，Initialvalue为初始值，Finalvalue为终止值，Sampletime为采样时间。下一页返回二、模块的参数和属性设置3.传递函数传递函数(Transferfunction)模块是用来构成连续系统结构的模块，其模块参数对话框如图2-3所示。4.模块属性设置每个模块的属性对话框的内容都相同。(1)说明(Description):对模块在模型中用法的注释。(2)优先级(Priority):规定该模块在模型中相对于其他模块执行的优先顺序。(3)标记(Tags):用户为模块添加的文本格式标记。上一页下一页返回二、模块的参数和属性设置(4)调用函数(Openfunction):当用户双击该模块时调用的MATLAB函数。(5)属性格式字符串(Attributesformatstring):指定在该模块的图标下显示模块的哪个参数和格式。[例2-1]建立二阶系统的阶跃仿真，输入阶跃信号，系统开环传递函数为，接收模块使用示波器来构成模型。(1)在Sources模块库中选择Step模块，在Continuous模块库中择TransferFcn模块，在MathOperations模块库中选择Sum模块，在Sinks模块库中选择Scope模块。(2)连接各模块，从信号线引出分支点，构成闭环系统，如图2-4所示。(3)仿真并分析。单击工具栏中的Startsimulation按钮，开始仿真，在示波器上就显示出阶跃响应，结果如图2-5所示。上一页返回三、离散系统仿真1.创建模型并仿真[例2-2]控制部分为离散环节，被控对象为两个连续环节，其中一个有反馈环，反馈环引入了零阶保持器，输入为阶跃信号。(1)选择一个Step模块，选择两个TransferFcn模块，选择两个Sum模块，选择两个Scope模块，选择一个Gain模块，在Discrete模块库中选择一个DiscreteFilter和一个Zero-OrderHold模块。(2)连接模块，将反馈环的Gain模块和Zero-OrderHold模块翻转。选中该模块右击，在弹出的快捷菜单中选择format-FlipBlock命令，翻转模块。(3)设置参数，DiscreteFilter和Zero-OrderHold模块的Sampletime都设置为0.1s，如图2-6所示。下一页返回三、离散系统仿真(4)开始仿真，系统的输出响应较平稳，两个示波器的显示如图2-7所示。(5)修改参数，将DiscreteFilter模块的Sampletime设置为0.8s,Zero-OrderHold模块的Sampletime不变;然后开始仿真，可以看出当T=0.8而Tk=0.7时，系统出现振荡。示波器的显示如图2-8所示。(6)修改参数，将DiscreteFilter和Zero-OrderHold模块的Sampletime都设置为0.8s,更新框图颜色，开始仿真，当T=Tk=0.8时，系统出现强烈的振荡。示波器的显示如图2-9所示。上一页下一页返回三、离散系统仿真2.仿真参数结构化当系统参数需要经常改变或由函数得出时，可以使用变量来作为模块的参数。[例2-3]将例2-2中的模块结构参数用变量表示，结构图如图2-10所示。将参数设置放在Exl.m文件中:在MATLAB工作空间运行该文件后，再到Simulink中进行仿真即可。上一页返回四、PID校正的仿真PID参数校正的模块结构图如图2-11所示。调整比例、积分和微分的参数，使其达到对原系统输出校正的效果。[例2-4]已知系统的开环传递函数，设计合理PID参数使得输出满足预定指标。原系统结构图及单位阶跃响应曲线如图2-12和图2-13所示。校正后系统结构及单位阶跃响应曲线如图2-14和图2-15所示。返回五、子系统子系统类似于编程语言中的子函数。建立子系统有两种方法:在模型中新建子系统和在已有的子系统基础上建立。1.在已建立的模型中新建子系统[例2-5]打开例2-3建立的模型，将控制对象中的第一个连续环节中的反馈环建立为一个子系统。在模型窗口中，将控制对象中的第一个连续环节的反馈环用鼠标拖出的虚线框框住，选择Edit-Createsubsystem命令，则系统如图2-16所示。双击子系统，则会出现Subsystem模型窗口，如图2-17所示。可以看到子系统模型除了用鼠标框住的两个环节，还自动添加了一个输入模块In1和一个输出模块Out1。下一页返回五、子系统2.在已有的子系统基础上建立新子系统[例2-6]在例2-3的基础上建立新子系统，将例2-5中模型的控制对象中的内环控制环节整个作为一个子系统。在模型窗口中，将控制对象中的内环控制环节用鼠标拖出的虚线框框住，选择Edit-Createsubsystem命令，则系统如图2-18所示。双击子系统，则会出现Subsystem模型窗口，如图2-19所示。可以看到，该子系统模型是原来的内环控制。创建的子系统可以打开和修改，但不能再解除子系统设置。上一页返回六、条件执行子系统1.使能子系统[例2-7]建立一个用使能子系统(EnabledSubsystem)控制正弦信号为半波整流信号的模型。模型由正弦信号SineWave为输入信号源，示波器Scope为接收模块，使能子系统在Ports&Subsystem中选取EnabledSubsystem为控制模块，连接模块，将SineWave模块的输出作为EnabledSubsystem的控制信号，模型如图2-20所示。选择EnabledSubsystem模块，双击Enable，弹出参数设置对话框，如图2-21所示，然后在Stateswhenenabling下拉列表框中选择held选项:再双击out弹出参数设置对话框，如图2-22所示，然后在Outputwhendisabled下拉列表框中选择held选项。下一页返回六、条件执行子系统开始仿真，由于EnabledSubsystem的控制为正弦信号，大于零时执行输出，小于零时就停止，则示波器显示为半波整流信号，示波器的显示如图2-23所示。2.触发子系统[例2-8]建立一个用触发子系统(TriggeredSubsystem)控制正弦信号输出阶梯波形的模型。模型由正弦信号Sinewave为输入信号源,示波器Scope为接收模块，触发子系统TtiggeredSubsystem为控制模块，选择Sources模块库中的PulseGenerator模块为控制信号。连接模块，将PulseGenerator模块的输出作为TriggeredSubsystem的控制信号，PulseGenerator的Period设置为4s，模型如图2-24所示。上一页下一页返回六、条件执行子系统开始仿真，系统输入如图2-25所示。由于TriggeredSubsystem的控制为PulseGenerator模块的输出示波器输出如图2-26所示。3.使能触发子系统使能触发子系统(EnabledandTriggeredSubsystem)就是触发子系统和使能子系统的组合，含有触发信号和使能信号两个控制信号输入端，触发事件发生后，Simulink检查使能信号是否大于0，大于0就开始执行。上一页返回七、子系统的封装1.封装子系统的步骤(1)选中子系统双击打开，给需要进行赋值的参数指定一个变量名。(2)选择Edit-Masksubsystem命令，出现封装对话框。(3)在封装对话框中的设置参数，主要有Icon&Ports、Parameters、Initialization和Documentation共4个选项卡。2.四个选项卡1)Icon&Ports选项卡Icon&Ports选项卡用于设定封装模块的名字和外观，如图2-27所示。下一页返回七、子系统的封装(1)IconDrawingcommands选项区域:用来建立用户化的图标，可以在图标中显示文本、图像、图形或传递函数等。在IconDrawingcommands选项区域中的命令如图2-27中Examplesofdrawingcommands选项区域中的Command下拉列表框所示，包括plot、lisp、text、portlabel、image、patch、color、droots、dploy和fprintf。(2)Options选项区域:用于设置封装模块的外观。2)Parameters选项卡Parameters选项卡用于输入变量名称和相应的提示，如图2-28所示。上一页下一页返回七、子系统的封装(1)Add、Delete、Moveup和Movedown按钮:用于添加、删除、上移和下移输入变量。(2)Dialogparameters选项区域。Prompt:输入变量的含义，其内容会显示在输入提示中。Variable:输入变量的名称。TyPe:给用户提供设计编辑区的选择。下拉列表中edit表示提供一个编辑框;checkbox表示提供一个复选框;popup表示提供一个弹出式菜单。Evaluate:用于配合Type的不同选项提供不同的变量值，有Evaluate和Literal两个选项，其含义见表2-5。上一页下一页返回七、子系统的封装(3)Optionsforselectedparameter选项区域。Pops:当Type下拉列表框中选择Popup选项时，用于输入下拉菜单项。Callback:用于输入阳1调函数。3)Initialization选项卡Initialization选项卡用于初始化封装子系统。4)Documentation选项卡Documentation选项卡用于编写与该封装模块对应的Help和说明文字,分别有Masktype、MaskDescription和Maskhelp栏。(1)Masktype栏:用于设置模块显示的封装类型。(2)MaskDescription栏:用于输入描述文本。(3)Maskhelp栏:用于输入帮助文本。上一页下一页返回七、子系统的封装3.按钮设置参数设置对话框中的Apply按钮用于将修改的设置应用于封装模块;Unmask按钮用于将封装撤销，则双击该模块就不会出现定制的对话框。[例2-9]创建一个二阶系统，并将子系统进行封装。创建一个二阶闭环系统并封装成子系统，将阻尼系数zeta和无阻尼频率wn作为输入参数。(1)创建模型，阻尼系数用变量zeta表示，无阻尼频率用变量wn表示，如图2-29所示。(2)用虚线框住反馈环，选择Edit-CreateSubsystem命令产生子系统，如图2-30所示。(3)封装子系统，选择Edit-Masksubsystem命令，出现封装对话框，将zeta和wn作为输入参数。上一页下一页返回七、子系统的封装在Icon&Ports选项卡中设置的IconDrawingcommand、选项区域中写文字并画曲线，命令如下:在Parameters选项卡中，单击Add国按钮添加两个输入参数，设置Prompt分别为“阻尼系数”和“无阻尼振荡频率”，并设置Type栏分别为popup和edit，对应的variable为zeta和wn,设置Popups为“00.30.50.70712"，如图2-31所示。上一页下一页返回七、子系统的封装在Initialization选项卡中初始化输入参数，如图2-32所示。在Documentation选项卡中输入提示和帮助信息，如图2-33所示。单击OK按钮，完成参数设置，然后双击该封装子系统，则出现图2-34所示的封装子系统，双击该子系统出现图2-35所示的输入参数对话框，在对话框中输入阻尼系数zeta和无阻尼振荡频率wn的值，再不需要为子系统中的每个模块分别打开参数设置对话框了。上一页返回八、用MATLAB命令创建和运行Simulink模型1.用MATLAB命令创建Simttlink模型1)Simulink模型与文件(1)创建新模型:newsystem命令用于在MATLAB的工作空间创建一个空白的Simulink模型。语法:newsystem(‘newmodel’,option)%创建新模型说明:newmodel为模型名;option选项可以是Library和Model两种，也可以省略，默认为Model。下一页返回八、用MATLAB命令创建和运行Simulink模型(2)打开模型:opensystem命令用于打开逻辑模型，在Simulink模型窗口显示该模型。语法:opensystem(‘model’)%打开模型说明:model为模型名。(3)保存模型:savesystem命令用于保存模型为模型文件，打展名为.mdl。语法:savesystem(‘model’，文件名)%保存模型说明:model为模型名可省略，如果不给出模型名，则自动保存当前的模型;文件名指保存的文件名，是字符串，也可省略，如果不省略则保存为新文件。上一页下一页返回八、用MATLAB命令创建和运行Simulink模型2.添加模块和信号线1)添加模块使用:addblock命令在打开的模型窗口中添加新模块。语法:addblock(`源模块名’，‘目标模块名’，‘属性名1',`属性值1',`属性名2',属性值2，…)说明:“源模块名”为一个已知的库模块名，或在其他模型窗口中定义的模块名，Simulin自带的模块为内在模块，例如正弦信号模块为“built-in/SineWave";"目标模块名”为在模型窗口中使用的模块名。上一页下一页返回八、用MATLAB命令创建和运行Simulink模型2)添加信号线模块需要用信号线连接起来，添加信号线使用:addline命令。语法:addline(‘模块名’，‘起始模块名/输出端口号’，‘终止模块名/输入端口号’)说明:“模块名”为在模型窗口中的模块名;m是列数为2的矩阵，每列给出一个转折点坐标。3)删除模块例如，删除示波器模块使用如下命令:deleteblock(‘文件名/Scope’)4)删除信号线deleteline(‘模块名’，‘起始模块名/输出端口号’，‘终止模块名/输入端口号’)上一页下一页返回八、用MATLAB命令创建和运行Simulink模型[例2-10]用MATLAB命令添加四个模块连接成一个二阶系统模型。上一页下一页返回八、用MATLAB命令创建和运行Simulink模型程序分析:position为位置属性，模块名为mymodel，则出现图2-36(a)所示的模型，经过调整之后的模型如图2-36(b)所示。3.用MATLAB命令运行Simulink模块使用sim命令来完成，在命令窗口就可以方便地对模型分析和仿真。上一页下一页返回八、用MATLAB命令创建和运行Simulink模型说明:model为模型名;timespan是仿真时间区间,可以是[t0,tf]表示起始时间和终止时间，也可以是[]，利用模型对话框设置时间，如果是标量则指终止仿真时间;options参数为模型控制参数;ut为外部输入向量。t为时间列向量;x为状态变量构成的矩阵;y为输出信号构成的矩阵，每列对应一路输出信号。timespan、options和ut参数都可省略。[例2-11]运行例2-10建立的二阶系统的阶跃响应，如图2-37所示。上一页下一页返回八、用MATLAB命令创建和运行Simulink模型[例2-12]在Simulink中建立如下系统，保存为control.mdl文件，如图2-38所示。通过m文件，运行得到阶跃响应，如图2-39所示。上一页返回图2-1正弦模块参数设置对话框返回图2-2阶跃信号源参数设置对话框返回图2-3传递函数模块参数设置对话框返回图2-4二阶系统结构图返回图2-5