MATLABSimulink教程-编程、计算与仿真（第2版）课件 chapter13 Simulink建模与仿真

第十三章:Simulink建模与仿真ModelingandSimulationwithSimulink主讲：薛定宇

东北大学信息学院国家级

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建设MATLAB科学运算与仿真第13章Simulink建模与仿真ModelingandSimulationwithSimulink主讲：薛定宇东北大学信息学院MATLAB科学运算与仿真国家级一流本科课程建设第13章Simulink建模与仿真系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型或物理行为研究系统性能的一门学科现在尤指利用计算机去研究系统行为的方法包括系统、模型、算法、程序设计、结果显示、分析与验证系统仿真技术已经成为继理论研究和科学实验之后科学研究手段上的第三种方式成为一种认识世界、改造世界的重要手段可以完成很多普通理论研究与科学实验做不到的工作Simulink的发展Simulink最早出现于1990年，名为SimuLAB，UNIX版Simu+Link说明其主要功能1992年出现了PC版，全盘更名Simulink成为控制系统主流建模仿真工具1997年推出Stateflow，支持有限状态机建模2008年推出Simscape语言与工具，实现多领域物理建模：用搭积木的方法实现电子、电气、控制、机械等领域的建模MATLAB的2019b版推出了Simulink10.0版本节主要内容Simulink界面简介Simulink的模型库、工具栏常用的模块输入输出类、连续离散系统、运算类模块、信号类模块Simulink建模举例与参数设置微分方程的Simulink建模与仿真13.1Simulink的界面模块库的打开方式基于界面的打开命令打开Simulink的工具栏6个分区Simulink模型文件的后缀名，slx、mdl快速重启按钮模型设置对话框按钮13.2Simulink的常用模块组不同的表现形式常用模块组类型输入输出连续离散系统实现运算信号路由输入源模块组Sources输出池模块组Sinks连续系统模块Continuous控制系统工具箱模型BlocksetsandToolboxes图标ControlSystemToolbox模块组例13-1

多变量传递函数矩阵多变量传递函数矩阵模型MATLAB表示LTI模型离散模块组Discrete不连续模块组Discontinuities数学运算模块组MathOperations用户自定义函数

User-DefinedFunctions信号路由模块组SignalRouting13.2.4Simulink模型的建模与仿真举例例13-2为下面的反馈控制系统建模所需的模块传递函数x2、饱和、死区、积分器、示波器、阶跃输入建模步骤与仿真Simulink建模的步骤打开空白模型窗口复制模块到模型窗口修改参数连线模型存盘：c13mmod1.slx死区非线性模块的处理模块嵌入技巧例13-3

下抛问题的Simulink建模物理学中的描述速度与位移的关系微分方程建模方法由积分器定义关键信号所需模块：时钟，常数输入，示波器，输出模块建模与仿真仿真结果的处理默认设置，返回结构体out变量，绘图命令可以编写函数绘图13.3Simulink参数设置众多参数可以设置设置方法与界面——齿轮图标本节介绍的参数求解器参数求解器的精度、算法选择输出参数前面的结构体处理太麻烦，设置更简洁的方法13.3.1求解器参数设置计算精度变步长自动算法ode45相对误差限1e-14绝对误差限eps13.3.2输入、输出参数设置13.3.3模型参数预设置可以在模型打开时执行指定的代码ModelSetting菜单ModelProperties子菜单PreLoadFcn编辑框例13-4参数预设置将g=9.81赋给例13-3的模型13.4基于Simulink的微分方程建模与求解13.4.1Simulink建模准则关键信号定义：x(t)和x’(t)，则可以引入一个积分器模块两个信号相等，则将两个信号直接连接起来，闭合仿真回路已知信号u(t)后面连接一个Gain模块可以构造出ku(t)信号对信号v(t)作非线性代数运算，将信号v(t)输入Fcn模块若干路信号可以馈入Mux模块，构造出的向量型信号向量型信号输入Demux模块，分解为标量型信号输入信号u(t)馈入TransportDelay模块构造出延迟信号u(t−d)

信号可以将其连到Scope模块上到Out模块13.4.2底层建模方法例13-5Lorenz方程建模其中，完整的仿真模型模型名c13mlor2.slx执行仿真13.4.3向量化建模方法前面的建模方法过于麻烦远比前面介绍的ode45函数调用方式麻烦易错，需要更好的方法向量化的建模方法向量化关键信号MATLABFunction模块Fcn模块例13-6

用向量化建模方法重新建模Lorenz方程模型其中，两种模块描述非线性函数MATLABFunction模块InterpretedMATLABFunction模块两种模块两种建模方法编写程序13.4.4标准微分方程建模的统一框架前面的方法有局限性只能使用常数，不能使用变量微分方程不能显含t后一个问题的解决方法由x(t)和t

构造增广向量只能使用InterpretedMATLABFunction模块描述函数可以直接求解方程例13-7

时变微分方程数学模型初始值，解析解标准型变换令t=x，微分方程标准型标准型的Simulink建模构造增广状态变量向量Simulink模型标准型建模与仿真标准型模型MATLAB函数解的绘制13.4.5微分方程组建模用积分器定义关键信号利用InterpretedMATLABFunction模块建模利用MATLAB求解微分方程例13-8Apollo卫星求解数学模型其中初始条件Simulink建模生成关键信号Simulink模型标准模型MATLAB函数例13-9隐式微分方程建模利用AlgebraicConstraints模块描述代数方程隐式微分方程构造关键信号记，得出代数方程标准型Simulink建模代数方程Simulink模型c13mimp.slxMATLAB函数另一个模型，使用Fcn模块仿真误差评价另一个模型：c13mimp2.slx例13-10

延迟微分方程建模延迟微分方程历史条件由TransportDelay模块提取延迟信号构造向量由于零历史条件，第二个方程传递函数描述Simulink仿真模型Simulink模型：c13mdde1.slx例13-11

中立型延迟微分方程微分方程模型其中，Simulink仿真模型Simulink模型：c13mdde2.slx已知矩阵已写入模型本章小结介绍了Simulink各个常