第9章MATLAB环境下的仿真.ppt

1、第9章 MATLAB环境下的仿真软件Simulink,9.1 Simulink的基本操作 9.2 Simulink的几类基本模块 9.3 仿真模型参数的设置 9.4 子系统的建立与封装 9.5 在命令窗口中创建模型 9.6 S-函数的设计和应用 9.7 仿真系统的线性化分析,9.1 Simulink的基本操作,9.1.1 Simulink的启动与退出 1. Simulink的启动 启动Simulink的方法有3种： (1)在MATLAB的命令窗口直接键入Simulink。 (2)单击MATLAB命令窗口工具栏上的Simulink模块库浏览器命令按钮。 (3)在MATLAB命令窗口File菜单中

2、选择New菜单项下的Model命令。 2. Simulink的退出 为了退出Simulink，只要关闭所有模型窗口和Simulink模块库窗口即可。,模 块 库 浏 览 器,模 型 窗 口,9.1.2 Simulink模块的操作 模块是建立simulink模型的基本单元。 用鼠标将模块拖到模型窗口，再用适当的方式把各 种模块连接在一起就能够建立动态系统的模型。 1. 选取模块 （单击） 2. 复制与删除模块（选中，ctrl+c / ctrl+x） 3. 模块的参数和属性设置（双击/右击） 4. 模块外形的调整 5. 模块名的处理 6. 模块的连接 7. 在连线上反映信息,9.2 Simulin

3、k的几类基本模块,1.在simulink模块库浏览器窗口选中模块对象，单击右键，则会出现基本库窗口。 Simulink5.0 常用的基本模块库有： （1）连续系统模块库（Continuous） （2）非线性模块库（Discontinuities） （3）离散系统模块库（Discrete） （4）插值表模块库（Look-up Tables） （5）数学运算模块库（Math Operation） （6）端口和子系统模块库（Ports 2. simset函数 （设置或编辑仿真参数，即options项， 并把设置结果保存在一个特殊的结构变量中） 它有如下4种用法： (1)options=simset(

4、property,value,) (2)options=simset(old_opstruct,property,value,) (3)options=simset(old_opstruct,new_opstruct) (4)simset,例9.1 对图示的正弦波信号经传递函数后的信号， 在MATLAB命令窗口输入命令进行仿真。 t,x,y=sim(f901);,t,x,y=sim(f901,2,8);,例9.2对图所示的仿真模型为例，说明simset函数的用法。 (1)在命令窗口输入命令： option=simset(OutputVariables,x,OutputPoints,all,Fi

5、nalstateName,date); t,x,y=sim(f901,1,10,option) (2)在命令窗口中输入命令： option1=simset(OutputVariables,txy,OutputPoints,all); t,x,y=sim(f901,2,4,6,8,option1),3. simget函数 （获得模型仿真参数的设置值） 该函数有如下3种用法： (1)struct=simget(model) (2)value=simget(model,property) (3)value=simget(OptionStructure,property) 4. set_param函数

6、 （包括设置仿真开始、暂停、 终止进程参数项） (1)设置仿真参数 调用格式为：set_param(model,property,value,) (2)控制仿真进程 调用格式为： set_param(model,SimulationCommand,cmd),例9.3 假设从实际应用领域(力学、电学、生态或社会)中，抽象出有初始状态为0的二阶微分方程x+0.2x+0.4x=0.2u (t), u(t)是单位阶跃函数。用积分器直接构造求解微分方程的模型exm1.mdl。 步骤如下： (1) 改写微分方程。把原方程改写为： x=0.2u(t)-0.2x-0.4x (2) 利用Simulink模块库中

7、的标准模块构作模型。 (3) 仿真操作。 (4) 保存在MATLAB工作空间中的数据。,例9.4利用传递函数模块建模。 步骤如下： (1)根据系统传递函数构造系统模型 (2)仿真操作。 例9.5 利用状态方程模块建模。 步骤如下： (1)利用构造仿真模型 (2)仿真,9.4 子系统的建立与封装,9.4.1 子系统的建立 1. 通过Subsystem模块建立子系统 操作步骤为： (1)先打开Simulink模块库浏览器，新建一个仿真模型。 (2)打开Simulink模块库中的Ports step(a,b,c,d),Kpi=1,Kpi=3,9.5 在命令窗口中创建模型,9.5.1 构造模型的命令

8、9.5.2 设置参数,9.6 S-函数的设计和应用,9.6.1 S-函数概述 系统函数（System Function），是对动态系统的程 序描述。 9.6.2 用M文件编写S-函数 (1)MATLAB为用户提供了一个模板，只要在必要的子程序里编写代码并输入参数就可以了。 （在ToolboxsimulinkblockSfuntmpl.m文件中提供 了模板程序） (2)从User-Defined Functions 子库里把S-Function系统的功能模块复制过来，输入程序的文件名，以供调用。,例9.9 利用M文件来写一个限幅积分器的S-函数，并借助S-函数 模块来调用此文件。 操作步骤如下：

9、 (1)根据数学模型，编写S-函数sfun99.m。 function sys, x0, str, ts = sfun99(t, x, u, flag, lb, ub, xi) switch flag, case 0, sys, x0, srt, ts = mdlInitializeSizes(xi); case 1, sys = mdlDerivatives(t, x, u, lb, ub); case 2 , sys = mdlUpdate(t, x, u); case 3, sys = mdlOutputs(t, x, u); case 4, sys = mdlGetTimeOfNext

10、VarHit(t, x, u); case 9, sys = mdlTerminate (t , x , u); otherwise error ( Unhandled flag = ,num2str ( flag) ); end,function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes(xi) sizes =simsizes; sizes.NumContStates=1; sizes.NumDiscStates=0; sizes.NumOutputs=1; sizes.NumInputs=1; sizes.DirFeedthrough=0; sizes.NumSam

11、pleTimes=1; sys=simsizes(sizes); xo=xi; str= ; ts=0, 0; function sys=mdlDerivatives(t,x,u,lb,ub) if(x=ub end,function sys=mdlUpdae(t,x,u) sys= ; function sys=mdlOutputs(t,x,u) sys=x; function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u) sampleTime=1;% Example,set the next hit to be one second later sys=t+ samp

12、leTime; function sys=mdlTerminate(t,x,u) sys = ;,(2)完成S-函数的编写后，接着建立 Simulink模型，将 功能模块S-function复制到设计区域，打开其参数页， 输入S-函数的文件名sfun99.m和S-函数的参数lb、ub、xi。 (3)编写主程序。 clear; lb=-0.5; ub=0.5; xi=0; sim(sfun99); (4)在命令窗口运行主程序，并双击示波器，即可查看到输入波形及限幅积分的结果。,9.7 仿真系统的线性化分析,实际工程中，理想的线性系统是不存在的，绝大多数元器件都是非线性的。 线性化就是对一个非线性

13、系统的模型找出其稳定的平衡点，如果在工作过程中，代表系统属性的各物理量只在该平衡点附近产生微小的变化，非线性模型就能够以此平衡点为基础，表示成一个线性模型。这样关于线性系统的理论就可适用于该模型。 模型线性化包括连续系统与离散系统两类线性化模型。,9.7.1 连续系统的线性化 线性化分析函数 linmod 或 linmod2 用来提取非线性系统的近似线性模型，也可以用来获取线性系统的数学模型。linmod函数的调用格式为： A,B,C,D=linmod (sys) A,B,C,D=linmod (sys, x ,u) A,B,C,D=linmod (sys, x, u, para) 9.7.2

14、 离散系统的线性化 dlinmod 能够以任意给定的采样时间对离散系统、多速率系统以及连续和离散混合系统进行线性化。除了第2个选项需要插入采样时间来对系统线性化外，dlinmod的调用格式和linmod是相同的： A,B,C,D=dlinmod (sys, Ts, x ,u),9.7.3 平衡分析 在给定输入、输出及状态条件下，Simulink提供的函 数trim可以用来确定系统的稳态平衡点。 其调用格式为： x,u,y,dx=trim(sys) x,u,y,dx=trim(sys,x0,u0,y0,ix,iu,iy) 其中x, u, y, dx分别代表状态向量、输入向量、输出 向量和状态向量

15、的导数。sys是模型名。x0,u0,y0分别 为状态向量x、输入向量u和输出向量y的初始猜测值， 它们的输入格式必须是列向量形式。ix是向量，它的 元素是那些在寻找过程中，要求保持其值固定不变 (等于初始猜测值)的那些状态变量的序号。iu、iy与ix 类似，分别适用于u和y。,例9.10 求双环调速的电流环系统模型的线性模型,（1）建立电流环模型，如图所示； （2）线性状态空间模型描述； （3）求该线性系统的闭环传递函数； （4）求系统的阶跃响应。,实 例 分 析,a,b,c,d=linmod(f910) a = 1.0e+004 * -0.0078 0 0 0 1.7964 0.0014 -

16、0.0500 0 0 0 0 0 -0.0500 0 0 0 -0.0500 0.0500 0 0 0 -0.0160 0.0160 0.0025 -0.0599 b = 0 0 1.0000 0 0 c = 195.3125 0 0 0 0 d = 0,num,den=ss2tf(a,b,c,d); sys=tf(num,den) 执行结果： Transfer function: 4.547e-013 s4 + 5.821e-010 s3 + 5.614e008 s2 + 3.245e011 s + 2.193e013 - s5 + 1677 s4 + 9.737e005 s3 + 2.56

17、4e008 s2 + 3.506e010 s + 1.579e012,step(sys),例9.11 求离散系统的线性模型与时域响应。 解： （1）建立离散系统模型，如图所示； （2）线性模型描述； （3）求系统的阶跃响应。,a,b,c,d=dlinmod(f911,0.1) 执行结果： a = 0.9985 -0.0800 0.1861 0.9055 b = 0.0876 -0.0985 c = 0.7000 0.0600 d = 0,num1=0.7 0.06;den1=1 -1.2 0.37;num2=1;den2=1; num,den=feedback(num1,den1,num2,den2); dstep(num,den),例9.12 求非线性系统的线性模型、平衡工作点、 时域响应。 解： （1）建立非线性系统模型，如图所示； （2）线性模型描述； （3）求