1、MATLAB與控制系統(tǒng)仿真第9章MATLAB的仿真集成環(huán)境Simulink 1引言Simulink是MATLAB里的一個實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析的仿真集成環(huán)境軟件工具包，是控制系統(tǒng)計算與仿真最先進(jìn)的高效工具。本章首先對Simulink環(huán)境介紹，對功能模塊做了說明，并給出一些示例。對如何建立子系統(tǒng)與模塊封裝、如何編寫S函數(shù)也做了介紹。2主要內(nèi)容9.1 Simulink概述9.2 Simulink的基本界面操作9.3 Simulink的功能模塊及其操作9.3.1 Simulink的功能模塊9.3.2 功能模塊的基本操作9.3.3 功能模塊的連接操作9.4 Simulink仿真環(huán)境的設(shè)置3主要內(nèi)

2、容(續(xù))9.5 子系統(tǒng)及其封裝技術(shù)9.5.1 子系統(tǒng)的建立9.5.2 子系統(tǒng)的封裝9.6 用Simulink建立系統(tǒng)模型示例9.7 Simulink的高級應(yīng)用S函數(shù)的編寫本章小結(jié)49.1Simulink概述 在Simulink幫助文檔中，將其概括為Tool for Model-Based Design，Tool for Simulation，Tool for Analysis。Simulink是對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和綜合分析的圖形化軟件。它可以處理線性和非線性系統(tǒng)，離散、連續(xù)和混合系統(tǒng)。也可以處理單任務(wù)和多任務(wù)系統(tǒng)，并支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。59.1Simulink概述Simulink

3、的圖形化仿真方式，使其具有更直觀形象、更簡單方便與更靈活的優(yōu)點。比如由Simulink創(chuàng)建的控制系統(tǒng)動態(tài)方框圖模型，是系統(tǒng)最基本的直覺圖形化形式，非常直觀，容易理解。并且可以在仿真進(jìn)行的同時，就看到仿真結(jié)果。這樣可以大大簡化設(shè)計流程，減輕設(shè)計負(fù)擔(dān)和降低設(shè)計成本，提高工作效率。69.1Simulink概述Simulink內(nèi)置有各種分析工具，如多種仿真算法、系統(tǒng)線性化、尋找平衡點等，都是非常先進(jìn)而實用的。Simulink仿真的結(jié)果能夠以變量的形式保存到MATLAB的工作空間，供做進(jìn)一步的分析、處理和利用。它還可以將MATLAB工作空間中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到模型中。79.1Simulink概述更為優(yōu)秀的是，

4、Simulink具有開放的體系結(jié)構(gòu)，允許用戶自己開發(fā)各種功能的模塊，無限制地添加到Simulink中，以滿足不同任務(wù)的要求。 89.2Simulink的基本界面操作 Simulink啟動命令窗口鍵入simulink 工具欄上選相應(yīng)圖標(biāo)基本操作在模塊庫中選擇構(gòu)建系統(tǒng)模型所需的模塊直接拖放到所建立的系統(tǒng)模型窗口中按照系統(tǒng)的信號流程將各系統(tǒng)模塊正確連接起來99.2Simulink的基本界面操作注：演示例1創(chuàng)建一個正弦信號的仿真模型。 109.3Simulink功能模塊及操作為便于仿真，Simulink模塊庫提供了豐富的功能模塊。 功能模塊既可以通過右鍵點擊左側(cè)的子模塊庫選Open the * lib

5、rary（ *代表相應(yīng)的子模塊庫名）打開，也可以直接雙擊右側(cè)的子模塊庫查看。 11常用模塊組（Commonly Used Blocks）12連續(xù)系統(tǒng)模塊組（Continuous） 13連續(xù)系統(tǒng)模塊組（Continuous）14連續(xù)系統(tǒng)模塊組（Continuous）Integrator：積分器模塊，輸出對輸入時間積分。 Derivative：微分器模塊，輸出對輸入時間微分。 State-Space：狀態(tài)空間表達(dá)式模塊，實現(xiàn)線性狀態(tài)空間系統(tǒng)。 Transfer Fcn：傳遞函數(shù)模塊，實現(xiàn)線性傳遞函數(shù)。 Zero-Pole：零極點函數(shù)模塊，實現(xiàn)用零極點方式指定傳遞函數(shù)。 Transport Dela

6、y：傳輸延遲模塊，以固定的時間延遲輸入。 Variable Transport Delay：可變傳輸延遲模塊，以變化的時間量延遲輸入。 Variable Time Delay：可變時間延遲模塊。15非線性模塊組（Discontinuities） 16非線性模塊組（Discontinuities）Backlash：磁滯回環(huán)模塊。Saturation：飽和非線性模塊。Saturation Dynamic：動態(tài)飽和非線性模塊。Dead Zone：死區(qū)非線性模塊。Dead Zone Dynamic：動態(tài)死區(qū)非線性模塊。Relay：繼電模塊。Quantizer：量化模塊。Coulomb & Viscou

7、s Friction：庫倫與黏性摩擦非線性模塊。Rate Limiter：靜態(tài)限制信號的變化速率。Rate Limiter Dynamic：動態(tài)限制信號的變化速率。Hit Crossing：過零檢測非線性模塊。Wrap to Zero：環(huán)零非線性模塊。17離散系統(tǒng)模塊組（Discrete）18離散系統(tǒng)模塊組（Discrete）19離散系統(tǒng)模塊組（Discrete）Unit Delay：單位時間延遲，延遲信號一個采樣周期。Discrete Transfer Fcn：離散系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，實現(xiàn)離散傳遞函數(shù)。 Discrete Zero-Pole：離散系統(tǒng)的零極點函數(shù)，實現(xiàn)離散零極點模型。 Discr

8、ete State-Space：離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程，實現(xiàn)離散狀態(tài)空間系統(tǒng)。First-Order Hold：一階保持器，實現(xiàn)一階采樣保持器。 Zero-Order Hold：零階保持器，實現(xiàn)零階保持器。 Memory：記憶模塊，用于返回上一時刻值。 Discrete Filter：離散濾波器，實現(xiàn) IIR和 FIR 離散濾波器。 20數(shù)學(xué)運算模塊組（Math Operations） 21數(shù)學(xué)運算模塊組（Math Operations）Gain：增益函數(shù)模塊，輸入乘以一個常數(shù)，執(zhí)行比例運算。 Slider Gain：可調(diào)增益函數(shù)模塊。一般數(shù)學(xué)函數(shù)，如Add(求和函數(shù))、Substract(減法函

9、數(shù))、Product(乘法函數(shù))、Divide(除法函數(shù))、Abs(絕對值函數(shù))、Sign(符號函數(shù))、Trigonometric Function(三角函數(shù))、Rounding Function (取整函數(shù))、Sum(求和函數(shù))等。22數(shù)學(xué)運算模塊組（Math Operations）Math Function：數(shù)據(jù)函數(shù)模塊，包括指數(shù)函數(shù)，對數(shù)函數(shù)，求平方，開方等函數(shù)。Algebraic Constraint：代數(shù)約束模塊，強(qiáng)制輸入信號為零。 Complex to Real-Imag：復(fù)數(shù)的實部虛部提取模塊，輸出復(fù)數(shù)輸入信號的實數(shù)和虛數(shù)部分。 Complex to Magnitude-Angl

10、e：復(fù)數(shù)變換成幅值幅角的模塊，輸出復(fù)數(shù)輸入信號的幅值和相位。23輸入源模塊組（Sources） 24輸入源模塊組（Sources）In1：輸入端口模塊，為子系統(tǒng)或外部輸入生成一個輸入端口。 Constant：常數(shù)輸入模塊，生成一個常值。 Signal Generator：普通信號發(fā)生器，生成正弦、方波、鋸齒波和隨意波波形。 From File：讀文件模塊，加載文件讀數(shù)據(jù)。 From Workspace：讀工作空間模塊。Clock：時間信號模塊，顯示并輸出當(dāng)前的仿真時間。25輸入源模塊組（Sources）不同類型的輸入信號，如Step(階躍輸入)、Ramp(斜坡輸入)、Pulse Generat

11、or(脈沖信號)、Sine Wave(正弦信號)、Band Limited White Noise(帶寬限幅白噪聲)等，Signal Builder模塊還允許由用戶自己創(chuàng)建信號，Reapting Sequence 模塊構(gòu)造可重復(fù)的輸入信號。Ground：接地線模塊，用來連接輸入端口未與其它模塊相連的模塊。26輸出顯示模塊組（Sinks） 27輸出顯示模塊組（Sinks）Out1：輸出端口模塊，為子系統(tǒng)或外部輸出創(chuàng)建一個輸出端口。 Terminator：信號終結(jié)模塊，終止一個未連接的輸出端口。 Scope/Floating Scope：示波器模塊，顯示仿真期間生成的信號。 X-Y Graph：X

12、-Y示波器，使用 MATLAB圖形窗口顯示信號的 X-Y 圖。28輸出顯示模塊組（Sinks）To Workspace：工作空間寫入模塊，將數(shù)據(jù)寫入到工作空間的變量。 To File：寫文件模塊，將數(shù)據(jù)寫入到文件。 Display：數(shù)字顯示模塊，顯示輸入值。 Stop Simulation：仿真終止模塊，當(dāng)輸入為非零時停止仿真。29Simulink功能模塊的操作對功能模塊的基本操作：對其外在屬性的操作如移動位置、改變大小等對內(nèi)在屬性的設(shè)定，如參數(shù)設(shè)定、模塊輸入輸出信號設(shè)定等注：演示功能模塊的基本操作注：演示例2對例1圖中的模塊進(jìn)行屬性設(shè)置。309.4 Simulink仿真環(huán)境的設(shè)置319.4

13、Simulink仿真環(huán)境的設(shè)置當(dāng)選擇 Simulation 菜單下的Configuration Parameters 項，就會彈出一個配置參數(shù)對話框。在此窗口中允許用戶設(shè)置仿真控制參數(shù)。注：演示該窗口32Solver頁允許用戶設(shè)置仿真的開始和結(jié)束時間選擇解法器配置解法器參數(shù)選擇一些輸出選項注：演示該窗口33 Data Import/Export頁 管理模型從 MATLAB 工作空間的輸入和對它的輸出注：演示該窗口 349.5子系統(tǒng)及封裝技術(shù)359.5子系統(tǒng)及封裝技術(shù)對于復(fù)雜系統(tǒng)來說，因含有大量模塊將顯得雜亂而不利于分析。子系統(tǒng)的概念正是基于此提出的。它可以將聯(lián)系比較緊密、相關(guān)的模塊進(jìn)行封裝，便

14、于系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)的建立，更有利于仿真應(yīng)用和組態(tài)。組合后的子系統(tǒng)可以進(jìn)行類似于模塊的設(shè)置，在模型仿真過程中可以作為一個模塊。369.5.1 子系統(tǒng)的建立 子系統(tǒng)建立的方法主要有兩種：在已有的系統(tǒng)中創(chuàng)建。 直接創(chuàng)建子系統(tǒng)。注：結(jié)合例3講解不同創(chuàng)建子系統(tǒng)方法。379.5.2 子系統(tǒng)的封裝 子系統(tǒng)的封裝（Masking），是將子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)隱藏起來，以便訪問該模塊時只出現(xiàn)一個對話框來進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置。子系統(tǒng)封裝的操作為，選中要封裝的部分，右鍵點擊Mask Subsystem。即調(diào)出子系統(tǒng)封裝界面。 389.5.2 子系統(tǒng)的封裝首項Icon對子系統(tǒng)標(biāo)簽設(shè)置 Parameters項為封裝的子系統(tǒng)內(nèi)部變量

15、建立對話框 Initialization項對子系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理。Documentation項用于設(shè)置子系統(tǒng)的文字說明注：演示對例3的子系統(tǒng)封裝操作399.6Simulink建立系統(tǒng)模型示例注：演示例4觀察單位階躍函數(shù)經(jīng)慣性環(huán)節(jié)后的仿真曲線。注：演示例5用Simulink求以下微分方程： 409.7Simulink的高級應(yīng)用S函數(shù)的編寫419.7Simulink的高級應(yīng)用S函數(shù)的編寫 用戶可以通過Simulink模塊庫中的內(nèi)置模塊構(gòu)建系統(tǒng)模型。但有時會發(fā)現(xiàn)特殊應(yīng)用無法由這些內(nèi)置模塊完成。S-函數(shù)提供了增強(qiáng)和擴(kuò)展 Simulink 的強(qiáng)大機(jī)制。S-函數(shù)是系統(tǒng)函數(shù)(System Function)

16、的簡稱，具有固定的程序編寫格式，用戶可采用 MATLAB語言編寫 S-函數(shù)，此外還允許采用 C，C+，F(xiàn)ORTRAN 或 Ada 等語言編寫。不過用這些語言編寫程序時，要將其編譯生成動態(tài)連接庫(DLL)文件，才可在Simulink中直接調(diào)用。429.7Simulink的高級應(yīng)用S函數(shù)的編寫S-函數(shù)允許用戶向模型中添加自己編寫的模塊，只要按照簡單的規(guī)則，就可以在S-函數(shù)添加算法。編寫完S-函數(shù)之后，將 S-函數(shù)的名稱放在S-Function 模塊中，利用 Simulink 中的封裝功能自定義模塊的用戶接口。43S-函數(shù)的仿真過程初始化。在仿真開始前，Simulink 在這個階段初始化 S-函數(shù)。

17、 初始化結(jié)構(gòu)體 SimStruct，它包含了 S-函數(shù)的所有信息；設(shè)置輸入/輸出端口數(shù)；設(shè)置采樣時間；分配存儲空間。44S-函數(shù)的仿真過程數(shù)值積分。用于連續(xù)狀態(tài)的求解和非采樣過零點。如果 S-函數(shù)存在連續(xù)狀態(tài)，Simulink 就在 minor step time內(nèi)調(diào)用 mdlDerivatives 和 mdlOutput 兩個S-函數(shù)的子函數(shù)。如果存在非采樣過零點，Simulink 將調(diào)用 mdlOutput 和 mdlZeroCrossings 子函數(shù)(過零點檢測子函數(shù))，以定位過零點。45S-函數(shù)的仿真過程更新離散狀態(tài)。此子函數(shù)在每個步長處都要執(zhí)行一次，可以在這個子函數(shù)中添加每一個仿真步

18、都需要更新的內(nèi)容，如離散狀態(tài)的更新。計算輸出。計算所有輸出端口的輸出值。46S-函數(shù)的仿真過程計算下一個采樣時間點。只有在使用變步長求解器進(jìn)行仿真時，才需要計算下一個采樣時間點，即計算下一步的仿真步長。 仿真結(jié)束。在仿真結(jié)束時調(diào)用，可以在此完成結(jié)束仿真所需的工作。47S函數(shù)的設(shè)計模板 函數(shù)名 function sys,x0,str,ts = sfuntmpl(t,x,u,flag) 模板文件結(jié)構(gòu)非常清晰。它使用switch語句結(jié)構(gòu)，當(dāng)條件表達(dá)式為不同值時，即調(diào)用相應(yīng)的子函數(shù)進(jìn)行處理。注：打開模板文件，演示并說明其結(jié)構(gòu)。 489.7.2 S函數(shù)的設(shè)計實例 注：演示例6對系統(tǒng)如選取狀態(tài)變量x=y，則其狀態(tài)空間方程可表示為對系統(tǒng)建立S-函數(shù)，繪制此控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。 499.7.2 S函數(shù)的設(shè)計實例注：演示例7系統(tǒng)狀態(tài)方程其中：，用S-函數(shù)實現(xiàn)此系統(tǒng)功能。 50本章小結(jié)Simulink是MATLAB里的一個實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析的仿真集成環(huán)境軟件工具包。熟練掌握Simulink的使用，可以使控制系統(tǒng)計算與仿真更加方便高效。為便于仿真，Simulink模塊庫提供了豐富的功能模塊。這些模塊分屬于不同功能、不同類別的子模塊庫。需要熟悉這些模塊所在位置以及它們的功能和使用方法。51本