1、第7章Simulink的應(yīng)用,7.1Simulink工作平臺(tái)的啟動(dòng)7.2Simulink仿真原理7.3Simulink模塊庫(kù)7.4仿真模型的建立和模塊參數(shù)及屬性的設(shè)置7.5其他應(yīng)用模塊集及Simulink擴(kuò)展庫(kù),7.1Simulink工作平臺(tái),啟動(dòng)Simulink，通常有兩種方法：（1）在MATLAB命令窗口中直接輸入Simulink命令；（2）在MATLAB工具欄上單擊Simulink按鈕，如圖7.1所示。,圖7.1啟動(dòng)Simulink,這樣就可打開了Simulink的SimulinkLibraryBrower(庫(kù)模塊瀏覽器)，如圖7.2所示。在菜單欄中執(zhí)行File/New/Model命令，

2、就建立了一個(gè)名為untitled的模型窗口，如圖7.3所示。在建立了空的模塊窗口后，用戶可以在此窗口中創(chuàng)建自己需要的Simulink模型。,圖7.2庫(kù)模塊瀏覽器,圖7.3新建的空白模塊窗口,7.2Simulink的仿真原理,7.2.1Simulink仿真模塊通常，Simulink仿真系統(tǒng)包括輸入(Input)、狀態(tài)(states)和輸出(Output)三個(gè)部分。,輸入模塊：即信號(hào)源模塊，包括常數(shù)字信號(hào)源和用戶自定義信號(hào)；狀態(tài)模塊：即被模擬的系統(tǒng)模塊，是系統(tǒng)建模的核心和主要部分；輸出模塊：即信號(hào)顯示模塊，它能夠以圖形方式、文件格式進(jìn)行顯示。,注意：在設(shè)計(jì)一個(gè)模型時(shí)，必須先確定這三個(gè)部分的意，以及

3、它們之間的聯(lián)系；Simulink的仿真模型并非一定要完全包括這三個(gè)部分，它可以缺少其中一個(gè)或者兩個(gè)；Simulink的狀態(tài)模塊可以是連續(xù)的、離散的，或者它們二者的結(jié)合。,7.2.2Simulink仿真過(guò)程1初始化階段對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，得到它們實(shí)際計(jì)算的值。展開模型的各個(gè)層次；按照更新的次序?qū)δＰ瓦M(jìn)行排序；確定那些顯式化的信號(hào)屬性，并檢查每個(gè)模塊是否能夠接受連接它們輸入端的信號(hào)；確定所有非顯式的信號(hào)采樣時(shí)間模塊的采樣時(shí)間；分配和初始化存儲(chǔ)空間，以便存儲(chǔ)每個(gè)模塊的狀態(tài)和當(dāng)前值的輸出。,2模型執(zhí)行階段模型仿真是通過(guò)數(shù)值積分來(lái)進(jìn)行完成的，計(jì)算數(shù)值積分可以采用以下兩步來(lái)進(jìn)行：按照秩序計(jì)算每個(gè)模塊的積

4、分；根據(jù)當(dāng)前輸入和狀態(tài)來(lái)決定狀態(tài)的微分，得到微分矢量，然后把它返回給解法器，以計(jì)算下一個(gè)采樣點(diǎn)的狀態(tài)矢量。在每一個(gè)時(shí)間步中，Simulink依次解決下列問(wèn)題：按照秩序更新模塊的輸出；按照秩序更新模塊的狀態(tài)；檢查模塊連續(xù)狀態(tài)的不連續(xù)點(diǎn)；計(jì)算下一個(gè)仿真時(shí)間步的時(shí)間。,7.3.1連續(xù)模塊庫(kù)(Continuous)在連續(xù)模塊(Continuous)庫(kù)中包括了常見的連續(xù)模塊，這些模塊如圖所示。,7.3Simulink模塊庫(kù),在庫(kù)模塊瀏覽器中單擊Simulink前面的“+”號(hào)，就能夠看到Simulink的模塊庫(kù)，如圖7.2所示。,4.傳遞函數(shù)模塊(TransferFcn)功能：用執(zhí)行一個(gè)線性傳遞函數(shù)。5.

5、零極點(diǎn)傳遞函數(shù)模塊(Zero-Pole)功能：用于建立一個(gè)預(yù)先指定的零點(diǎn)、極點(diǎn)，并用延遲算子s表示的連續(xù)。6存儲(chǔ)器模塊(Memory)功能：保持輸出前一步的輸入值。7傳輸延遲模塊(TransportDelay)功能：用于將輸入端的信號(hào)延遲指定的時(shí)間后再傳輸給輸出信號(hào)。8可變傳輸延遲模塊(VariableTransportDelay)功能：用于將輸入端的信號(hào)進(jìn)行可變時(shí)間的延遲。,1.積分模塊(Integrator)：功能：對(duì)輸入變量進(jìn)行積分。說(shuō)明：模塊的輸入可以是標(biāo)量，也可以是矢量；輸入信號(hào)的維數(shù)必須與輸入信號(hào)保持一致。2.微分模塊(Derivative)功能：通過(guò)計(jì)算差分u/t近似計(jì)算輸入變量

6、的微分。3.線性狀態(tài)空間模塊(State-Space)功能：用于實(shí)現(xiàn)以下數(shù)學(xué)方程描述的系統(tǒng)：,7.3.2離散模塊庫(kù)(Discrete)離散模塊庫(kù)(Discrete)主要用于建立離散采樣的系統(tǒng)模型，包括的主要模塊，如圖所示。,1零階保持器模塊(Zero-Order-Hold)功能：在一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)將輸出的值保持在同一個(gè)值上。,2單位延遲模塊(UnitDelay)功能：將輸入信號(hào)作單位延遲，并且保持一個(gè)采樣周期相當(dāng)于時(shí)間算子z-1。3離散時(shí)間積分模塊(DiscreteTimeIntegrator)功能：在構(gòu)造完全離散的系統(tǒng)時(shí)，代替連續(xù)積分的功能。使用的積分方法有：向前歐拉法、向后歐拉法、梯形法。4離散

7、狀態(tài)空間模塊(DiscreteStateSpace)功能：用于實(shí)現(xiàn)如下數(shù)學(xué)方程描述的系統(tǒng)：,5離散濾波器模塊(DiscreteFilter)功能：用于實(shí)現(xiàn)無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)和有限脈沖響應(yīng)(FIR)的數(shù)字濾波器。6離散傳遞函數(shù)模塊(DiscreteTransferFcn)功能：用于執(zhí)行一個(gè)離散傳遞函數(shù)。7離散零極點(diǎn)傳遞函數(shù)模塊(DiscreteZero-Pole)功能：用于建立一個(gè)預(yù)先指定的零點(diǎn)、極點(diǎn)，并用延遲算子z-1表示的離散系統(tǒng)。8一階保持器模塊(FirstOrderHold)功能：在一定時(shí)間間隔內(nèi)保持一階采樣。,7.3.3函數(shù)與表格模塊庫(kù)(Function&Table)函數(shù)與表格模塊

8、庫(kù)(Function&Table)主要實(shí)現(xiàn)各種一維、二維或者更高維函數(shù)的查表，另外用戶還可以根據(jù)自己需要?jiǎng)?chuàng)建更復(fù)雜的函數(shù)。該模塊庫(kù)包括多個(gè)主要模塊、如圖7.7所示。,1.一維查表模塊(Look-UpTable)一維查表模塊(Look-UpTable)實(shí)現(xiàn)對(duì)單路輸入信號(hào)的查表和線性插值。2二維查表模塊(Look-UpTable2-D)功能：根據(jù)給定的二維平面網(wǎng)格上的高度值，把輸入的兩個(gè)變量經(jīng)過(guò)查表、插值，計(jì)算出模塊的輸出值，并返回這個(gè)值。說(shuō)明：對(duì)二維輸入信號(hào)進(jìn)行分段線性變換。,3自定義函數(shù)模塊(Fcn)功能：用于將輸入信號(hào)進(jìn)行指定的函數(shù)運(yùn)算，最后計(jì)算出模塊的輸出值。說(shuō)明：輸入的數(shù)學(xué)表達(dá)式應(yīng)符合C

9、語(yǔ)言編程規(guī)范；與MATLAB中的表達(dá)式有所不同，不能完成矩陣運(yùn)算。4MATLAB函數(shù)模塊(MATLABFcn)功能：對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行MATLAB函數(shù)及表達(dá)式的處理。說(shuō)明：模塊為單輸入模塊；能夠完成矩陣運(yùn)算。注意：從運(yùn)算速度角度，Mathfunction模塊要比Fcn模塊慢。當(dāng)需要提高速度時(shí)，可以考慮采用Fcn或者S函數(shù)模塊。5S-函數(shù)模塊(S-Function)功能：按照Simulink標(biāo)準(zhǔn)，編寫用戶自己的Simulink函數(shù)。它能夠?qū)ATLAB語(yǔ)句、C語(yǔ)言等編寫的函數(shù)放在Simulink模塊中運(yùn)行，最后計(jì)算模塊的輸出值。,7.3.4數(shù)學(xué)模塊庫(kù)(Math)數(shù)學(xué)模塊庫(kù)(Math)包括多個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算

10、模塊，如圖7.8所示。,3.矢量的點(diǎn)乘模塊(DotProduct)功能：矢量的點(diǎn)乘模塊(DotProduct)用于實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的點(diǎn)積運(yùn)算。4.增益模塊(Gain)功能：增益模塊(Gain)的作用是把輸入信號(hào)乘以一個(gè)指定的增益因子，使輸入產(chǎn)生增益。,1.求和模塊(Sum)功能：求和模塊(Sum)用于對(duì)多路輸入信號(hào)進(jìn)行求和運(yùn)算，并輸出結(jié)果。2.乘法模塊(Product)功能：乘法模塊(Product)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)多路輸入的乘積、商、矩陣乘法或者模塊的轉(zhuǎn)置等。,5.常用數(shù)學(xué)函數(shù)模塊(MathFunction)功能：用于執(zhí)行多個(gè)通用數(shù)學(xué)函數(shù)，其中包含exp、log、log10、square、sqrt、p

11、ow、reciprocal、hypot、rem、mod等。,6.三角函數(shù)模塊(TrigonometricFunction)功能：用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算，共有10種三角函數(shù)供選擇。7.特殊數(shù)學(xué)模塊特殊數(shù)學(xué)模塊中包括求最大最小值模塊(MinMax)、取絕對(duì)值模塊(Abs)、符號(hào)函數(shù)模塊(Sign)、取整數(shù)函數(shù)模塊(RoundingFunction)等。8.數(shù)字邏輯函數(shù)模塊數(shù)字邏輯函數(shù)模塊包括復(fù)合邏輯模塊(CombinationalLogic)、邏輯運(yùn)算符模塊(LogicalOperator)、位邏輯運(yùn)算符模塊(BitwiseLogicalOperator)等。9.關(guān)系運(yùn)算模塊(Relati

12、onalOperator)關(guān)系符號(hào)包括：=(等于)、(不等于)、(大于)、=(大于等于)等。,10.復(fù)數(shù)運(yùn)算模塊復(fù)數(shù)運(yùn)算模塊包括計(jì)算復(fù)數(shù)的模與幅角(ComplextoMagnitude-Angle)、由模和幅角計(jì)算復(fù)數(shù)(Magnitude-AngletoComplex)、提取復(fù)數(shù)實(shí)部與虛部模塊(ComplextoRealandImage)、由復(fù)數(shù)實(shí)部和虛部計(jì)算復(fù)數(shù)(RealandImagetoComplex)。,7.3.5非線性模塊(Nonlinear)非線性模塊(Nonlinear)中包括一些常用的非線性模塊，如圖7.9所示。,1.比率限幅模塊(RateLimiter)功能：用于限制輸入信號(hào)

13、的一階導(dǎo)數(shù)，使得信號(hào)的變化率不超過(guò)規(guī)定的限制值。2飽和度模塊(Saturation)功能：用于設(shè)置輸入信號(hào)的上下飽和度，即上下限的值，來(lái)約束輸出值。3量化模塊(Quantizer)功能：用于把輸入信號(hào)由平滑狀態(tài)變成臺(tái)階狀態(tài)。,4死區(qū)輸出模塊(DeadZone)功能：在規(guī)定的區(qū)內(nèi)沒有輸出值。5繼電模塊(Relay)功能：繼電模塊(Relay)用于實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)不同常數(shù)值之間進(jìn)行切換。6選擇開關(guān)模塊(Switch)功能：根據(jù)設(shè)置的門限來(lái)確定系統(tǒng)的輸出。,7.3.6信號(hào)與系統(tǒng)模塊庫(kù)(signals&Systems)信號(hào)與系統(tǒng)模塊庫(kù)(signals&Systems)包括的主要模塊如圖7.11所示。,1.B

14、us信號(hào)選擇模塊(BusSelector)功能：用于得到從Mux模塊或其它模塊引入的Bus信號(hào)。2.混路器模塊(Mux)功能：把多路信號(hào)組成一個(gè)矢量信號(hào)或者Bus信號(hào)。3.分路器模塊(Demux)功能：把混路器組成的信號(hào)按照原來(lái)的構(gòu)成方法分解成多路信號(hào)。4.信號(hào)合成模塊(Merge)功能：把多路信號(hào)進(jìn)行合成一個(gè)單一的信號(hào)。5.接收/傳輸信號(hào)模塊(From/Goto)功能：接收/傳輸信號(hào)模塊(From/Goto)常常配合使用，F(xiàn)rom模塊用于從一個(gè)Goto模塊中接收一個(gè)輸入信號(hào)，Goto模塊用于把輸入信號(hào)傳遞給From模塊。6初始值設(shè)定模塊(IC)功能：初始值設(shè)定模塊(IC)用于設(shè)定與輸出端口連

15、接的模塊的初始值。,7.3.7信號(hào)輸出模塊(Sinks)信號(hào)輸出模塊(Sinks)包括的主要模塊如圖7.12所示。,圖7.12輸出顯示模塊庫(kù),1.示波器模塊(Scope)功能：顯示在仿真過(guò)程中產(chǎn)生的輸出信號(hào)，用于在示波器中顯示輸入信號(hào)與仿真時(shí)間的關(guān)系曲線，仿真時(shí)間為x軸。2.二維信號(hào)顯示模塊(XYGraph)功能：在MATLAB的圖形窗口中顯示一個(gè)二維信號(hào)圖，并將兩路信號(hào)分別作為示波器坐標(biāo)的x軸與y軸，同時(shí)把它們之間的關(guān)系圖形顯示出來(lái)。3.顯示模塊(Display)功能：按照一定的格式顯示輸入信號(hào)的值?？晒┻x擇的輸出格式包括：short、long、short_e、long_e、bank等。,4

16、.輸出到文件模塊(ToFile)功能：按照矩陣的形式把輸入信號(hào)保存到一個(gè)指定的MAT文件。第一行為仿真時(shí)間，余下的行則是輸入數(shù)據(jù)，一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是輸入矢量的一個(gè)分量。5.輸出到工作空間模塊(ToWorkspace)功能：把信號(hào)保存到MATLAB的當(dāng)前工作空間，是另一種輸出方式。6.終止信號(hào)模塊(Terminator)功能：中斷一個(gè)未連接的信號(hào)輸出端口。7.結(jié)束仿真模塊(Stopsimulation)功能：停止仿真過(guò)程。當(dāng)輸入為非零時(shí)，停止系統(tǒng)仿真。,7.3.8信號(hào)源模塊庫(kù)(Sources)信號(hào)源模塊庫(kù)(Sources)包括的主要模塊如圖7.13所示。,圖7.13信號(hào)源模塊庫(kù),1輸入常數(shù)模塊(Con

17、stant)功能：產(chǎn)生一個(gè)常數(shù)。該常數(shù)可以是實(shí)數(shù)，也可以是復(fù)數(shù)。2信號(hào)源發(fā)生器模塊(SignalGenerator)功能：產(chǎn)生不同的信號(hào)，其中包括：正弦波、方波、鋸齒波信號(hào)。3從文件讀取信號(hào)模塊(FromFile)功能：從一個(gè)MAT文件中讀取信號(hào)，讀取的信號(hào)為一個(gè)矩陣，其矩陣的格式與ToFile模塊中介紹的矩陣格式相同。如果矩陣在同一采樣時(shí)間有兩個(gè)或者更多的列，則數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸出應(yīng)該是首次出現(xiàn)的列。,4從工作空間讀取信號(hào)模塊(FromWorkspace)功能：從MATLAB工作空間讀取信號(hào)作為當(dāng)前的輸入信號(hào)。5隨機(jī)數(shù)模塊(RandomNumber)功能：產(chǎn)生正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，默認(rèn)的隨機(jī)數(shù)是期望為0

18、，方差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布量。6帶寬限制白噪聲模塊(BandLimitedWhiteNoise)功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)或者混雜系統(tǒng)的白噪聲輸入。7其它模塊除以上介紹的常用模塊外，還包括其模塊。各模塊功能可通過(guò)以下方法查看：先進(jìn)入Simulink工作窗口，在菜單中執(zhí)行Help/SimulinkHelp命令，這時(shí)就會(huì)彈出Help界面。然后用鼠標(biāo)展開UsingSimulinkBlockReferenceSimulinkBlockLibraries就可以看到Simulink的所有模塊。查看相應(yīng)的模塊的使用方法和說(shuō)明信息即可。,7.4仿真模型的建立與模塊參數(shù)與屬性的設(shè)置,1.仿真模塊的建立首先啟動(dòng)Simulin

19、k命令，建立一個(gè)空的模塊窗口“untitled”，然后利用Simulink提供的模塊庫(kù)，在此窗口中創(chuàng)建自己需要的Simulink模型。具體方法：在模塊庫(kù)瀏覽器中找到所需模塊，選中該模塊后右擊鼠標(biāo)，把它加入到一個(gè)模型窗口中即可完成模塊的建立。,圖7.14添加模塊,2.模塊參數(shù)與屬性的設(shè)置方法：在所建立的模型窗口中，選中相應(yīng)的模塊，單擊右擊鼠標(biāo)，在彈出的快捷菜單中單擊“Blockparameters”選項(xiàng)(如圖7.15所示)，即可打開該模塊的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，如圖7.16(a)所示。右擊鼠標(biāo)，在彈出的快捷菜單中單擊“BlockProperties”選項(xiàng)，即可打開該模塊的屬性設(shè)置對(duì)話框，如圖7.16(

20、b)所示。,圖7.15Blockparamenters選項(xiàng),3.模塊的連接,一般情況下，每個(gè)模塊都有一個(gè)或者多個(gè)輸入口或者輸出口。輸入口通常是模塊的左邊的“”符號(hào)；輸出口是右邊的“”符號(hào)。模塊的連接方法：把鼠標(biāo)指針?lè)诺侥K的輸出口，這時(shí)，鼠標(biāo)指針將變?yōu)椤?”十字形；然后，拖運(yùn)鼠標(biāo)至其它模塊的輸入口，這時(shí)信號(hào)線就變成了帶有方向箭頭的線段。此時(shí)，說(shuō)明這兩個(gè)模塊的連接成功，否則需要重新進(jìn)行連接。,4.運(yùn)行仿真在運(yùn)行仿真之前，首先保存已設(shè)置和連接的模型，然后就可以運(yùn)行仿真。,1.Simulink仿真注意(1)Simulink的數(shù)據(jù)類型由于Simulink在仿真過(guò)程中，始終都要檢查模型的類型安全性。模型

21、的類型安全性是指從該模型產(chǎn)生的代碼不出現(xiàn)上溢或者下溢現(xiàn)象，當(dāng)產(chǎn)生溢出現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)將出錯(cuò)誤。查看模塊的數(shù)據(jù)類型的方法是：在模型窗口的菜單中執(zhí)行Format/PortDataTypes命令，這樣每個(gè)模塊支持的數(shù)據(jù)類型就顯示出來(lái)了。要取消數(shù)據(jù)類型的查看方式，單擊PortDataTypes去掉其前面的勾號(hào)即可。,7.4.3Simulink仿真注意與技巧,圖7.23查看模塊支持的數(shù)據(jù)類型,(2)數(shù)據(jù)的傳輸在仿真過(guò)程中，Simulink首先查看有沒有特別設(shè)置的信號(hào)的數(shù)據(jù)類型，以及檢驗(yàn)信號(hào)的輸入和輸出端口的數(shù)據(jù)類型是否產(chǎn)生沖突。如果有沖突，Simulink將停止仿真，并給出一個(gè)出錯(cuò)提示對(duì)話框，在此對(duì)話框中將

22、顯示出錯(cuò)的信號(hào)以及端口，并把信號(hào)的路徑以高亮顯示。遇到該情形，必須改變數(shù)據(jù)類型以適應(yīng)模塊的需要。,(3)提高仿真速度Simulink仿真過(guò)程，仿真的性能受諸多因素的影響，包括模型的設(shè)計(jì)和仿真參數(shù)的選擇等。對(duì)于大多數(shù)問(wèn)題，使用Simulink系統(tǒng)默認(rèn)的解法和仿真參數(shù)值就能夠比較好地解決。因素及解決方法：(1)仿真的時(shí)間步長(zhǎng)太小。針對(duì)這種情況可以把最大仿真步長(zhǎng)參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值auto。(2)仿真的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)?？勺们闇p小仿真的時(shí)間。(3)選擇了錯(cuò)誤的解法。針對(duì)這種情況可以通過(guò)改變解法器來(lái)解決。(4)仿真的精度要求過(guò)高。仿真時(shí)，如果絕對(duì)誤差限度太小，則會(huì)使仿真在接近零的狀態(tài)附近耗費(fèi)過(guò)多時(shí)間。通常，相對(duì)誤差限為0.1%就已經(jīng)足夠了。(5)模型包含一個(gè)外部存儲(chǔ)塊。盡量使用內(nèi)置存儲(chǔ)模塊。,(4)改善仿真精度檢驗(yàn)仿真精度的方法是：通過(guò)修改仿真的相對(duì)誤差限和絕對(duì)誤差限，并在一個(gè)合適的時(shí)間跨度反復(fù)運(yùn)行仿真，對(duì)比仿真結(jié)果有無(wú)大的變化，如果變化不大，表示