1、1,本章主要教學(xué)內(nèi)容 對系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真的參數(shù)設(shè)置 利用Simulink的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真的方法 利用Simulink的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行仿真的方法,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,2,本章教學(xué)目的及要求 熟悉Simulink的基本操作 掌握Simulink仿真過程中的參數(shù)設(shè)置方法 掌握控制系統(tǒng)的Simulink仿真具體應(yīng)用,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,3,9.1 Simulink仿真的參數(shù)設(shè)置 9.1.1 系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)操作與仿真參數(shù)設(shè)置 1系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)操作 在Simulink環(huán)境下創(chuàng)建系統(tǒng)仿真模型后，在菜單操作方式下可對系統(tǒng)模型或框圖進(jìn)行如下的實(shí)時(shí)操作：

2、（1）被仿真模塊的參數(shù)允許有條件地實(shí)時(shí)修改。 （2）離散模塊的采樣時(shí)間允許實(shí)時(shí)修改。 （3）允許用浮空示波器（Floating Scope）實(shí)時(shí)觀察任何一點(diǎn)或幾點(diǎn)的動(dòng)態(tài)波形。 （4）在進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)仿真的過程中，允許同時(shí)打開另一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行處理。,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,4,2仿真參數(shù)的設(shè)置方法 系統(tǒng)仿真前要對仿真算法、輸出模式等各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這就是“Simulation”下的“Simulation Parameters”菜單命令要完成的任務(wù)。打開一個(gè)仿真參數(shù)對話框后可以設(shè)置仿真參數(shù)，該對話框包含以下5個(gè)可相互切換的標(biāo)簽頁： （1）Solver解算器標(biāo)簽頁：設(shè)置仿真的起始時(shí)間與

3、終止時(shí)間、仿真的步長大小與求解問題的算法等。 （2）Workspace I/O工作空間標(biāo)簽頁：管理對MATLAB工作空間的輸入和輸出操作。,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,5,（3）Diagnostics標(biāo)簽頁：設(shè)置在仿真過程中出現(xiàn)各類錯(cuò)誤時(shí)的操作處理。 （4）Advanced標(biāo)簽頁：設(shè)置高級(jí)仿真屬性，如模塊的簡化、在仿真過程中使用邏輯信號(hào)等。 （5）Real-Time Workshop標(biāo)簽頁：設(shè)置實(shí)時(shí)工具中的參數(shù)，如允許用戶選擇目標(biāo)語言模板、系統(tǒng)目標(biāo)文件等。,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,6,第9章,9.1.2 Solver解算器標(biāo)簽頁的參數(shù)設(shè)置 執(zhí)行“Simulation

4、”下的“Simulation Parameters”命令后，會(huì)彈出仿真參數(shù)設(shè)置對話框標(biāo)簽之一“Solver”解算器標(biāo)簽頁。 “Solver”標(biāo)簽頁參數(shù)設(shè)定是進(jìn)行仿真工作前準(zhǔn)備的必須步驟，基本參數(shù)設(shè)定包括仿真的起始時(shí)間與終止時(shí)間、仿真的步長大小與求解問題的算法等。 當(dāng)選擇算法是可變步長類型“Variable-step”時(shí)，“Solver”標(biāo)簽頁如圖9-1所示；當(dāng)選擇固定步長類型的算法“Fixed-step”時(shí)，“Solver”標(biāo)簽頁如圖9-2所示。,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,7,圖9-1 “Solver”可變步長仿真參數(shù)設(shè)置窗口,第9章,8,圖9-2 “Solver”固定步長仿真參數(shù)設(shè)置窗

5、口,第9章,9,第9章,“Solver”解算器標(biāo)簽頁參數(shù)設(shè)定窗口中各選項(xiàng)的意義如下： （1）“Simulation time”仿真時(shí)間設(shè)置 （2）“Solver options”算法選擇操作 （3）“output options”輸出選擇 （4）標(biāo)簽頁右下部4個(gè)按鈕的功能 “OK”按鈕：參數(shù)設(shè)置完畢可將窗口內(nèi)的參數(shù)值應(yīng)用于仿真，并關(guān)閉對話框。 “Cancel”按鈕：立即撤銷對參數(shù)的修改，恢復(fù)標(biāo)簽頁原來的參數(shù)設(shè)置，關(guān)閉對話框。 “Help”按鈕：打開并顯示該模塊使用方法說明的幫助文件。 “Apply”按鈕：修改參數(shù)后的確認(rèn)，表示將目前窗口改變的參數(shù)應(yīng)用于仿真，并保持對話框窗口的開啟狀態(tài)。,控制系

6、統(tǒng)的Simulink仿真,10,第9章,9.1.3 Workspace I/O工作空間標(biāo)簽頁參數(shù)設(shè)置 仿真控制參數(shù)Simulation Parameters的設(shè)定對話框標(biāo)簽之二為“Workspace I/O”工作空間標(biāo)簽頁，如圖9-3所示。 對該標(biāo)簽頁中的各類參數(shù)設(shè)置后，可以實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前工作空間輸入數(shù)據(jù)、初始化狀態(tài)模塊（State）、把仿真結(jié)果保存到當(dāng)前工作空間等功能。 （1）“Load from workspace”：從當(dāng)前工作空間輸入數(shù)據(jù) （2）“initial state”：初始化狀態(tài)模塊 （3）“Save to workspace”：保存仿真結(jié)果到當(dāng)前工作空間 （4）“Save opti

7、ons”變量存儲(chǔ)選項(xiàng),控制系統(tǒng)的Simulink仿真,11,圖9-3 設(shè)定工作空間Workspace參數(shù)窗口,第9章,12,9.2 控制系統(tǒng)的Simulink仿真 9.2.1 利用Simulink系統(tǒng)仿真模型的仿真處理 1仿真的啟動(dòng)與停止 （1）在Simulink的模型窗口下，選擇“Simulation”中的“Start”命令可以對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真開始后“Start”變?yōu)椤癙ause”，點(diǎn)擊“Pause”可暫停仿真執(zhí)行，點(diǎn)擊“Stop” 可停止仿真。 （2）單擊 “Start Simulation”按鈕也可以對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真開始后按鈕變?yōu)椤癙ause Simulation”按鈕，點(diǎn)擊按鈕

8、可暫停仿真，點(diǎn)擊“Stop”按鈕可停止仿真。,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,13,2Simulink仿真結(jié)果的觀察與分析方法 （1）將仿真結(jié)果信號(hào)輸入到輸出模塊“Scope”示波器、“XY Graph”二維X-Y圖形顯示器與“Display”數(shù)字顯示器中直接查看圖形或者數(shù)據(jù)。 （2）將仿真結(jié)果信號(hào)輸入到“To Workspace”模塊中，即保存到MATLAB工作空間里，再用繪圖命令在MATLAB命令窗口里繪制出圖形。 （3）將仿真結(jié)果信號(hào)返回到MATLAB命令窗口里，再利用繪圖命令繪制出圖形。,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,14,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,【例

9、9.1】某二階線性系統(tǒng)如圖9-4所示，采用Simulink建立系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真，分別用3種類型的示波器觀察該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。,圖9-4 二階線性系統(tǒng)模型,15,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,解：首先創(chuàng)建該系統(tǒng)的仿真模型，按照建立模型結(jié)構(gòu)圖的基本步驟完成模型創(chuàng)建后，將上述3種示波器模塊放在控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖的輸出端，如圖9-5所示。,圖9-5 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖,16,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,按圖9-6所示設(shè)置系統(tǒng)的仿真參數(shù)。,圖9-6 設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù),17,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,該系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置： “Start time”為0， “Stop time

10、”為20， 步長選擇可變步長“Variable-step”， 其他設(shè)置為默認(rèn)值。 單擊模型窗口下的“Start Simulation”按鈕，開始對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。待到仿真結(jié)束后，在“Display1”中直接顯示仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，如圖9-7所示。,18,圖9-7 用三種示波器觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線,第9章,19,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,雙擊Scope模塊可以觀察到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，如圖9-8（a）所示?？梢钥闯鰣D示曲線的坐標(biāo)不適于觀察系統(tǒng)的特性，需要進(jìn)行坐標(biāo)調(diào)整，單擊按鈕，自動(dòng)調(diào)整曲線的坐標(biāo)。結(jié)果如圖9-8（b）所示。,20,（a） （b） 圖9-8 用Scope觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲

11、線,第9章,21,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,雙擊Floating Scope模塊，打開浮空示波器，如圖9-9所示，可以看到示波器中沒有顯示的曲線。 點(diǎn)擊Signal selection（信號(hào)選擇）按鈕，進(jìn)入信號(hào)選擇對話框，如圖9-10所示。 對話框的左邊是Model hierarchy（模型層次），用于選擇模型；右邊是List content窗口，用于選擇模塊。,22,圖9-9 打開的浮空示波器,圖9-10 信號(hào)選擇對話框,23,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,選擇了模型和模塊后，單擊“Close”按鈕，重新仿真，各模塊的輸出曲線就可以顯示在浮空示波器中。如圖9-11所示

12、。,圖9-11 浮空示波器顯示的曲線,24,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,上圖顯示的曲線坐標(biāo)取值不太合適，需要進(jìn)行調(diào)整，將光標(biāo)放在顯示區(qū)域，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Axes properties”命令，打開浮空示波器軸屬性對話框，選擇縱軸的最小值和最大值，如圖9-12所示。,圖9-12 調(diào)整坐標(biāo)軸屬性對話框,25,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,單擊“OK”按鈕，則示波器會(huì)自動(dòng)地按照調(diào)整后的坐標(biāo)軸來顯示曲線。如圖9-13所示。,圖9-13 調(diào)整坐標(biāo)軸后的曲線,26,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,（2）使用To Workspace模塊將仿真輸出信息返回到MATLAB命令窗

13、口 如果不用示波器直接觀察仿真結(jié)果，可以將控制系統(tǒng)仿真結(jié)果輸入到“To Workspace”（MATLAB的工作空間）模塊中。該方式通過工作空間“To Workspace”，自動(dòng)將數(shù)據(jù)輸出到MATLAB命令窗口里，經(jīng)變量保存后再用繪圖命令在MATLAB命令窗口中繪制出圖形。,27,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,【例9.2】 利用“To Workspace”模塊將上例中的輸出數(shù)據(jù)傳送到MATLAB命令窗口，并繪制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。 解：在圖9-5的基礎(chǔ)上修改系統(tǒng)仿真模型圖，將階躍響應(yīng)輸出到“To Workspace”模塊，如圖9-14所示。 系統(tǒng)開始仿真時(shí)，該模塊會(huì)將信息、數(shù)據(jù)返回到

14、MATLAB命令窗口中，并用一個(gè)名為“simout”的變量保存起來。雙擊“To Workspace”模塊可打開如圖9-15所示的模塊參數(shù)對話框。,28,圖9-14 例10.2的仿真模型圖,第9章,29,第9章,圖9-15 模塊參數(shù)對話框,30,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,如執(zhí)行指令tout,y，顯示的結(jié)果如圖9-16所示。如執(zhí)行指令：plot(tout,y)，顯示的結(jié)果如圖9-17所示。與直接用示波器觀察的曲線完全相同。,圖9-16 在MATLAB命令窗口顯示返回的數(shù)據(jù),31,圖9-17 按返回值繪制的階躍響應(yīng)曲線,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,32,第9章,此外，還可以

15、用輸入源“Sources”模塊庫中的“Clock”模塊來查看“Workspace”輸出的時(shí)間數(shù)據(jù)（圖9-18所示）。這時(shí)需要將“Clock”模塊輸出到“To Workspace1”模塊中，并將“To Workspace1”的輸出變量改為t，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)選為Array（數(shù)組）形式，其他選項(xiàng)采用默認(rèn)狀態(tài)。,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,33,圖9-18 用“Clock”模塊來查看“Workspace”輸出的時(shí)間數(shù)據(jù),第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,34,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,（3）使用out1模塊將仿真輸出信息返回到MATLAB命令窗口 在輸出模塊庫“Sinks”中，有一個(gè)

16、名為“out1”的輸出模塊，可以將系統(tǒng)仿真結(jié)果的信息輸入到這個(gè)模塊。該輸出模塊會(huì)將數(shù)據(jù)返回到MATLAB命令窗口中，并自動(dòng)用一個(gè)名為“yout”的變量保存起來。MATLAB也會(huì)自動(dòng)將每個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)存入MATLAB命令窗口中，用“tout”這個(gè)變量保存起來。,35,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,【例9.3】 使用輸出“out1”模塊返回?cái)?shù)據(jù)信息到MATLAB命令窗口中。 解：將系統(tǒng)的輸出接“out1”模塊，如圖9-19所示。 將控制系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)與時(shí)間數(shù)據(jù)都返回到MATLAB命令窗口之后，也可以用繪圖命令在MATLAB命令窗口里繪制出圖形。指令如下： plot(tout,yout) 這個(gè)指

17、令執(zhí)行后，可以看到所繪制的圖形也與圖9-17完全一樣。,36,圖9-19 使用out模塊返回?cái)?shù)據(jù)信息,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,37,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,9.2.2 利用Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真處理 利用Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真方法的基本思路是： 先將動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型，然后再仿真。利用Simulink提供的linmod ( )或linmod2 ( )兩個(gè)函數(shù)，從連續(xù)系統(tǒng)中提取線性模型。兩個(gè)函數(shù)命令執(zhí)行后，都可以得到一個(gè)用A,B,C,D表達(dá)的狀態(tài)空間模型。然后就可以對這個(gè)狀態(tài)空間模型來進(jìn)行各種仿真。,38,第9章,控制系統(tǒng)的Simul

18、ink仿真,利用線性模型進(jìn)行仿真： 已知系統(tǒng)的線性模型，可利用MATLAB提供的仿真函數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行各種仿真。如利用step（sys）或step（A, B, C, D）自動(dòng)繪制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線；利用bode（sys）或bode（A, B, C, D）函數(shù)繪制系統(tǒng)對數(shù)幅頻和相頻特性曲線；利用margin（sys）函數(shù)可求出系統(tǒng)頻域性能指標(biāo)，還可以把頻域性能指標(biāo)附在波德圖上。,39,【例9.4】雙環(huán)調(diào)速的電流環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型如圖9-20所示。試求其線性模型。,第9章,圖9-20 雙環(huán)調(diào)速的電流環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,40,第9章,解：（1）首先建立該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型 依據(jù)系

19、統(tǒng)模型的建立方法，在Simulink中建立如圖9-20所示的雙環(huán)調(diào)速電流環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。 （2）求系統(tǒng)線性狀態(tài)空間模型 在MATLAB命令窗口運(yùn)行以下指令： A,B,C,D=linmod(untitled1) % untitled1為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型 可得到線性系統(tǒng)的一個(gè)線性狀態(tài)空間模型的（A, B, C, D）描述。,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,41,A = 1.0e+004 * -0.0078 1.7964 0 0 0 0 -0.0599 0.0160 -0.0160 0.0025 0 0 -0.0500 0 0 0.0014 0 0 -0.0500 0 0 0 0.0500 -0.050

20、0 0 B = 0 0 1 0 0,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,42,第9章,C = 195.3125 0 0 0 0 D = 0 （3）求系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型 運(yùn)行以下命令，即可得到閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)并加以顯示： num,den=ss2tf (A,B,C,D);%轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)模型 printsys(num,den,s) %顯示傳遞函數(shù)模型 命令執(zhí)行后，所得的結(jié)果為： num/den = 1.3642e-012 s4 + 1.1642e-009 s3 + 561377245.509 s2 + 324546220059.88 s + 21928798652694.6 - s5 + 16

21、76.9274 s4 + 973708.8323 s3 + 256432447.6048 s2 + 35062687125.7484 s+ 1578873502994.01,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,43,第9章,【例9.5】已知晶閘管-直流電機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖所示，試?yán)肧imulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪制該系統(tǒng)的曲線，并與利用Simulink系統(tǒng)模型圖仿真的結(jié)果進(jìn)行比較。,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,44,第9章,解：（1）利用Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真 建立如圖所示的Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并保存為untitled2。根據(jù)題目要求，在MATLAB

22、程序編輯窗口編寫如下的程序并存盤。 a,b,c,d=linmod2(untitled1); sys=ss(a,b,c,d); figure (1) step(sys) figure (2) impulse(sys),控制系統(tǒng)的Simulink仿真,45,第9章,在MATLAB命令窗口運(yùn)行該程序可得到如下的仿真結(jié)果。左圖為系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)。右圖為系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)。,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,46,（2）利用Simulink系統(tǒng)模型圖仿真 建立如圖9-24所示的系統(tǒng)模型圖，雙擊Step模塊，設(shè)置模塊屬性：跳變時(shí)間為0；初始值為0；終止值為1；采樣時(shí)間為0。點(diǎn)擊 按鈕開始仿真，雙擊Scope模

23、塊，可以看到如圖9-25所示的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,47,第9章,圖9-24 系統(tǒng)階躍響應(yīng)模型圖,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,48,第9章,圖9-25 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,49,第9章,【例9.6】對下圖中的開環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析。,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,50,第9章,解：對開環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析并求出頻域性能指標(biāo)，可以借助系統(tǒng)開環(huán)Simulink結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)換成狀態(tài)空間模型進(jìn)行求解。系統(tǒng)開環(huán)Simulink結(jié)構(gòu)圖建立起來以后，用函數(shù)命令可以編寫如下的MATLAB程序段： a,b,c,d=linmod2(untitled11); untitled11為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型 sys=ss(a,b,c,d); margin(sys),控制系統(tǒng)的Simulink仿真,51,第9章,該程序段執(zhí)行后可繪制出給定開環(huán)系統(tǒng)的Bode圖，如圖9-27所示。 系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果為： 幅值裕度