Simulink建模仿真实例详解

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1、SIMULINK (1)SIMULINK (1) 快速入门快速入门快速入门快速入门 首先介绍计算机仿真技术和仿真建模方法的基本概念，以 便对建模和仿真有个初步和整体的认识；然后对 首先介绍计算机仿真技术和仿真建模方法的基本概念，以 便对建模和仿真有个初步和整体的认识；然后对 Simulink 进 行简单介绍，并以一个简单例子进行引导；最后介绍 进 行简单介绍，并以一个简单例子进行引导；最后介绍 Simulink 的工作原理，为后续的深入掌握的工作原理，为后续的深入掌握 Simulink 打下基础。打下基础。 本章主要内容和学习目的本章主要内容和学习目的 ? 动态系统的计算机仿真动态系统的计算机

2、仿真 ? 仿真三要素仿真三要素 ? Simulink 与建模仿真与建模仿真 ? Simulink 的安装的安装 ? 创建一个简单模型创建一个简单模型 ? 模型基本结构模型基本结构 1.1 动态系统的计算机仿真动态系统的计算机仿真 1.1.1 系统与模型系统与模型 1. 系统系统 系统只指具有某些特定功能、相互联系、相互作用的 元素的集合。 系统只指具有某些特定功能、相互联系、相互作用的 元素的集合。这里的系统是指广义上的系统，泛指自然界 的一切现象与过程，例如工程系统如控制系统、通讯系统 等，非工程系统如股市系统、交通系统、生物系统等。 这里的系统是指广义上的系统，泛指自然界 的一切现象与过程

3、，例如工程系统如控制系统、通讯系统 等，非工程系统如股市系统、交通系统、生物系统等。 2. 系统模型系统模型 系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质（或 是系统的某种特性）的一种描述。模型具有与系统相似的特 性。好的模型能够反映实际系统的主要特征和运动规律。 系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质（或 是系统的某种特性）的一种描述。模型具有与系统相似的特 性。好的模型能够反映实际系统的主要特征和运动规律。 模型可以分为模型可以分为实体模型实体模型和和数学模型数学模型。 静态系统模型静态系统模型动态系统模型动态系统模型 连续系统模型连续系统模型离散系统模型离散系统模型 集中参数集中参

4、数分布参数分布参数 微分方程微分方程偏微分方程偏微分方程 差分方程差分方程 代数方程代数方程 实体模型又称物理效应模型，是根据系统之间的相似性而建 立起来的物理模型，如建筑模型等。 实体模型又称物理效应模型，是根据系统之间的相似性而建 立起来的物理模型，如建筑模型等。 数学模型包括原始系统数学模型和仿真系统数学模型。原始 系统数学模型是对系统的原始数学描述。仿真系统数学模型 是一种适合于在计算机上演算的模型，主要是指根据计算机 的运算特点、仿真方式、计算方法、精度要求将原始系统数 学模型转换为计算机程序。 数学模型包括原始系统数学模型和仿真系统数学模型。原始 系统数学模型是对系统的原始数学描述

5、。仿真系统数学模型 是一种适合于在计算机上演算的模型，主要是指根据计算机 的运算特点、仿真方式、计算方法、精度要求将原始系统数 学模型转换为计算机程序。 1.1.2 计算机仿真计算机仿真 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的 有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借 助系统模型对真实系统进行试验的一门综合性技术。 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的 有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借 助系统模型对真实系统进行试验的一门综合性技术。 1. 仿真的概念仿真的概念 2. 仿真分类仿真分类 （1）实物仿真实物仿真：又称：又称物理仿真物理仿真。是指

6、研制某些实体模型， 使之能够重现原系统的各种状态。早期的仿真大多属 于这一类。 。是指研制某些实体模型， 使之能够重现原系统的各种状态。早期的仿真大多属 于这一类。 缺点：投资巨大、周期长，难于改变参数，灵活性差。缺点：投资巨大、周期长，难于改变参数，灵活性差。 优点：直观，形象，至今仍然广泛应用。优点：直观，形象，至今仍然广泛应用。 （2）数学仿真数学仿真：是用数学语言去描述一个系统，并编制程 序在计算机上对实际系统进行研究的过程。 ：是用数学语言去描述一个系统，并编制程 序在计算机上对实际系统进行研究的过程。 （3）半实物仿真半实物仿真：又称数学物理仿真或者混合仿真。为了 提高仿真的可信度

7、或者针对一些难以建模的实体，在 系统研究中往往把数学模型、物理模型和实体结合起 来组成一个复杂的仿真系统，这种在仿真环节中存在 实体的仿真称为半物理仿真或者半物理仿真，如飞机 半实物仿真等。 ：又称数学物理仿真或者混合仿真。为了 提高仿真的可信度或者针对一些难以建模的实体，在 系统研究中往往把数学模型、物理模型和实体结合起 来组成一个复杂的仿真系统，这种在仿真环节中存在 实体的仿真称为半物理仿真或者半物理仿真，如飞机 半实物仿真等。 优点：灵活性高，便于改变系统结构和参数，效率高 （可以在很短时间内完成实际系统很长时间的 动态演变过程），重复性好 优点：灵活性高，便于改变系统结构和参数，效率高

8、 （可以在很短时间内完成实际系统很长时间的 动态演变过程），重复性好 缺点：对某些复杂系统可能很难用数学模型来表达，或 者难以建立其精确模型，或者由于数学模型过 于复杂而难以求解 缺点：对某些复杂系统可能很难用数学模型来表达，或 者难以建立其精确模型，或者由于数学模型过 于复杂而难以求解 3. 计算机仿真计算机仿真 计算机仿真是在研究系统过程中根据相似性原理，利用计 算机来逼真模拟研究系统。研究对象可以是实际的系统，也可 以是设想中的系统。在没有计算机以前，仿真都是利用实物或 者它的物理模型来进行研究的，即物理仿真。物理仿真的优点 是直接、形象、可信，缺点是模型受限、易破坏、难以重用。 计算机

9、仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程，包括方案 论证、技术指标确定、设计分析、故障处理等各个阶段。如训 练飞行员、宇航员的方针工作台和仿真机舱等。 计算机仿真是在研究系统过程中根据相似性原理，利用计 算机来逼真模拟研究系统。研究对象可以是实际的系统，也可 以是设想中的系统。在没有计算机以前，仿真都是利用实物或 者它的物理模型来进行研究的，即物理仿真。物理仿真的优点 是直接、形象、可信，缺点是模型受限、易破坏、难以重用。 计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程，包括方案 论证、技术指标确定、设计分析、故障处理等各个阶段。如训 练飞行员、宇航员的方针工作台和仿真机舱等。 1.2 仿真的三要

10、素仿真的三要素 计算机仿真的计算机仿真的三个基本要素是系统、模型和计算机三个基本要素是系统、模型和计算机，联 系着它们的三项基本活动是模型建立、仿真模型建立（又称 二次建模）和仿真试验。 ，联 系着它们的三项基本活动是模型建立、仿真模型建立（又称 二次建模）和仿真试验。 数学仿真采用数学模型，用数学语言对系统的特性进行描 述，其工作过程是： 数学仿真采用数学模型，用数学语言对系统的特性进行描 述，其工作过程是： ? 建立系统的数学模型；建立系统的数学模型； ? 建立系统仿真模型，即设计算法，并转化为计算机程序，使 系统的数学模型能为计算机所接受并能在计算机上运行； 建立系统仿真模型，即设计算法

11、，并转化为计算机程序，使 系统的数学模型能为计算机所接受并能在计算机上运行； ? 运行仿真模型，进行仿真试验，再根据仿真试验的结果进 一步修正系统的数学模型和仿真模型。 运行仿真模型，进行仿真试验，再根据仿真试验的结果进 一步修正系统的数学模型和仿真模型。 1.3 Simulink 与建模仿真与建模仿真 1.3.1 Simulink 1.3.2 Simulink 的应用领域的应用领域 Simulink 是一种用来实现计算机仿真的软件工具。它是是一种用来实现计算机仿真的软件工具。它是 MATLAB 的一个附加组件，可用于实现各种动态系统（包 括连续系统、离散系统和混合系统）的建模、分析和仿真。

12、的一个附加组件，可用于实现各种动态系统（包 括连续系统、离散系统和混合系统）的建模、分析和仿真。 特点：易学易用，能够依托特点：易学易用，能够依托MATLAB提供的丰富的仿真资源提供的丰富的仿真资源 （1）通讯与卫星系统； （ ）通讯与卫星系统； （2）航空航天系统； （ ）航空航天系统； （4）船舶系统； （ ）船舶系统； （6）金融系统； （ ）金融系统； （3）生物系统； （ ）生物系统； （5）汽车系统； （ ）汽车系统； （7）控制系统。）控制系统。 1.3.3 Simulink 应用举例应用举例 （原教材（原教材P6例子）例子） 在在Matlab命令窗口中输入命令窗口中输入 dbl

13、cart1 Double Mass-Spring System (Double click on the ? for more info) To start and stop the simulation, use the Start/Stop selection in the Simulation pull-down menu In1Out1 State estimator x = Ax+Bu y = Cx+Du Plant Double click here for SIMULINK Help ? Inputs 0;0 K*u 质量阵的逆质量阵的逆 M 1 K*u 刚度阵刚度阵K 已知参数

14、：已知参数： m=1, k=1, P0=1, 5 . 0= )(tPKXXM=+ 0;0 0;0;0 05101520253035404550 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 2.6 模型和图形拷贝到模型和图形拷贝到Word文档中文档中 使用使用【EditCopy Model】命令，然后在命令，然后在 Word 中粘贴中粘贴 使用取消组合命令使用取消组合命令 2.6.1 拷贝到拷贝到Word文档文档 2.6.2 在在Word文档中编辑模型和图形文档中编辑模型和图形 SIMULINK (3)SIMULINK (3) 运行仿真运行仿真运行仿真运行仿真 ?介绍两种

15、介绍两种 Simulink 运行仿真的方法运行仿真的方法 3.1 使用窗口运行仿真使用窗口运行仿真 3.2 使用使用 MATLAB 命令运行仿真命令运行仿真 本章内容和学习目的本章内容和学习目的 ?掌握以上两种运行仿真的方法掌握以上两种运行仿真的方法 3.1 使用窗口运行仿真使用窗口运行仿真 1. 设置仿真参数设置仿真参数 优点：人机交互性强，不必记住繁琐的命令语句即可进行操 作。使用窗口运行仿真主要可以完成以下一些操作。 优点：人机交互性强，不必记住繁琐的命令语句即可进行操 作。使用窗口运行仿真主要可以完成以下一些操作。 3. 启动仿真启动仿真 4. 停止仿真停止仿真 5. 中断仿真中断仿真

16、 6. 仿真诊断仿真诊断 2. 应用仿真参数应用仿真参数 仿真参数和算法选择的设置仿真参数和算法选择的设置 仿真参数和算法设置后，使之生效仿真参数和算法设置后，使之生效 选择命令运行仿真选择命令运行仿真 选择命令停止仿真选择命令停止仿真 可以在中断点继续启动仿真，而停止仿真则不能可以在中断点继续启动仿真，而停止仿真则不能 在仿真中若出现错误，在仿真中若出现错误，Simulink 将会终止仿真并 在仿真诊断对话框中显示错误信息 将会终止仿真并 在仿真诊断对话框中显示错误信息 1. 设置仿真参数设置仿真参数 选择菜单选项选择菜单选项【SimulationParameters】，可以对仿真 参数及算法进行设置，共有五个选项卡 ，可以对仿真 参数及算法进行设置，共有五个选项卡 解法设置（解法设置（Solver） 工作间工作间I/O（Workspace I/O） 诊断页（诊断页（Diagnostics） 高级设置（高级设置（Advanced） 实时工具对话框（实时工具对话框（Real-Time Workshop）