MATLAB的simulink仿真

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1、第三讲 MATLAB的 SIMULINK仿真31 快速入门 32 模型的创建和模型文件 33 仿真运行 34 系统建模 35 子系统的创建、封装及受控执行、封装及受控执行36 常用工具箱简介 37 仿真设计实例371 幅度调制的仿真372 平衡正交调幅与解调131 快速入门 SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的 集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统； 离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。 在 SIMULINK 提供的图形用户界面GUI上，只要进行鼠标 的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。它外表以方块 图形式呈现，且采用分层结构。 从建模角度讲

2、，这既适于自上而下（Top-down）的设计 流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件），又适于 自下而上（Bottum-up） 逆程设计。 从分析研究角度讲，这种 SIMULINK 模型不仅能让用户 知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器 件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的 交互影响。231 快速入门（续1 ） 在 SIMULINK 环境中，用户将观察到现实世界中非线性因 素和各种随机因素对系统行为的影响。 在 SIMULINK 环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣 的参数，实时地观察系统行为的变化。 在MATLAB 5.3 版中，可直接在 SIMULINK 环

3、境中运作的 工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、DSP、电力系 统等诸多领域，所涉内容专业性极强。 本讲由浅入深地讲述 SIMULINK 对各种数学、工程问题的 建模、仿真和分析的基本方法，采用“算例”作为主体，配以适 量的归纳性表述。 例3_1_1：信号发生器和示波器。 例3_1_2：实现两个正弦信号的相乘。332 模型的创建和模型文件321 SIMULINK 模型是什么？ SIMULINK 模型有以下几层含义： 在视觉上表现为直观的方框图； 在文件上则是扩展名为 mdl 的ASCII代码； 在数学上表现为一组微分方程或差分方程； 在行为上则模拟了实际系统的动态特性 。 SIMULINK

4、 模型通常包含三种 “组件”： 信源（ Sources）：可以是常数、时钟、白噪声、正弦波 、阶梯波、扫频信号、脉冲生成器、随机数产生器等信号源 ； 系统（ System）：即指被研究系统的 SIMULINK 方框图 ； 信宿（ Sink）：可以是示波器、图形记录仪等。 对于具体的 SIMULINK 模型而，不一定完全地包含这三大 组件。例如：研究初始条件对系统影响就不必包含信源组件 。432 模型的创建和模型文件（续1）322 SIMULINK 模型的创建 创建模型文件； 选择对象； 模块的操作； 连线的操作； 创建子系统； 仿真的配置 ； 对模型的注释； 保存模型； 仿真和结果分析。532

5、 模型的创建和模型文件（续2）323 SIMULINK 模型文件 SIMULINK 除了可以通过图形界面设计模块外 ，也可以 通过直接编写 mdl 文件来设计仿真模型图。 一个有输入和输出的图形界面设计模块。 用 mdl 文件编写有输入和输出的增益器。 （在 Word下 ）（韩利竹P161）GainInOut111633 仿真运行 331 使用菜单进行仿真 设置仿真参数和选择求解器 通过选择菜单 Simulation 下的 Parameters 菜单项，用来设置 仿真参数和选择求解器。其中有三个页面管理这些仿真参数。 在 Solver 页面，设置开始和停止时间，选择求解器和指定 求解器（sol

6、ver）的参数，另外还可以选择一些输出选项。 在 Workspace I/O 页面，管理对 MATLAB 工作空间的输 入和输出。 在 Diagnostics 页面，可以选择在仿真期间显示的警告信息 的层次。 在 Solver options 中， SIMULINK 模型的仿真涉及到一组 常微分方程（ODEs）的数值积分。如果模型是连续系统， 使用ode45方法；如果模型不是连续系统，使用discrete方法 。例3_1_2：实现两个正弦信号的相乘。（ AM AM .mdl ）733 仿真运行（续1） 332 通过命令行运行仿真 通过命令行运行仿真与通过菜单运行仿真相比 ，有如下的 一些优点：

7、 可以不理睬模块中的初始条件（参数 x0 ）； 可以定义任何外部输入（用参数 ut ）； 可以由一个M 文件来启动一个仿真，并且允许模块中的 参数发生改变 。 用来进行仿真的命令有四个： 使用 set_param 命令：开始、停止或者继续仿真或者更新 模块的方框图。 get_param 命令来检查一个仿真的状态。 使用 sim 命令：启动仿真命令； 使用 simset 命令：用来向 sim 命令产生或者编辑仿真参数 和积分法属性的命令； 使用 simget 命令：可以得到选项结构体属性和参数。833 仿真运行（续2）334 综合算例 （M3_ex3_3_1.m）例3_3_1：求非线性系统 的相

8、平面轨迹 、平衡点，并进行稳定性分析。本例演示：（A）SIMULINK模型和MATLAB指令的配合使用 。（B）sim , simset , trim 指令的应用。（C）二阶系统相轨迹的精良图形。934 系统建模341 连续系统建模 线性系统建模举例 例3_4_1：复位积分器的功用示例。 例3_4_2：积分模块直接构造微分方程求解模型。 例3_4_3：直接利用传递函数模块求解方程。 在仿真启动时，积分器从零开始对 0.5 t 进行积分。当复位口 信号 t-5=0 瞬间，积分器被重置为零。此后，再对0.5 （ t-5 ）进行积分。假设从实际自然界（力学、电学、生态等）或社会中，抽象 出有初始状态

9、为0的二阶微分程 ， 是单位阶跃函数。本例演示如何用积分器直接构搭求解该微 分方程的模型。 对二阶微分程进行拉氏变换 ：可以得到 ： 10341 连续系统建模（续） 非线性系统建模举例例3_4_4：求非线性系统 的相平面轨迹、平衡点，并进行稳定性分析。本例综合演示：（A）SIMULINK模型和MATLAB指令的配合使用。 （B）sim , simset , trim 指令的应用。（C）二阶系统相轨迹的精良图形。（1）非线性系统由 SIMULINK 模型M3_ex3_4_4 _ mdl 表达 。 （2）编写绘制传统状态轨迹（State trajectory）的M文件 M3_ ex 3_4 _4.

10、m 11342 离散时间系统和混合系统建模 用组合逻辑模块产生 的“逻辑和”结果 及“逻辑或” 结果 。（1）建立输入输出关系。（2）建立模型M3_ex3_4_5.mdl 12342 离散时间系统和混合系统建模（续 ） 多速率离散时间系统：计算机就是这样的系统。它的CPU、 串行/并行控制器、 磁盘驱动器、输入 键盘就采用不同的工作 速率。再如通信系统也是多速率系统。 离散-连续混合系统：在现代控制系统中 ，通常被控的对象 是连续时间的（物理）子系统，而控制器是由逻辑控制器或 计算机构成的离散子系统。对于这种离散-连续混合系统，模 型参数设置页中的几乎所有 Solver 解算方法都能采用 。

11、可以使该模型及其所有子系统按采样速率着色：连续时间部 分用黑色；离散时间部分用红色；离散、连续混合的子系统 被着黄色。1335 子系统的创建、封装及受控执行 利用 SIMULINK 的封装（Mask）功能 ，可以定做一个模块 或一个子系统的对话框和图标 。 引用子系统的理由是：研究分析系统时 ，进行概念抽象（ Abstraction of concepts）的需要；为提高工作效率和可靠性 ，实施模块“重用（Reuse）” 的需要。 仿真建模中子系统的作用，类 似于 MATLAB 指令运行中的 M函数文件。 前面介绍了如何利用库标准模块建立被研究系统的仿真模型 。下面着重介绍如何利用“分层”思想

12、建立比较复杂的仿真模型 ，介绍建立这种分层模型所需的各种子系统（ Subsystem ）。 封装的一个重要用途是帮助用户创建一个对话框来接受参 数。这样就无需打开子系统中各个模块的对话框，然后再逐 个输入参数。14351 用封装的办法创建模块1。封装模块功能例3_5_1：封装线性方程 y=mx+b 的模型。 （ M3_ex3_5_1.mdl） 子系统mx+b 包含了一个Gain模块，命名为Slope，其增 益常数为m；一个Constant模块，命名为Intercept，其常数 值参数指定为b。这些参数代表一条直线的斜率和截距。 封装该子系统产生一个用户对话框和图标。对话框包含对 斜率和截距的提

13、示。 用户向封装对话框输入 Slope和 Intercept 的值。封装将这 些封装参数映射给底层模块。 在 SIMULINK 中产生线性方程 y=mx+b 的模型，并生成 mx+b 子系统。15351 用封装的办法创建模块（续）2。产生封装提示对话框 要产生这个系统的封装，先选取子系统模块，然后从 Edit 菜单中选取 Mask Subsystem 命令。 封装提示对话框开始时大都显示 Mask Editor 对话框的 Initialization 选项卡。 把 Slope 和 Intercept 定义为 Edit 控件。3。产生封装模块描述和帮助文本 在 Documentation 选项卡

14、中可以定义模块的封装类型、模 块描述和帮助文本。4。产生模块的图标 可以在 Mask Editor 对话框的 Icon 选项卡中定义图标。16352 条件执行子系统 在 SIMULINK 模块库中，有两个特殊模块：Enable 模块 和Trigger 模块。如果把这种模块放到某个子系统中，则该子 系统是否起作用将取决于外界的某个条件（状态或事件 ）是 否满足，这样就构成了所谓的条件执行子系统（ Conditionally Executed Subsystem） 。 常用的条件执行子系统有：使能子系统 （ Enabled Subsystem ）；触发子系统 （ Trigged Subsystem

15、 ）； 触发使能子系统 （ Trigged and Enabled Subsystem ） 。17使能子系统例3_5_2：利用使能原理构成一个半波整流器。本例演示使能子系统的创建 及工作机理。 （ M3_ex3_5_2.mdl）（1）打开SIMULINK的新建模型窗口。（2）从SIMULINK库中提取三个模块Sine wave、 Subsystem 、 Scope 到新 建窗。然后进行文件保存操作，并起文件名为M3_ex3_5_2 （这保存操作只 为以后调用方便，并非必要）。（3）双击空子系统模块Subsystem ，打开其结构模型窗。（4）从SIMULINK库中拷贝In输入口模块、Out输出口模块、Enable使能 模块到子系统的结构模型窗；把In 模块的输出直接送到Out模块的输入端； Enable模块无须进行任何连接，且本例采用它的缺省设置；便实现了题目所 需使能子系统。（5）完成M3_ex3_5_2窗口中各模块间的连接。（6）双击示波器模块，打开显示窗。然后选择M3_ex3_5_2窗口菜单项【 Si