第五章第五章 控制系统的控制系统的 SimulinkSimulink 仿真仿真5.1 Simulink 仿真的参数设置仿真的参数设置 5.1.1 系统模型的实时操作与仿真参数设置 1．系统模型的实时操作在 Simulink 环境下创建系统仿真模型后，在菜单操作方式下可对系统模型或框图进 行如下的实时操作： （1）被仿真模块的参数允许有条件地实时修改 （2）离散模块的采样时间允许实时修改 （3）允许用浮空示波器（Floating Scope）实时观察任何一点或几点的动态波形 （4）在进行一个系统仿真的过程中，允许同时打开另一个系统进行处理 2．仿真参数的设置方法系统仿真前要对仿真算法、输出模式等各种参数进行设置，这就是“Simulation”下的 “Simulation Parameters”菜单命令要完成的任务打开一个仿真参数对话框后可以设置仿 真参数，该对话框包含以下 5 个可相互切换的标签页： （1）Solver 解算器标签页：设置仿真的起始时间与终止时间、仿真的步长大小与求解问题 的算法等 （2）Workspace I/O 工作空间标签页：管理对 MATLAB 工作空间的输入和输出操作。
（3）Diagnostics 标签页：设置在仿真过程中出现各类错误时的操作处理 （4）Advanced 标签页：设置高级仿真属性，如模块的简化、在仿真过程中使用逻辑信号 等 （5）Real-Time Workshop 标签页：设置实时工具中的参数，如允许用户选择目标语言模 板、系统目标文件等 5.1.2 Solver 解算器标签页的参数设置执行“Simulation”下的“Simulation Parameters”命令后，会弹出仿真参数设置对话框 标签之一“Solver”解算器标签页Solver”标签页参数设定是进行仿真工作前准备的必须步骤，基本参数设定包括仿真 的起始时间与终止时间、仿真的步长大小与求解问题的算法等当选择算法是可变步长类型“Variable-step”时， “Solver”标签页如图 5-1 所示；当选择 固定步长类型的算法“Fixed-step”时， “Solver”标签页如图 5-2 所示图 5-1 “Solver”可变步长仿真参数设置窗口图 5-2 “Solver”固定步长仿真参数设置窗口 “Solver”解算器标签页参数设定窗口中各选项的意义如下： （1） “Simulation time”——仿真时间设置 （2） “Solver options”——算法选择操作 （3） “output options”——输出选择 （4）标签页右下部 4 个按钮的功能 “OK”按钮：参数设置完毕可将窗口内的参数值应用于仿真，并关闭对话框。
“Cancel”按钮：立即撤销对参数的修改，恢复标签页原来的参数设置，关闭对话框 “Help”按钮：打开并显示该模块使用方法说明的帮助文件 “Apply”按钮：修改参数后的确认，表示将目前窗口改变的参数应用于仿真，并保持对话框 窗口的开启状态 5.1.3 Workspace I/O 工作空间标签页参数设置仿真控制参数 Simulation Parameters 的设定对话框标签之二为“Workspace I/O”工 作空间标签页，如图 5-3 所示对该标签页中的各类参数设置后，可以实现从当前工作空间输入数据、初始化状态模 块（State） 、把仿真结果保存到当前工作空间等功能 （1） “Load from workspace”：从当前工作空间输入数据 （2） “initial state”：初始化状态模块 （3） “Save to workspace”：保存仿真结果到当前工作空间 （4） “Save options”——变量存储选项图 5-3 设定工作空间 Workspace 参数窗口 5.2 控制系统的控制系统的 Simulink 仿真仿真 5.2.1 利用 Simulink 系统仿真模型的仿真处理1．仿真的启动与停止 （1）在 Simulink 的模型窗口下，选择“Simulation”中的“Start”命令可以对系统进行仿真。
仿真开始后“Start”变为“Pause”，点击“Pause”可暂停仿真执行，点击“Stop” 可停止仿真 （2）单击 “Start Simulation”按钮也可以对系统进行仿真仿真开始后按钮变为“Pause Simulation”按钮，点击按钮可暂停仿真，点击“Stop”按钮可停止仿真 2．Simulink 仿真结果的观察与分析方法 （1）将仿真结果信号输入到输出模块“Scope”示波器、 “XY Graph”二维 X-Y 图形显示器与 “Display”数字显示器中直接查看图形或者数据 （2）将仿真结果信号输入到“To Workspace”模块中，即保存到 MATLAB 工作空间里，再 用绘图命令在 MATLAB 命令窗口里绘制出图形 （3）将仿真结果信号返回到 MATLAB 命令窗口里，再利用绘图命令绘制出图形 【【例 5.1】】某二阶线性系统如图 5-4 所示，采用 Simulink 建立系统模型并进行仿真，分别 用 3 种类型的示波器观察该系统的阶跃响应图 5-4 二阶线性系统模型解：解：首先创建该系统的仿真模型，按照建立模型结构图的基本步骤完成模型创建后，将上 述 3 种示波器模块放在控制系统模型结构图的输出端，如图 5-5 所示。
图 5-5 系统仿真结构图 按图 5-6 所示设置系统的仿真参数图 5-6 设置系统仿真参数 该系统的参数设置： “Start time”为 0， “Stop time”为 20， 步长选择可变步长“Variable-step”， 其他设置为默认值单击模型窗口下的“Start Simulation”按钮，开始对系统进行仿真待到仿真结束后， 在“Display1”中直接显示仿真结果数据，如图 5-7 所示图 5-7 用三种示波器观察系统的阶跃响应曲线 双击 Scope 模块可以观察到系统的阶跃响应曲线，如图 5-8（a）所示可以看出图示曲线 的坐标不适于观察系统的特性，需要进行坐标调整，单击按钮，自动调整曲线的坐标结 果如图 5-8（b）所示a） （b） 图 5-8 用 Scope 观察系统的阶跃响应曲线 双击 Floating Scope 模块，打开浮空示波器，如图 5-9 所示，可以看到示波器中没有显示 的曲线点击 Signal selection（信号选择）按钮，进入信号选择对话框，如图 5-10 所示。
对话框的左边是 Model hierarchy（模型层次） ，用于选择模型；右边是 List content 窗口， 用于选择模块图 5-9 打开的浮空示波器 图 5-10 信号选择对话框 选择了模型和模块后，单击“Close”按钮，重新仿真，各模块的输出曲线就可以显示在浮空 示波器中如图 5-11 所示图 5-11 浮空示波器显示的曲线 上图显示的曲线坐标取值不太合适，需要进行调整，将光标放在显示区域，单击鼠标右键， 选择“Axes properties”命令，打开浮空示波器轴属性对话框，选择纵轴的最小值和最大值， 如图 5-12 所示图 5-12 调整坐标轴属性对话框 单击“OK”按钮，则示波器会自动地按照调整后的坐标轴来显示曲线如图 5-13 所示图 5-13 调整坐标轴后的曲线 （2）使用 To Workspace 模块将仿真输出信息返回到 MATLAB 命令窗口如果不用示波器直接观察仿真结果，可以将控制系统仿真结果输入到“To Workspace”（MATLAB 的工作空间）模块中该方式通过工作空间“To Workspace”，自动 将数据输出到 MATLAB 命令窗口里，经变量保存后再用绘图命令在 MATLAB 命令窗口中绘 制出图形。
【【例 5.2】】 利用“To Workspace”模块将上例中的输出数据传送到 MATLAB 命令窗口，并绘 制系统的阶跃响应曲线 解：解：在图 5-5 的基础上修改系统仿真模型图，将阶跃响应输出到“To Workspace”模块，如 图 5-14 所示系统开始仿真时，该模块会将信息、数据返回到 MATLAB 命令窗口中，并用一个名 为“simout”的变量保存起来双击“To Workspace”模块可打开如图 5-15 所示的模块参数对 话框图 5-14 例 10.2 的仿真模型图 图 5-15 模块参数对话框 如执行指令[tout,y]，显示的结果如图 5-16 所示如执行指令：plot(tout,y)，显示的结果 如图 5-17 所示与直接用示波器观察的曲线完全相同图 5-16 在 MATLAB 命令窗口显示返回的数据 图 5-17 按返回值绘制的阶跃响应曲 线 此外，还可以用输入源“Sources”模块库中的“Clock”模块来查看“Workspace”输出的时间数 据（图 5-18 所示） 这时需要将“Clock”模块输出到“To Workspace1”模块中，并将“To Workspace1”的输出变量改为t，存储数据选为 Array（数组）形式，其他选项采用默认状态。
图 5-18 用“Clock”模块来查看“Workspace”输出的时间数据 （3）使用 out1 模块将仿真输出信息返回到 MATLAB 命令窗口在输出模块库“Sinks”中，有一个名为“out1”的输出模块，可以将系统仿真结果的信 息输入到这个模块该输出模块会将数据返回到 MATLAB 命令窗口中，并自动用一个名为 “yout”的变量保存起来MATLAB 也会自动将每个时间数据存入 MATLAB 命令窗口中，用 “tout”这个变量保存起来 【【例 5.3】】 使用输出“out1”模块返回数据信息到 MATLAB 命令窗口中 解：解：将系统的输出接“out1”模块，如图 5-19 所示将控制系统输出数据与时间数据都返回到 MATLAB 命令窗口之后，也可以用绘图命 令在 MATLAB 命令窗口里绘制出图形指令如下：plot(tout,yout)这个指令执行后，可以看到所绘制的图形也与图 5-17 完全一样图 5-19 使用 out 模块返回数据信息5.2.2 利用 Simulink 动态结构图的仿真处理利用 Simulink 动态结构图的仿真方法的基本思路是：先将动态结构图转换为状态空间模型，然后再仿真。
利用 Simulink 提供的 linmod ( )或 linmod2 ( )两个函数，从连续系统中提取线性模型两个函数命令执行后，都可以得 到一个用[A,B,C,D]表达的状态空间模型然后就可以对这个状态空间模型来进行各种仿真利用线性模型进行仿真：已知系统的线性模型，可利用 MATLAB 提供的仿真函数对系统进行各种仿真如 利用 step（sys）或 step（A, B, C, D）自动绘制系统单位阶跃响应曲线；利用 bode（sys）或 bode（A, B, C, D）函数绘制系统对数幅频和相频特性曲线；利用 margin（sys）函数可求出系统频域性能指标，还可以把频域性能指标附在波德图上 【【例 5.4】】双环调速的电流环系统的动态模型如图 5-20 所示试求其线性模型图 5-20 双环调速的电流环系统动态模型 解：解：（1）首先建立该系统的动态模型依据系统模型的建立方法，在 Simulink 中建立如图 5-20 所示的双环调速电流环系 统动态模型 （2）求系统线性状态空间模型在 MATLAB 命令窗口运行以下指令： [A,B,C,D]=linmod('untitled1') % untitled1 为系统动。