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1、Simulink仿真集成环境简介 Simulink是可视化动态系统仿真环境。1990年正式由Mathworks公司引入到MATLAB中，它是Slmutation和Link的结合。目前介绍Simulink的资料有很多，这里主要介绍它的基本使用方法和它在控制系统仿真分析和设计操作的有关内容。一、Simulink基本操作1进入Simulink操作环境双击桌面上的MATLAB图标，启动MATLAB，进入开发环境，如图01所示。图01 MATLAB开发环境图02 Simulink图形库浏览器画面从MATLAB的桌面操作环境画面进入Simulink操作环境有多种方法，介绍如下。点击工具栏的Simulink
2、图标弹出如图02的图形库浏览器画面。在命令窗口键入“simulink”命令，可自动弹出图形库浏览器。 上述两种方法需从该画面“File”下拉式菜单中选择“New | Model”，或点击图标,得到图03的图形仿真操作画面。图03 Simulink仿真操作环境画面从“File”下拉式菜单中选择“New | Model”，弹出如图03所示的未命名的图形仿真画面。本方法需从工具栏中点击图形库浏览器图标，调出图02的图形库浏览器画面。图03用于仿真操作，图02的图形库用于提取仿真所需功能模块。图04是已建立的一个一阶惯性加时滞对象的单回路控制系统仿真框图。下面将对建立这样的仿真系统用到的一些具体操作作
3、个介绍。图04 仿真系统框图2提取所需仿真模块 在提取所需仿真模块前，应绘制仿真系统框图，并确定仿真所用的参数。 图02中的仿真用图形库，提供了所需的基本功能模块，能满足系统仿真的需要。该图形库有多种图形子库，用于配合有关的工具箱。下面将对本书中的实验可能用到的Simulink图形库中的功能模块作一个简单介绍。（1）信号源模块组(Sources) 信号源模块组包括各种各样的常用输入信号，如图05所示。图05 信号源模块组输入端口模块(In)用来反映整个系统的输入端子，这样的设置在模型线性化与命令行仿真时是必需的。普通信号源发生器(Signal Generator)能够生成若干种常用信号，如方波
4、信号、正弦波信号、锯齿波信号等，允许用户自由地调整其幅值、相位及其它信号。读文件模块(From File)和读工作空间模块(From Workspace)两个模块允许从文件或MATLAB工作空间中读取信号作为输入信号。时间信号模块(Clock)生成当前仿真时钟，在与时间有关的指标求取中是很有意义的，例如获取系统的ITAE准则等。常数输入模块(Constant)此模块以常数作为输入，可以在很多模型中使用该模块。其他类型的输入信号，如阶跃输入(Step)、斜坡输入(Ramp)、脉冲信号(Pulse Genetator)、正弦信号(Sine Wave)等。 （2）连续模块组(Continuous)连
5、续模块组包括常用的连续模块，如图06所示。图06连续模块组积分器(Integrator)连续动态系统最常用的元件，这模块将输入端信号经过数值积分，在输出端直接反映出来。在将常微分方程转换为图形表示时也必须使用此模块。数值微分器(Derivative)该模块的作用是将其输入端的信号经过一阶数值微分，在输出端输出。在实际应用中应该尽量避免使用该模块。传递函数(Transfer Fcn)传递函数是常用的描述线性微分方程的一种方法，通过引入Laplace变换可以将原来的线性微分方程在零初始条件下变换成“代数”的形式，从而以多项式的比值形式描述系统，传递函数的一般形式为零极点(Pole-Zero)将传递
6、函数模型的分子和分母分别进行因式分解，则可以将其变换成 其中K称为系统的增益，-zi，(i1，m)称为系统的零点，而-pi，(i1，n)称为系统的极点。时间延迟(Transport Delay或Variable Transport Delay)用于将输入信号延迟指定的时间后传输给输出信号。两个模块的区别在于：前者在模块内部参数中设置延迟时间，而后者将采用输入信号来定义延迟时间。（3）数学函数模块组(Math Operations)数学函数模块组包含有各种各样的数学函数运算模块，如图07所示。图07 数学函数模块组增益函数(Gain)输出信号等于输入信号乘以增益模块中指定的数值。更一般地，还有对
7、矩阵进行乘法的矩阵增益模块(Matrix Gain)。求和模块(Sum)将输入的多路信号进行求和或求差，计算出输出信号。在组建反馈控制系统框图时必须采用该模块。一般数学函数，如绝对值函数(Abs)、符号函数(Sign)、三角函数(Trigonometric Function)、取整模块(Rounding Function)等。（4）输出池模块组（Sinks）输出池模块组包含那些能显示计算结果的模块，如图08所示。图08 输出池模块组输出端口模块(Out)用来反映整个系统的输出端子，这样的设置在模型线性化与命令行仿真时是必需的，另外，系统直接仿真时这样的输出将自动在MATLAB工作空间中生成变量
8、。示波器模块(Scope)将输入信号在示波器中显示出来。x-y示波器(x-y Graph)将两路输入信号分别作为示波器的两个坐标轴，将信号的相轨迹显示出来。工作空间写入模块(To Workspace) 将输入信号直接写到MATLAB的工作空间中。写文件模块(To File)将输入的信号写到文件中。数字显示模块(Display)将输入信号以数字的形式显示出来。仿真终止模块(Stop Simulation)如果输入的信号为非零时，将强行终止正在进行的仿真过程。信号终结模块(Terminator)可以将该模块连接到闲置的未连接的模块输出信号上，避免出现警告。（5）信号与系统模块组(Signal Ro
9、uting)信号与系统模块组包含的模块如图09所示。图09 信号与系统模块组混路器(Mux)和分路器(Demux)混路器将多路信号依照向量的形式混合成一路信号。例如，可以将要观测的多路信号合并成一路，连接到示波器上显示，这样就可以将这些信号同时显示出来。分路器是将混路器组成的信号依照原来的构成方法解成多路信号。 这里未作介绍的图形子库及其余模块的功能请查阅其它相关参考资料。 提取所需仿真模块，组成仿真系统的使用方法是从图02中用鼠标点击打开所需子图形库，用鼠标选中所需功能模块，将其拖曳到图03中的空白位置，重复上述拖曳过程，直到将所需的全部功能模块拖曳到图03中。拖曳时应注意下列事项： 根据仿
10、真系统框图，选择合适的功能模块进行拖曳； 根据仿真系统框图，将有关的功能模块拖曳到合适的位置，以便于下一步的连接； 对仿真系统中重复的功能模块，可以采用复制(CtrlC)和粘贴(CtrlV)操作，也可多次拖曳相同的功能模块到图03中； 功能模块和图03的大小可以用鼠标移动到图标或图边，在出现双向箭头后进行放大或缩小的操作； 选中功能模块的方法是，直接点击功能模块，用鼠标选定所需功能模块区域来选中区域内的所有功能模块和连接线，点击选中，并按下“Shift键，再点击其他功能模块等； 功能模块的复制、剪切和粘贴操作的方法与Windows的相应操作方法相同。3功能模块的连接 根据仿真系统框图，用鼠标点
11、击并移动所需功能模块到合适的位置，将鼠标移到有关功能模块的输出端(有一个向外的箭头)，选中该输出端并移动鼠标到另个功能模块的输入端(有个向内的箭头)，移动时出现虚线到达所需输入端时，释放鼠标左键，相应的连接线出现，表示该连接已完成。重复上述连接过程，直到完成全部连接，组成仿真系统。 连接时，应注意下列几点： 从功能模块输出端连接到另一功能模块的输入端，也可从一个功能模块输入端反向连接到另一个功能模块的输出端； 一个输出端连接多个输入端时，可采用从个功能模块输入端连接到另一个功能模块输出端的方法，或直接与该功能模块输出端的引出线连接。在连接时，可在连接线交点处按下“Shift”键，再释放鼠标左键
12、； 移动连接线位置的方法是，选中连接线，在连接线的各转角处出现小方块，鼠标选中所需方块，拖动到合适位置后释放鼠标左键； 增加连接线转折点的方法是，选中连接线，鼠标移到所需增加转折点处，按下“Shift”键，点击鼠标左键，移动转折点到所需位置； 连接线的复制、粘贴和剪切等操作方法与Windows对应的操作方法相同； 4功能模块参数设置 使用者需设置功能模块参数后，方可进行仿真操作。不同功能模块的参数是不相同的，用鼠标双击该功能模块自动弹出相应的参数设置对话框。图010 传递函数模型参数设置对话框例如，图010是传递函数模型功能模块的对话框。功能模块对话框由功能模块说明和参数设置框组成。功能模块说
13、明框用于说明该功能模块使用方法和功能；参数框用于设置该功能模块的参数。例如传递函数参数框由分子和分母多项式两个编辑框组成，在分子多项式框中，用户可输入系统模型的分子多项式，在分母多项式框中，输入系统模型的分母多项式等。设置功能模块的参数后，点击OK软键进行确认，将设置参数送仿真操作画面，并关闭对话框。5仿真系统操作参数设置在仿真操作前，应设置仿真操作的参数。包括仿真器参数和示波器参数的设置。(1) 仿真器参数设置 点击图03操作画面“Simulation”下拉式菜单“Simulation Parameters”选项，弹出如图011所示的仿真参数设置画面。共有解算器(Solver)、工作空间输人
14、输出(Workspace I/O)、诊断(Diagnostics)、高级属性(Advanced)和实时工作室(RealTime Workshop)等5个页面。图011 仿真器参数设置对话框解算器页面用于设置仿真开始和终止时间，解算器类型(定步长和变步长两类)和具体的解算算法、最大最小步长和初始步长、容许误差(相对和绝对误差)、输出方式和精细因子设置等。通常，仿真操作时可根据仿真曲线设置终止时间和最大步长，以便得到较光滑的输出曲线。工作空间输入输出页面用于将仿真操作窗口的仿真结果送(写)到MATLAB工作空间，或将数据从工作空间读到仿真操作窗口。诊断页面用于对仿真中出现的异常情况进行诊断。高级属
15、性页面用于模型参数的在线组态和优化操作。实时工作室页面用于设置系统目标文件、暂存构成文件和构成命令，建立目录等。 (2) 示波器参数设置 当采用示波器显示仿真曲线时，需对示波器参数进行设置。示波器有单踪和双踪示波器两种。单踪示被器指显示输入信号(可以有多个输入信号)与时间关系的设备，双踪示波器指显示两个输入信号之间关系的设备。 单踪示波器参数设置操作 点击图03中已存在的示波器，弹出如图012所示的单踪示波器显示画面，点击画面的图标，弹出如图013所示的示波器属性对话框，分2个页面。用于设置显示坐标窗口数、显示时间范围、标记和显示频率或采样时间等。时间范围应与仿真器终止时间一致，以便最大限度显示仿真操作数据。鼠标右键点击示波器显示窗口，从弹出菜单选择“Autoscale”，或直接点击图标，可在响应曲线显示后自动调整纵坐标范围；从弹出的菜单选择“Sa
