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1、第五章第五章 SIMULINK仿真基础知识仿真基础知识 在实际工程中，控制系统的结构往往很复杂，如果不在实际工程中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析和仿真。的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析和仿真。因此，熟悉掌握因此，熟悉掌握SIMULINK对于从事自动控制方面、信息对于从事自动控制方面、信息处理、金融财务等领域的分析、仿真和设计的工作来说是处理、金融财务等领域的分析、仿真和设计的工作来说是非常重要的。非常重要的。 SIMULINKSIMULIN
2、K是一个集建模、仿真和分析动态系统为一体是一个集建模、仿真和分析动态系统为一体的软件，是一种基于的软件，是一种基于MATLABMATLAB的图形设计环境。通过的图形设计环境。通过SIMULINKSIMULINK，可以轻松地完成对应用问题的仿真，并实时地，可以轻松地完成对应用问题的仿真，并实时地观察可能出现的结果。观察可能出现的结果。 SIMULINKSIMULINK提供了一个建立模型方框图的图形用户接口提供了一个建立模型方框图的图形用户接口（GUIGUI），模型的创建只需要单击和拖动鼠标即可完成。），模型的创建只需要单击和拖动鼠标即可完成。SIMULINKSIMULINK中包含了许多实现不同功
3、能的模块库，使得在这中包含了许多实现不同功能的模块库，使得在这种设计中，不必考虑模块的内部结构而直接实现其种设计中，不必考虑模块的内部结构而直接实现其“想要想要”的功能。同时，在建立模型之后，可以直接进行一种的功能。同时，在建立模型之后，可以直接进行一种“交互式的交互式的”仿真，通过相关菜单或命令的使用来执行仿真，通过相关菜单或命令的使用来执行仿真，得到能够按照自己的设定来进行仿真并观察对应的仿真，得到能够按照自己的设定来进行仿真并观察对应的结果。利用此软件，几乎可以做到不用写一行代码，就能结果。利用此软件，几乎可以做到不用写一行代码，就能完成整个动态系统的建模工作。完成整个动态系统的建模工作
4、。SIMULINKSIMULINK启动启动 启动启动SIMULINKSIMULINK之前，首先要打开之前，首先要打开MATLABMATLAB，具体方法可，具体方法可参见前面的章节。参见前面的章节。方法一：单击方法一：单击MATLABMATLAB主窗口工具栏的主窗口工具栏的simulinksimulink命令按钮命令按钮 ，就可以启动。，就可以启动。 方法二：打开方法二：打开MATLABMATLAB主界面，主界面，在命令窗口（在命令窗口（Command WindowCommand Window）输入命令输入命令simulinksimulink，回车即可，回车即可启动启动SIMULINKSIMUL
5、INK，即打开，即打开SIMULSIMULINKINK库浏览器（库浏览器（SimulinkSimulink Lib Libraryrary Browser Browser）窗口）窗口, ,如图所示。如图所示。 模型的建立模型的建立是在模型窗口中实现的，其界面如图所示，是在模型窗口中实现的，其界面如图所示，整个模型窗口由菜单栏、工具栏、编辑框和状态栏组成。整个模型窗口由菜单栏、工具栏、编辑框和状态栏组成。怎么建立模型窗口？怎么建立模型窗口？建立模型窗口建立模型窗口方法一：方法一：在在MATLAB主窗口主窗口file-new-Model。方法二：在方法二：在SIMULINK模块库浏览器的工具栏中选
6、模块库浏览器的工具栏中选 new model命令按钮。命令按钮。这时在出现这时在出现SIMULINK模块库浏览器的同时，还会出现一模块库浏览器的同时，还会出现一个名为个名为untitled模型编辑窗口。模型编辑窗口。 模型创建完成后，从模型编辑窗口的模型创建完成后，从模型编辑窗口的filesave as保保存模型文件，其格式为存模型文件，其格式为XXX.mdl。打开模型文件打开模型文件 如需对一个已经存在的模型文件进行编辑、修改，如需对一个已经存在的模型文件进行编辑、修改，需要打开该模型文件时，方法如下：需要打开该模型文件时，方法如下：方法一：在方法一：在MATLAB命令窗口直接输入模型文件名
7、（不须命令窗口直接输入模型文件名（不须加文件类型加文件类型.mdl）。）。（注意：必须在该文件保存的目录下）（注意：必须在该文件保存的目录下）方法二：在模型库浏览器窗口或模型编辑窗口的方法二：在模型库浏览器窗口或模型编辑窗口的file菜单菜单中选择中选择open，然后选择或输入编辑模型的名字。，然后选择或输入编辑模型的名字。方法三：单击在模型浏览器窗口工具栏上的方法三：单击在模型浏览器窗口工具栏上的 打开命令打开命令按钮，或模型编辑窗口工具栏上的按钮，或模型编辑窗口工具栏上的 打开命令按钮。打开命令按钮。退出文件退出文件 直接关闭模型窗口。直接关闭模型窗口。SIMULINK的演示和帮助的演示和
8、帮助 helpdemoModelingFeaturesData Typing FilterSIMULINKSIMULINK模型库浏览器简介模型库浏览器简介模型窗口工具栏和状态栏模型窗口工具栏和状态栏按按 钮钮功功 能能按按 钮钮功功 能能仿真启仿真启动动或或继续继续模型框模型框图图修改后的修改后的一致化一致化结结束仿真束仿真打开打开库浏览库浏览器器查查窗窗口口设设置仿真置仿真结结束束时间时间打开或打开或隐隐藏模型藏模型资资源管理器源管理器选择选择仿真加速模式仿真加速模式切切换换模型模型单单双窗口双窗口外形外形准准备备显显示当前子系示当前子系统统的的父系父系统统产产生生RTW代代码码启启动动SI
9、MULINK的的调试调试器器模型窗口的状态栏模型窗口的状态栏Ready表示随时间可以开始仿真。表示随时间可以开始仿真。100%表示编辑栏中模表示编辑栏中模型以型以100%比例显示。比例显示。Ode45表示仿真所采用的积分算法表示仿真所采用的积分算法为为Ode45。SIMULINK模块库模块库:常用模块库常用模块库Commonly use blocks连续模块库连续模块库Continuous非连续模块库非连续模块库Discontinuous离散模块库离散模块库discrete逻辑与位操作模块库逻辑与位操作模块库Logic and bit operation查询表模块库查询表模块库lookup t
10、ables数学运算模块库数学运算模块库math operations模型检测模块库模型检测模块库model verification模型扩充工具箱模块库模型扩充工具箱模块库model-wide utilitises端口和子系统模块库端口和子系统模块库ports&subsystems信号属性信号属性signal attributes信号路线信号路线signal routing接收器模块库接收器模块库sinks输入源模块库输入源模块库sources用户自定义函数模块库用户自定义函数模块库user-defined functions附加模块库附加模块库additional math&discrete
11、常用的常用的Commonly Used BlocksCommonly Used Blocks子库子库常用的常用的SourseSourse子库子库常用的常用的SinkSink子库子库例：显示振幅调制的功能正弦波例：显示振幅调制的功能正弦波要用到的模块要用到的模块Sine wave-正弦波正弦波该模块产生一个正弦波曲线，模块可以在连续或离散模块该模块产生一个正弦波曲线，模块可以在连续或离散模块中工作。输出由下式决定：中工作。输出由下式决定：Y=amplitude*sin(frequency*time+phase)Gain 增益模块增益模块将模块的输入乘上一个指定的常数、变量或表达式后输出。将模块的
12、输入乘上一个指定的常数、变量或表达式后输出。如果模块足够大，如果模块足够大，Gain的图标会显示的图标会显示gain参数域中输入参数域中输入的值或变量等。如果参数过长，则显示的值或变量等。如果参数过长，则显示-K-。Bus creator创建信号总线创建信号总线Scop示波器示波器书上图书上图5-10Chirp signal噪声信号噪声信号 产生频率为随时间线性增加的正弦信号（调频信号）。产生频率为随时间线性增加的正弦信号（调频信号）。此模块用于非线性系统的频谱分析。模块产生标量或矢量此模块用于非线性系统的频谱分析。模块产生标量或矢量输出。输出。Transfer Fcn分子分母形式的传递函数分
13、子分母形式的传递函数传递函数是频域下常用来描述线性微分方程的一种方法，传递函数是频域下常用来描述线性微分方程的一种方法，通过引入通过引入laplace变换可以将原来的线性微分方程在零初变换可以将原来的线性微分方程在零初始条件下变化为始条件下变化为代数代数的形式，从而以多项式的比值形的形式，从而以多项式的比值形式描述系统。传递函数的形式：式描述系统。传递函数的形式：XYgraphXY图表图表该模块将输入的该模块将输入的X-Y平面图显示在一个平面图显示在一个MATLAB图形窗口图形窗口上。模块有两个输入。模块根据第一个输入的数据（上。模块有两个输入。模块根据第一个输入的数据（X方方向）和第二个输入
14、的数据（向）和第二个输入的数据（Y方向）绘图。此模块在检查方向）绘图。此模块在检查和其他双态数据等方面是很有用的，超出指定范围的数据和其他双态数据等方面是很有用的，超出指定范围的数据将不显示。将不显示。模块的连接操作模块的连接操作注意：改变连线的粗细注意：改变连线的粗细Formatport/signal displayswide vector lines设定连线标签设定连线标签直接在连线上双击鼠标，就可以输入该线的说明标签。直接在连线上双击鼠标，就可以输入该线的说明标签。连线的分支连线的分支 在需要分支的地方，按住鼠标右键不放拉出到需要连在需要分支的地方，按住鼠标右键不放拉出到需要连接的地方；
15、或按住接的地方；或按住ctrl键拉出。键拉出。连线弯转连线弯转 在要弯转的地方按住在要弯转的地方按住shift，再按住鼠标左键不放拉出。，再按住鼠标左键不放拉出。模块旋转的方式有两种：模块旋转的方式有两种： 使用快捷键使用快捷键Ctrl+RCtrl+R进行顺时针进行顺时针9090旋转，注意是模块端旋转，注意是模块端口顺序的变化。口顺序的变化。 使用模型窗口菜单栏中使用模型窗口菜单栏中【FormatFormat】菜单。选择菜单栏菜单。选择菜单栏【Format/Flip BlockFormat/Flip Block】选项，可将模块旋转选项，可将模块旋转180180。选择。选择【Format/Rot
16、ate BlockFormat/Rotate Block】可将模块旋转可将模块旋转9090, ,与使用快捷键与使用快捷键Ctrl+RCtrl+R效果相同。效果相同。模块的移动模块的移动按住按住shiftshift拖动，是脱离连线的移动；不按拖动，是脱离连线的移动；不按shiftshift拖动，会拖动，会与线保持连接状态移动。与线保持连接状态移动。改变模块效果改变模块效果制定任何模块或者标注的前景色和背景色，也可以设定整制定任何模块或者标注的前景色和背景色，也可以设定整个模型框图的背景色。个模型框图的背景色。 改变模块或标注的前景色（模块边框色）。选择要改变改变模块或标注的前景色（模块边框色）。
17、选择要改变的模块或标注，然后选择菜单栏的模块或标注，然后选择菜单栏【Format/Foreground Format/Foreground colorcolor】选项设置。选项设置。 改变模块或标注的背景色（模块填充色）。选择要改变改变模块或标注的背景色（模块填充色）。选择要改变的模块或标注，然后选择菜单栏的模块或标注，然后选择菜单栏【Format/Background Format/Background colorcolor】选项设置。选项设置。 设置模型框图的背景色（整个窗口色）。选择菜单栏设置模型框图的背景色（整个窗口色）。选择菜单栏【Format/Screen colorFormat/
18、Screen color】选项设置。选项设置。 显示模块阴影效果。选中要添加阴影的模块，选择菜单显示模块阴影效果。选中要添加阴影的模块，选择菜单栏栏【Format/Show Drop ShadowFormat/Show Drop Shadow】选项来为选中模块添加选项来为选中模块添加阴影效果阴影效果复制复制按住鼠标右键拖住不放；或按住鼠标右键拖住不放；或ctrl+c/v第六章第六章SIMULINK系统建模及仿真应用系统建模及仿真应用6.1创建模型的步骤创建模型的步骤 新建模型窗口新建模型窗口 将所需的模块方框图拖到模块窗口。将所需的模块方框图拖到模块窗口。 设置模块参数系统仿真参数，并连接各个
19、模块组成仿真设置模块参数系统仿真参数，并连接各个模块组成仿真模型。模型。 连接各模块（最好按信号流动顺序连）连接各模块（最好按信号流动顺序连） 保存模型（保存为保存模型（保存为XXX.mdlXXX.mdl文件）文件） 开始系统仿真开始系统仿真 观察结果观察结果步骤主要包括建立模型窗口、将所需要的模块方框图拖动步骤主要包括建立模型窗口、将所需要的模块方框图拖动到模型窗口、调整模块输入端口数目、模块间连线、模块到模型窗口、调整模块输入端口数目、模块间连线、模块相应参数的设置和模型保存等。相应参数的设置和模型保存等。仿真器参数设置仿真器参数设置 simulink窗口下窗口下fileparameter
20、s命令。命令。 SimulinkParameters对话框中仿真参数主要包括，解对话框中仿真参数主要包括，解法器设置（法器设置（Solver）、仿真参数输入输出（）、仿真参数输入输出（Data Import/Export）、仿真优化（）、仿真优化（Optimization）、仿真诊）、仿真诊断（断（Diagnostics）、仿真硬件实现）、仿真硬件实现(Hardware Implementation)、参考模型、参考模型(Model Referencing)和实时和实时工作间工作间(Real-time workshop)。simulink窗口下窗口下fileparametersconfgura
21、tion defaultssolver.仿真器参数的设置界面主要用于仿真起始时间、解法器及仿真器参数的设置界面主要用于仿真起始时间、解法器及输出项等。输出项等。仿真步长模式仿真步长模式 在在type后面的第一个下拉选项中指定仿真的步长选取后面的第一个下拉选项中指定仿真的步长选取方式有变步长（方式有变步长（variable-step）和固定步长（）和固定步长（fixed-step）两种。选择变步长模式则可以在仿真过程中改变步）两种。选择变步长模式则可以在仿真过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。固定步长则在仿真过程中长，提供误差控制和过零检测。固定步长则在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控
22、制和过零检测。提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测。 在在solver后面可以选择变步长模式的解法器，变步长后面可以选择变步长模式的解法器，变步长模式的解法器有模式的解法器有:ode45,ode23,ode113,ode15s,ode23s,ode23t,ode23tb和和dicrete.Ode45:默认值，表示四默认值，表示四/五阶龙格五阶龙格-库塔法，适用于大多库塔法，适用于大多数连续或离散系统，但不适用与刚性（数连续或离散系统，但不适用与刚性（stiff）系统。一般）系统。一般来说，面对一个仿真问题最好首先试试来说，面对一个仿真问题最好首先试试ode45。Ode23:表示二表示二/三
23、阶龙格三阶龙格-库塔法，它在误差限要求不高、库塔法，它在误差限要求不高、求解问题不太难的情况下，可能比求解问题不太难的情况下，可能比ode45更有效，它也是更有效，它也是一个单步解法器。一个单步解法器。仿真步长设置仿真步长设置对于可变步长算法，用户可以设置最大步长和初始步长。对于可变步长算法，用户可以设置最大步长和初始步长。在默认状下，步长是自动确定的，用在默认状下，步长是自动确定的，用autoauto值表示。对于定值表示。对于定步长算法，用户可以设置固定大小的步长，默认值是步长算法，用户可以设置固定大小的步长，默认值是autoauto。 最大步长参数（最大步长参数（Max step size
24、Max step size）。该参数决定解法）。该参数决定解法器能够使用的最大时间步长，在默认设置下，其最大步长器能够使用的最大时间步长，在默认设置下，其最大步长是仿真时间跨度的是仿真时间跨度的1/501/50。一般来说默认值对于仿真来说足。一般来说默认值对于仿真来说足够了，若用户确定积分中失去了重要的步骤，可以改变参够了，若用户确定积分中失去了重要的步骤，可以改变参数以阻止积分采用过大的步长。假如仿真时间过长，默认数以阻止积分采用过大的步长。假如仿真时间过长，默认的步长就可能过长。另外，如果用户的系统是个周期系统，的步长就可能过长。另外，如果用户的系统是个周期系统，那么把最大步长设置为其周期
25、值的一部分（如那么把最大步长设置为其周期值的一部分（如1/41/4）是可）是可行的。行的。 初始步长参数（初始步长参数（Initial step sizeInitial step size）。默认时积分）。默认时积分器通过检查初始时间状态的派生来选择初始步长。初始步器通过检查初始时间状态的派生来选择初始步长。初始步长过大，可能导致积分中失去一些重要特性。初始步长是长过大，可能导致积分中失去一些重要特性。初始步长是个建议值，系统将尝试这个步长，如果发生错误，就要减个建议值，系统将尝试这个步长，如果发生错误，就要减小这个步长小这个步长 最小步长参数（最小步长参数（Min step sizeMin
26、step size）。如果算法需要更）。如果算法需要更小的步长来满足误差容限，则会发出警告信息指出当前有小的步长来满足误差容限，则会发出警告信息指出当前有效的相对误差。该参数可以是实数也可以是一个包含两个效的相对误差。该参数可以是实数也可以是一个包含两个元素的一维向量，其中第一个元素是最小步长，第二个元元素的一维向量，其中第一个元素是最小步长，第二个元素是模型出现错误前可以发出的最小步长警告的最大次数。素是模型出现错误前可以发出的最小步长警告的最大次数。若把第二个元素设置为若把第二个元素设置为 1 1，表示可以有无限此警告，如果，表示可以有无限此警告，如果该参数输入的是标量值，则其表示为向量形
27、式是该向量的该参数输入的是标量值，则其表示为向量形式是该向量的第二个元素为第二个元素为 1 1，第一个元素为输入的标量值。，第一个元素为输入的标量值。误差容限设置误差容限设置在在SIMULINKSIMULINK中，算法采用标准的局部误差控制法，就是在中，算法采用标准的局部误差控制法，就是在每个时间步内，算法都会在时间步的结束处确定局部误差，每个时间步内，算法都会在时间步的结束处确定局部误差，然后与容许误差（然后与容许误差（Acceptable ErrorAcceptable Error）比较，若对于任何）比较，若对于任何一个状态，状态的局部误差都大于容许误差，那么算法会一个状态，状态的局部误差
28、都大于容许误差，那么算法会减小步长重新计算，容许误差是相对误差（减小步长重新计算，容许误差是相对误差（RtolRtol）和绝对）和绝对误差（误差（AtolAtol）的函数。）的函数。相对误差（相对误差（Relative toleranceRelative tolerance）。这是可变步长解法器）。这是可变步长解法器的设置参数。指误差相对于状态的值，百分比表示，默认的设置参数。指误差相对于状态的值，百分比表示，默认值为值为1e-31e-3，表示状态的计算值要精确到，表示状态的计算值要精确到0.1%0.1%。绝对误差（绝对误差（Absolute toleranceAbsolute toleran
29、ce）。这也是可变步长解法）。这也是可变步长解法器的设置参数。表示误差值的门限，或者是在状态值为零器的设置参数。表示误差值的门限，或者是在状态值为零的情况下可以接受的误差。的情况下可以接受的误差。6.3SIMULINK仿真系统及结果输出仿真系统及结果输出书上图书上图6-5中中Signal Generator-信号发生器信号发生器 该模块可以产生该模块可以产生3种不同波形的信号：正弦波、方波种不同波形的信号：正弦波、方波和锯齿波。信号的单位可以是和锯齿波。信号的单位可以是Hz（赫兹）或（赫兹）或rad/s （弧度（弧度/秒）秒）书上图书上图6-7Constant常数常数该模块输出与时间无关的实数
30、或复数。它只有一个输出，该模块输出与时间无关的实数或复数。它只有一个输出，用户可以通过对话框上的用户可以通过对话框上的constant value参数栏制定常数参数栏制定常数（或数组），其长度也就决定了输出时标量还是矢量。（或数组），其长度也就决定了输出时标量还是矢量。Display显示模块显示模块用于显示模块输入的值。用于显示模块输入的值。例例6-1用用display模块直接显示计算结果模块直接显示计算结果Trigonometric function三角函数三角函数该模块执行多种常用三角函数。在该模块执行多种常用三角函数。在function表中有：表中有：Sincostanasinacosa
31、tanatan2sinhcoshtanh.该模该模块输出函数的运算结果。块输出函数的运算结果。 这道题为计算这道题为计算cos(8(2-5i)的值。的值。将仿真结果存储到工作空间，再用绘图命令在命令将仿真结果存储到工作空间，再用绘图命令在命令窗口绘制图形。窗口绘制图形。例例6-2To Workspace到工作空间到工作空间该模块将输入写入到工作空间。模块将输入写入到一个由该模块将输入写入到工作空间。模块将输入写入到一个由variable name命名的矩阵或结构中。命名的矩阵或结构中。 双击双击To Workspace打开对话框，可以看到，默认设打开对话框，可以看到，默认设置存储在名为置存储在
32、名为simout的变量中。变量名可根据需要而改的变量中。变量名可根据需要而改变。变。Save format数据的存储格式可以是数据的存储格式可以是structure with time(带时间的数据结构带时间的数据结构)、structure(数据结构数据结构)和和array(数组数组)三种类型，这里用三种类型，这里用structure with time。注意：此模型文件必须保存为注意：此模型文件必须保存为-变量名变量名.mdl。在命令窗口输入在命令窗口输入simout回车，回车，simout = time: 51x1 double signals: 1x1 struct blockName:
33、 simout/To Workspace plot(simout.time,simout.signals.values)例例6-4Clock时钟模块时钟模块该模块在每一步仿真输出当前仿真时间。对其他需要仿真该模块在每一步仿真输出当前仿真时间。对其他需要仿真时间的模块非常有用。如果需要离散系统的通用时间，可时间的模块非常有用。如果需要离散系统的通用时间，可使用使用digital clock模块。模块。Relation operator关系操作关系操作= 若第一个与第二个输入相同，为若第一个与第二个输入相同，为true-1= 若第一个与第二个输入不相同，为若第一个与第二个输入不相同，为true-1
34、若第一个输入大于第二个输入，为若第一个输入大于第二个输入，为true-1= 若第一个输入大于等于第二个输入，为若第一个输入大于等于第二个输入，为true-1例例6-5Substract代数求差代数求差该模块用于对输入信号进行减运算。该模块用于对输入信号进行减运算。Integrator输入信号的连续时间积分输入信号的连续时间积分连续动态系统中最常用的元件。该模块将输入端信号经过连续动态系统中最常用的元件。该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。积分模块随着其采用不为图形表示时也必须使用
35、此模块。积分模块随着其采用不同的选项将有不同的变化形式。同的选项将有不同的变化形式。例例6-6Product乘积模块乘积模块该模块对输入进行乘法或除法运算。模块接收任意数据类该模块对输入进行乘法或除法运算。模块接收任意数据类型的实型的实复信号。所有输入信号的数据类型必须相同，所复信号。所有输入信号的数据类型必须相同，所以输出信号的数据类型也与输入相同。以输出信号的数据类型也与输入相同。Discrete filter离散过滤分析模块离散过滤分析模块改模块用于实现无限冲激响应（改模块用于实现无限冲激响应（IIR）和有限冲激响应）和有限冲激响应（FIR）滤波器。可以用）滤波器。可以用numerrator和和denominator参数参数指定以指定以z-1的升幂为矢量的分子和分母多项式的系数。分母的升幂为矢量的分子和分母多项式的系数。分母的阶数必须大于或等于分子的阶数。的阶数必须大于或等于分子的阶数。
