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1、第九章 Simulnk动态仿真本章主要内容如下：本章主要内容如下：9.1 Simulink9.1 Simulink基本操作基本操作9.2 9.2 模块库和系统仿真模块库和系统仿真9.3 9.3 子系统创建与封装子系统创建与封装9.4 Simulink9.4 Simulink仿真举例仿真举例1 1第九章第九章 SimulinkSimulink动态仿真动态仿真Simulink Simulink 中中的的“ “SimuSimu” ”一一词词表表示示可可用用于于计计算算机机仿仿真真，而而“ “LinkLink” ”一一词词表表示示它它能能进进行行系系统统连连接接，即即把把一一系系列列模模块块连连接接起
2、起来来，构构成成复复杂杂的的系系统统模模型型。作作为为MATLABMATLAB的的一一个个重重要要组组成成部部分分，SimulinkSimulink由由于于它它所所具具有有的的上上述述的的两两大大功功能能和和特特色色，以以及及所所提提供供的的可可视视化化仿仿真真环环境境、快快捷捷简简便便的的操操作作方方法法，而而使使其其成成为为目目前前最最受受欢欢迎迎的的仿仿真真软件。软件。本本章章主主要要介介绍绍SimulinkSimulink的的基基本本功功能能和和基基本本操操作作方方法法，并并通过举例介绍如何利用通过举例介绍如何利用SimulinkSimulink进行系统建模和仿真。进行系统建模和仿真。
3、2 2第九章第九章 SimulinkSimulink动态仿真动态仿真9.1 Simulink 9.1 Simulink 基本操作基本操作基本操作基本操作n n利用利用SimulinkSimulink进行系统仿真的步骤是：进行系统仿真的步骤是：启动启动SimulinkSimulink，打开，打开SimulinkSimulink模块库模块库打开空白模型窗口；打开空白模型窗口；建立建立SmulinkSmulink仿真模型；仿真模型；设置仿真参数，进行仿真；设置仿真参数，进行仿真；输出仿真结果。输出仿真结果。3 39.1 Simulink 9.1 Simulink 基本操作基本操作基本操作基本操作9.
4、1.1 9.1.1 启动启动启动启动SimulinkSimulinka)a)启动启动SimulinkSimulink。单单击击MATLAB MATLAB CommandCommand窗窗口口工工具具条条上上的的SimulinkSimulink图图标标，或或者者在在MATLABMATLAB命命令令窗窗口口输输入入simulinksimulink，即即弹弹出出图图示示的的模模块块库库窗窗口口界界面面(Simulink (Simulink Library Library Browser)Browser)。该该界界面面右右边边的的窗窗口口给给出出SimulinkSimulink所有的子模块库。所有的子
5、模块库。常用的子模块库有Sources(信号源)，Sink(显示输出),Continuous(线性连续系统)，Discrete（线性离散系统)，Function & Table（函数与表格)，Math(数学运算)， Discontinuities (非线性)，Demo（演示）等。 4 4a)a)启动启动SimulinkSimulinkn n每每个个子子模模块块库库中中包包含含同同类类型型的的标标准准模模型型，这这些些模模块块可可直直接接用用于于建建立系统的立系统的SimulinkSimulink框图模型。可按以下方法打开子模块库框图模型。可按以下方法打开子模块库: :用用鼠鼠标标左左键键点点击
6、击某某子子模模块块库库( (如如【ContinuousContinuous】) )，SimulinkSimulink浏览器右边的窗口即显示该子模块库包含的全部标准模块。浏览器右边的窗口即显示该子模块库包含的全部标准模块。5 5a)a)启动启动SimulinkSimulink用用鼠鼠标标右右键键点点击击SimulinkSimulink菜菜单单项项，则则弹弹出出一一菜菜单单条条，点点击击该该菜菜单单条条即即弹弹出出该该子子库库的的标标准准模模块块窗窗口口. .如如单单击击左左图图中中的的【SinksSinks】, ,出出现现“ “Open Open the the SinksSinks Libra
7、ryLibrary” ”菜菜单单条条，单单击击该该菜菜单单条条，则则弹弹出出右右图图所所示的该子库的标准模块窗口。示的该子库的标准模块窗口。6 69.1 Simulink 9.1 Simulink 基本操作基本操作基本操作基本操作9.1.1 9.1.1 启动启动SimulinkSimulinkb)b)打开空白模型窗口打开空白模型窗口n n模模型型窗窗口口用用来来建建立立系系统统的的仿仿真真模模型型。只只有有先先创创建建一一个个空空白白的的模模型型窗窗口口，才才能能将将模模块块库库的的相相应应模模块块复复制制到到该该窗窗口口，通通过过必必要要的的连连接接，建建立立起起SimulinkSimuli
8、nk仿仿真真模模型型。也也将将这这种种窗窗口口称称为为SimulinkSimulink仿真模型窗口。仿真模型窗口。n n以下方法可用于打开一个空白模型窗口：以下方法可用于打开一个空白模型窗口：在在MATLABMATLAB主界面中选择主界面中选择【File:NewFile:NewModelModel】菜单项；菜单项；单击模块库浏览器的新建图标单击模块库浏览器的新建图标 ；选中模块库浏览器的选中模块库浏览器的【File : New File : New Model Model】菜单项。菜单项。所打开的空白模型窗口如图所示。所打开的空白模型窗口如图所示。7 79.1.2 9.1.2 建立建立Simu
9、linkSimulink仿真模型仿真模型a)a)打开打开SimulinkSimulink模型窗口模型窗口(Untitled)(Untitled)b)b)选取模块或模块组选取模块或模块组n n在在SimulinkSimulink模模型型或或模模块块库库窗窗口口内内，用用鼠鼠标标左左键键单单击击所所需需模模块块图图标标，图图标标四四角角出出现现黑黑色色小小方方点点，表表明明该该模模块块已已经经选中。选中。c)模块拷贝及删除n在模块库中选中模块后，按住鼠标左键不放并移动鼠标至目标模型窗口指定位置，释放鼠标即完成模块拷贝。n模块的删除只需选定删除的模块，按Del键即可。8 89.1 Simulink
10、9.1 Simulink 基本操作基本操作基本操作基本操作9.1.2 9.1.2 建立建立SimulinkSimulink仿真模型仿真模型d)d)模块调整模块调整n n改变模块位置、大小；改变模块位置、大小；n n改变模块方向改变模块方向使使模模块块输输入入输输出出端端口口的的方方向向改改变变。选选中中模模块块后后，选选取取菜菜单单FormatRotateBlockFormatRotateBlock，可使模块旋转，可使模块旋转90900 0。按快捷键Ctrl+R结果相同。9 99.1.2 9.1.2 建立建立SimulinkSimulink仿真模型仿真模型e)e)模块参数设置模块参数设置n n
11、用用鼠鼠标标双双击击指指定定模模块块图图标标，打打开开模模块块对对话话框框，根根据据对对话话框框栏栏目中提供的信息进行参数设置或修改。目中提供的信息进行参数设置或修改。例例如如双双击击模模型型窗窗口口的的传传递递函函数数模模块块，弹弹出出图图示示对对话话框框，在在对对话话框框中中分分别别输输入入分分子子、分分母母多多项项式式的的系系数数，点点击击OKOK键，完成该模型的设置，如右下图所示：键，完成该模型的设置，如右下图所示：10109.1.2 9.1.2 建立建立SimulinkSimulink仿真模型仿真模型f) f)模块的连接模块的连接n n模模块块之之间间的的连连接接是是用用连连接接线线
12、将将一一个个模模块块的的输输出出端端与与另另一一模模块块的的输输入入端端连连接接起起来来；也也可可用用分分支支线线把把一一个个模模块块的的输输出出端端与与几几个模块的输入端连接起来。个模块的输入端连接起来。n n 连连接接线线生生成成是是将将鼠鼠标标置置于于某某模模块块的的输输出出端端口口( (显显一一个个十十字字光光标标) ) ，按按下下鼠鼠标标左左键键拖拖动动鼠鼠标标置置另另一一模模块块的的输输入入端端口口即即可可。 分支线则是将鼠标置于分支点，按下鼠标右键，其余同上。分支线则是将鼠标置于分支点，按下鼠标右键，其余同上。连接线(左键)分支线(右键)11119.1.2 9.1.2 建立建立S
13、imulinkSimulink仿真模型仿真模型g)g)模块文件的取名和保存模块文件的取名和保存n n选选 择择 模模 型型 窗窗 口口 菜菜 单单FileFileSave Save asas后后弹弹出出一一个个“ “Save Save asas” ”对对话话框框，填填入入模模型型文文件件名名，按按保存保存(s)(s)即可。即可。说明模块的修改、调整、连接通常只能在仿真模型窗口中进行，不要直接对模块库中的模块进行修改或调整。12129.1 Simulink 9.1 Simulink 基本操作基本操作基本操作基本操作9.1.3 9.1.3 系统仿真运行系统仿真运行系统仿真运行系统仿真运行 1. 1
14、.SimulinkSimulink模型窗口下仿真模型窗口下仿真模型窗口下仿真模型窗口下仿真 步骤步骤打开打开SimulinkSimulink仿真模型窗口，或打开指定的仿真模型窗口，或打开指定的.mdl.mdl文件文件; ;设设置置仿仿真真参参数数：在在模模型型窗窗口口选选取取菜菜单单【Simulation: Simulation: ParametersParameters】, ,弹弹出出 “ “Simulation Simulation ParametersParameters” ” 对对话话框框，设设置置仿仿真真参参数数，然然后后按按【OKOK】即可；即可；说明若不设置仿真参数,则采用Sim
15、ulink缺省设置.13139.1 Simulink 9.1 Simulink 基本操作基本操作基本操作基本操作9.1.3 9.1.3 系统仿真运行系统仿真运行系统仿真运行系统仿真运行 1. 1.SimulinkSimulink模型窗口下仿真模型窗口下仿真模型窗口下仿真模型窗口下仿真 步骤步骤仿仿真真运运行行和和终终止止：在在模模型型窗窗口口选选取取菜菜单单【Simulation: Simulation: StartStart】，仿仿真真开开始始，至至设设置置的的仿仿真真终终止止时时间间，仿仿真真结结束束。若若在在仿仿真真过过程程中中要要中中止止仿仿真真，可可选选择择【Simulation:
16、Simulation: StopStop】菜菜单单。也也可可直直接接点点击模型窗口中的击模型窗口中的 （或（或 ）启动（或停止）仿真。）启动（或停止）仿真。 14149.1 Simulink 9.1 Simulink 基本操作基本操作基本操作基本操作9.1.3 9.1.3 系统仿真运行系统仿真运行系统仿真运行系统仿真运行 2. 2.MATLAB MATLAB 命令窗口下的仿真运行命令窗口下的仿真运行n n在在MatlabMatlab命令窗口下可直接运行一个已存在的命令窗口下可直接运行一个已存在的SimulinkSimulink模型：模型：n nt,x,y=sim(t,x,y=sim( mode
17、lmodel ,timespan,option,ut),timespan,option,ut)其中，其中，t t为返回的仿真时间向量；为返回的仿真时间向量； x x为返回的状态矩阵；为返回的状态矩阵； y y为返回的输出矩阵；为返回的输出矩阵； modelmodel为系统为系统SimulinkSimulink模型文件名；模型文件名； timespantimespan为仿真时间；为仿真时间；optionoption为仿真参数选择项，由为仿真参数选择项，由simsetsimset设置；设置；utut为选择外部产生输入为选择外部产生输入,ut=T,u1,u2,ut=T,u1,u2,un,un。说明上
18、述参数中，若省略timespan,option,ut则由框图模型的对话框Simulation Parameters设置仿真参数。back15159.2 9.2 模块库和系统仿真模块库和系统仿真模块库和系统仿真模块库和系统仿真9.2.1 Simulink9.2.1 Simulink模块库模块库 1. 1. Sources Sources库库n n也也可可称称为为信信号号源源库库，该该库库包包含含了了可可向向仿仿真真模模型型提提供供信信号号的的模模块块。它它没没有有输输入入口口，但但至至少少有有一个输出口。一个输出口。n n双双击击图图标标 即即弹弹出出该该库库的的模块图：模块图： 在该图中的每一
19、个图标都是一个信号模块，这些模块均可拷贝到用户的模型窗里。用户可以在模型窗里根据自己的需要对模块的参数进行设置（但不可在模块库里进行模块的参数设置).16161. 1. Sources Sources库库Sine WaveSine Wave：产生幅值、频率可设置的正弦波信号。：产生幅值、频率可设置的正弦波信号。 双双击击图图标标 ( (认认定定该该模模块块已已拷拷贝贝到到用用户户模模型型窗窗，以以下下均均如如此此), ),弹弹出出正正弦弦波波的的参参数数设设置置框框图图。图图中中参参数数为为SimulinkSimulink默默认认值值，用户可根据需要对这些参数重新设置。用户可根据需要对这些参数
20、重新设置。幅值、频率为2，基准为0.5，其波形如下图所示：17171. 1. Sources Sources库库StepStep：产生幅值、阶跃时间可设置的阶跃信号。：产生幅值、阶跃时间可设置的阶跃信号。 双双击击图图标标 , ,弹弹出出阶阶跃跃信信号号的的参参数数设设置置框框图图。图图中中参参数数为为SimulinkSimulink默认值。默认值。当设置幅值为0.8,阶跃时间为1秒时，阶跃波形如下图所示：18189.2.1 Simulink9.2.1 Simulink模块库模块库 2. 2. Sinks Sinks 库库库库 n n该该库库包包含含了了显显示示和和写写模模块块输输出出的的模模
21、块块。双双击击 即即弹弹出出该该库库的的模模块图：块图： ：数数字字表表，显显示示指指定定模模块的输出数值。块的输出数值。 ：X-Y绘图仪用同一图形窗口，显示X-Y坐标的图形(需先在参数对话框中设置每个坐标的变化范围)，当X、Y分别为正、余弦信号时，其显示图形如下：19199.2.1 Simulink9.2.1 Simulink模块库模块库 2. 2. Sinks Sinks 库库库库 ：示示示示波波波波器器器器。显显示示在在仿仿真真过过程程产产生生的的信信号号波波形形。双双击击该该图图标标, ,弹出示波器窗如右图所示：弹出示波器窗如右图所示：分别管理X-Y、X和Y轴向变焦取当前窗中信号最大、
22、最小值为纵坐标的上下限把当前轴的设置保存为该示波器的缺省设置打开示波器属性对话框设置为浮动示波器20202. 2.Sinks Sinks 库库库库示波器属性对话框示波器属性对话框设置Y轴个数设置显示的时间范围选择轴的标注方法确定显示频度(每隔n-1个数 据 点 显 示 一 次)确定显示点的时间间隔(缺省 为0表 示 连 续 显 示)示波器属性对话框General页21212. 2.Sinks Sinks 库库库库示波器属性对话框示波器属性对话框示波器属性对话框Data history页设定缓冲区接受数据的长度,勾选为缺省状态,其值为5000确定示波器数据是 否 保 存 到MATLAB工作空间。
23、若勾选则为保存，且需确定变量名和保存格式(缺省时,不被勾选)2222【例9-1】示波器应用示例。Simulink仿真模型如左图所示，示波器输入为3（Y轴个数为3）。右图为该示波器显示的三路输入信号的波形. 23239.2.1 Simulink9.2.1 Simulink模块库模块库 3. 3.Continuous Continuous 库库 该库包含描述线性函数的模块。双击该库包含描述线性函数的模块。双击 即弹出下图：即弹出下图： ：微分环节。其输出为其输入信号的微分。如下图为输入斜坡信号时微分环节的输出：24243. 3.Continuous Continuous 库库 ：积分环节。其输出为
24、其输入信号的积分。积分环节。其输出为其输入信号的积分。双双击击该该模模块块, ,弹弹出出积积分分器器的的参参数数对对话话框框, ,可可设设置置积积分分器器的的复复位位、积积分分上上限限和和下下限限等等。当当设设置置为为信信号号下下跳跳过过零零复复位位、积积分分器器限限幅为幅为 5 5时，积分器对谐波输入的输出如图所示：时，积分器对谐波输入的输出如图所示：25259.2.1 Simulink9.2.1 Simulink模块库模块库 3. 3.Continuous Continuous 库库 ：分子分母为多项式形式的传递函数。：分子分母为多项式形式的传递函数。双双击击该该模模块块，弹弹出出传传递递
25、函函数数的的参参数数对对话话框框，设设置置框框图图中中的的参参数后，该传递函数显示如下：数后，该传递函数显示如下：26269.2.1 Simulink9.2.1 Simulink模块库模块库 3. 3.Continuous Continuous 库库 ：零极点增益形式的传递函数。：零极点增益形式的传递函数。双双击击该该模模块块，弹弹出出传传递递函函数数的的参参数数对对话话框框，设设置置框框图图中中的参数后，该传递函数显示如下：的参数后，该传递函数显示如下：27279.2.1 Simulink9.2.1 Simulink模块库模块库 4. 4.Math Math 库库 该该库库包包含含描描述述一
26、一般般数数学学函函数数的的模模块块。双双击击 即即弹弹出出右右图。图。该该库库中中模模块块的的功功能能就就是是将将输输入入信信号号按按照照模模块块所所描描述述的的数数学学运运算算函函数数计计算算，并并把把运运算算结结果果作作为为输出信号输出。输出信号输出。28289.2.1 Simulink9.2.1 Simulink模块库模块库 4. 4.Math Math 库库 ：加法器加法器加法器加法器。该该模模块块为为求求和和装装置置。求求和和器器形形状状，输输入入信信号号个个数数和和符符号号可设置，如右边框图。若设置如框图。则模块显示为：可设置，如右边框图。若设置如框图。则模块显示为：29299.2
27、.1 Simulink9.2.1 Simulink模块库模块库 4. 4.Math Math 库库 ：符号函数符号函数符号函数符号函数。 该该模模块块的的输输出出为为输输入入信信号号的的符符号号。下下图图为为对对正正弦弦信信号号经经符号运算后的波形。符号运算后的波形。30304. 4.Math Math 库库 ：实现一个数学函数。：实现一个数学函数。 右右图图为为该该函函数数的的参参数数设设置置框框。点点击击函函数数设设置置的的下下拉拉窗窗口口，可可选选择择所所需需要要的的函函数数。选选定定函函数数后后，该该模模块块图图标标将将显显示示所所选选函函数。如选择数。如选择“ “SquareSqua
28、re” ”，则模块图标变为：，则模块图标变为：31319.2.1 Simulink9.2.1 Simulink模块库模块库 5. 5.Signals & Systems Signals & Systems 库库库库 ：信号分路器信号分路器 。 将将混混路路器器输输出出的的信信号号依依照照原原来来的的构构成成方方法法分分解解成成多多路路信信号。号。 ：信号汇总器：信号汇总器 将多路信号依照向量的形式混合成一路信号。将多路信号依照向量的形式混合成一路信号。 (a)(b)32329.2.2 Simulink9.2.2 Simulink环境下的仿真运行环境下的仿真运行 1. 1.仿真参数对话框仿真参数
29、对话框 点点击击SimullinkSimullink模模型型窗窗simulationsimulation菜菜单单下下的的ParametersParameters命命令令，弹弹出出仿仿真真参参数数对对话话框框如如右右图图所所示示。它它共共有有5 5页页，用用得得较较多多的的主主要要是是SolverSolver页页和和Workspace I/OWorkspace I/O页页。Solver页页Simulation time（仿真时间）: 设置Start time（仿真开始时间）和Stop time（仿真终止时间）可通过页内编辑框内输入相应数值，单位“秒”。另外，用户还可以利用Sinks库中的Stop
30、模块来强行中止仿真。3333Solver页页Solver options（仿真算法选择）: 分为定步长算法和变步长算法两类。定步长支持的算法可在Fixed step size编辑框中指定步长或选择auto，由计算机自动确定步长，离散系统一般默认地选择定步长算法，在实时控制中则必须选用定步长算法；变步长支持的算法如图9-16所示，对于连续系统仿真一般选择ode45，步长范围使用auto项。 图9-15 定步长算法图9-16 变步长算法3434Solver页页Error Tolerance（误差限度）： 算法的误差是指当前状态值与当前状态估计值的差值，分为Relative tolerance（相对
31、限度）和Absolute tolerance（绝对限度），通常可选auto。 Output options(输出选择项)：有Refine output(细化输出）、Produce additional output（产生 附 加 输 出 ） 、 Produce specified output only（只产生指定输出）。 3535Workspace I/OWorkspace I/O页页页页 这这个个页页面面的的作作用用是是定定义义将将仿仿真真结结果果输输出出到到工工作作空空间间，以以及及从从工工作作空空间得到输入和初始状态。间得到输入和初始状态。Load from workspace：勾选相
32、应方框表明从工作空间获得输入或初始状态。 若勾选Input，则工作空间提供输入，且为矩阵形式。输入矩阵的第一列必须是升序的时间向量，其余列分别对应不同的输入信号。t=(0:0.1:10);u=cos(t),sin(t);如在指令窗中输入：且在模型窗中的模型为：3636Workspace I/OWorkspace I/O页页页页 这这个个页页面面的的作作用用是是定定义义将将仿仿真真结结果果输输出出到到工工作作空空间间，以以及及从从工工作作空空间得到输入和初始状态。间得到输入和初始状态。Save to workspace：勾选相应方框表明保存输出到MATLAB工作空间。 time 和 output
33、 为缺省选中的。即一般运行一个仿真模型后，在MATLAB 工作空间都会增加两个变量tout、yout。变量名可以设置。Save options（存储选项）：存储数据到工作空间的格式，可选数组、构架数组、包含时间数据的构架数组。37372. 2.SimulinkSimulink中的中的中的中的LTI ViewerLTI Viewer 在在SimulinkSimulink中中建建立立的的仿仿真真模模型型也也可可直直接接输输入入到到LTI LTI ViewerViewer中中进进行行分分析析，具体方法如下具体方法如下: :在在Simulink Simulink 模型窗建立起仿真模型模型窗建立起仿真模
34、型( (线性系统线性系统) )。点点击击SimulinkSimulink模模型型窗窗上上的的【ToolTool：Linear Linear analysisanalysis】，在在弹弹出出的的界界面中将输入输出接点分别复制到仿真模型的输入和输出。面中将输入输出接点分别复制到仿真模型的输入和输出。图9-19 仿真模型的输入输出接点38382. 2.SimulinkSimulink中的中的中的中的LTI ViewerLTI Viewer再再次次点点击击SIMULINKSIMULINK模模型型窗窗上上的的ToolToolLinear Linear analysisanalysis，打打开开LTI L
35、TI ViewerViewer仿仿真真界界面面，点点击击该该界界面面上上Simulink Simulink Get Get Linearized Linearized ModelModel选选项项，即即画画出出系系统统的的阶阶跃跃响响应应曲曲线线，表表明明SIMULINKSIMULINK中中的的仿仿真真模模型型已已和和LTI LTI ViewerViewer相相连连接接，因因此此可可利利用用LTI LTI ViewerViewer对对该该系系统统进进行行分析。分析。图9-20 LTI Viewer获取模型窗中模型图9-21 LTI Viewer绘制的阶跃响应曲线39392. 2.Simulin
36、kSimulink中的中的中的中的LTI ViewerLTI Viewer如如果果在在SimulinkSimulink模模型型窗窗对对已已输输入入到到LTI LTI ViewerViewer中中的的模模型型进进行行了了修修改改，应应重重复复步步骤骤（3 3）重重新新装装入入模模型型，并并删删除除掉掉旧旧模模型型。方方法法是是点点击击LTI LTI ViewerViewer仿仿真真界界面面上上的的【EditEditDelete Delete systemssystems】，在在弹弹出出的对话框中，进行模型的删除，如图的对话框中，进行模型的删除，如图9-229-22所示。所示。图9-22 模型的删
37、除back40409.3 9.3 子系统创建与封装子系统创建与封装子系统创建与封装子系统创建与封装n n在在建建立立的的SimulinkSimulink系系统统模模型型比比较较大大或或很很复复杂杂时时，可可将一些模块组合成子系统，这样可使将一些模块组合成子系统，这样可使模型得到简化，便于连线；模型得到简化，便于连线；可提高效率，便于调试；可提高效率，便于调试；可可生生成成层层次次化化的的模模型型图图表表，用用户户可可采采取取自自上上而下或自下而上的设计方法。而下或自下而上的设计方法。n n将将一一个个创创建建好好的的子子系系统统进进行行封封装装，也也就就是是使使子子系系统统象象一一个个模模块块
38、一一样样，例例如如可可以以有有自自己己的的参参数数设设置置对对话话框框，自自己己的的模模块块图图标标等等。这这样样就就使使子子系系统统使使用用起起来来非常方便。非常方便。 41419.3 9.3 子系统创建与封装子系统创建与封装子系统创建与封装子系统创建与封装9.3.1 9.3.1 子系统的创建子系统的创建子系统的创建子系统的创建1. 1.通过子系统模块来建立子系统通过子系统模块来建立子系统n n在在SimulinkSimulink库库浏浏览览器器，有有一一个个子子系系统统(Subsystems)(Subsystems)的的库库模模块块( (有有的的版版本本在在Signals Signals
39、& & SystemsSystems子子库库里里) )，点点击击该该图图标标即即可看到不同类型的子系统模块。可看到不同类型的子系统模块。子模块库MATLAB6.0 版MATLAB6.5 版42421. 1.通过子系统模块来建立子系统通过子系统模块来建立子系统n n下下面面以以PIDPID控控制制器器子子系系统统创创建建，说明子系统的创建过程：说明子系统的创建过程：将将 子子 系系 统统 库库 模模 块块 中中 的的SubsystemSubsystem模模块块复复制制到到模模型型窗窗，如图如图9-239-23。双双击击该该图图标标即即打打开开该该子子系系统统的编辑窗口，如图的编辑窗口，如图9-2
40、49-24；图9-23 子系统模块复制到模型窗图9.24 原始子系统模块的内部结构型窗4343n nPIDPID控制器子系统创建过程：控制器子系统创建过程：将组成子系统的模块填加到子系统编辑窗口：将组成子系统的模块填加到子系统编辑窗口：将模块按设计要求连接：将模块按设计要求连接：4444n nPIDPID控制器子系统创建过程：控制器子系统创建过程：设设置置子子系系统统各各模模块块参参数数（可可以以是是变变量量）；修修改改 in1 in1 和和 out1 out1 模模块块下面的标签；下面的标签；关关闭闭子子系系统统的的编编辑辑窗窗口口，返返回回模模型型窗窗口口，修修改改子子系系统统的的标标签签
41、（PIDPID），该），该PIDPID子系统即可作为模块在构造系统模型时使用。子系统即可作为模块在构造系统模型时使用。 4545n nPIDPID控制器子系统创建过程：控制器子系统创建过程：设设置置子子系系统统各各模模块块参参数数（可可以以是是变变量量）；修修改改 in1 in1 和和 out1 out1 模模块块下面的标签；下面的标签；关关闭闭子子系系统统的的编编辑辑窗窗口口，返返回回模模型型窗窗口口，修修改改子子系系统统的的标标签签（PIDPID），该），该PIDPID子系统即可作为模块在构造系统模型时使用。子系统即可作为模块在构造系统模型时使用。 46469.3 9.3 子系统创建与封装
42、子系统创建与封装子系统创建与封装子系统创建与封装9.3.1 9.3.1 子系统的创建子系统的创建子系统的创建子系统的创建2. 2.组合已存在的模块来建立子系统组合已存在的模块来建立子系统 如果现有的模型已经包含了需要转化成子系统的模块，就可以如果现有的模型已经包含了需要转化成子系统的模块，就可以通过组合这些模块的方式建立子系统。步骤如下：通过组合这些模块的方式建立子系统。步骤如下：确定需建立确定需建立SubsystemSubsystem的模型（被选中的均标记有黑块）的模型（被选中的均标记有黑块）图9-27 圈选欲建子系统的模块47472. 2.组合已存在的模块来建立子系统组合已存在的模块来建立
43、子系统 点点 击击 模模 型型 窗窗 EditEdit菜菜 单单 下下 的的Create Create Subsystem Subsystem 命命令令，则则所所选选定定的的模模型型组组合合自自动动转转化化成成子系统子系统：双击该图标，可打开该子系统窗口，改写输入输出符号：关闭子系统编辑窗口，设置子系统标签，则系统模型如下图所示：48489.3 子系统创建与封装子系统创建与封装9.3.2 9.3.2 子系统的封装子系统的封装 n n子系统可以建立自己的参数设置对话框，以避免对子子系统可以建立自己的参数设置对话框，以避免对子系统内的每个模块分别进行参数设置，因此在子系统系统内的每个模块分别进行参
44、数设置，因此在子系统建立好以后，需对其进行封装。子系统封装的基本步建立好以后，需对其进行封装。子系统封装的基本步骤如下：骤如下：设置好子系统中各模块的参数变量；设置好子系统中各模块的参数变量；定义提示对话框及其特性；定义提示对话框及其特性；定义被封装子系统的描述和帮助文档；定义被封装子系统的描述和帮助文档；定义产生模块图标的命令。定义产生模块图标的命令。49499.3 9.3 子系统创建与封装子系统创建与封装子系统创建与封装子系统创建与封装9.3.2 9.3.2 子系统的封装子系统的封装 1. 1. 设置子系统参数变量设置子系统参数变量 将原子系统中的常数改为变量,其中饱和环节的上、下限分别设
45、为au、ab (需打开该环节的参数设置框).50509.3.2 9.3.2 子系统的封装子系统的封装 2. 2.产生提示对话框产生提示对话框 n n选选择择需需要要封封装装的的子子系系统统，从从模模型型窗窗口口的的 Edit Edit 菜菜单单选选择择Mask Mask SubsystemSubsystem命命令令，即即弹弹出出封封装装编辑器：编辑器：51512. 2.产生提示对话框产生提示对话框 n n该编辑器分为四页该编辑器分为四页(MATLAB6.5(MATLAB6.5版版) )：Icon(Icon(图标图标) )页页Parameters(Parameters(参数页参数页) )Init
46、ialiation(Initialiation(初始化初始化) )页页Documentation(Documentation(文档文档) )页页 其其中中对对于于子子系系统统封封装装最最关关键键的的是是ParametersParameters项项，用用于于设设置置参参数数变变量量及及其类型等。其类型等。52529.3.2 9.3.2 子系统的封装子系统的封装 2. 2.产生提示对话框产生提示对话框n nParametersParameters页页 AddDeleteUpDown提示符变量名直接输入变量名变量的类型为数值变量的数值可在线调节53532. 2.产生提示对话框产生提示对话框 n n假
47、假定定子子系系统统（Nonlinear Nonlinear systemsystem）的的参参数数变变量量名名已已由由封封装装编编辑辑器器全全部部输输入入。双双击击该该子子系系统统图图标标，即即弹弹出出如如图图所所示示子子系系统统的的参参数数设设置置框框图图。如如图图所所示示逐逐栏栏输输入入与与变变量量所所对对应应的的参参数数，即即完完成成对对该子系统的参数设置。该子系统的参数设置。54549.3 9.3 子系统创建与封装子系统创建与封装子系统创建与封装子系统创建与封装9.3.3 9.3.3 条件子系统条件子系统条件子系统条件子系统1. 1.使能子系统使能子系统n n该该子子系系统统当当使使能
48、能端端控控制制信信号号为为正正时时，系系统统处处于于“ “允允许许” ”状状态态，否否则则为为“ “禁禁止止” ”状状态态。“ “使使能能” ”控控制制信信号号可可以以为为标标量量，也也可可以以为为向向量量。当当为为标标量量信信号号时时，只只要要该该信信号号大大于于零零，子子系系统统就就开开始始执执行行；当当为为向向量量信信号号时时，只只要要其其中中一一个个信信号号大大于零，也于零，也“ “使能使能” ”子系统。子系统。5555【例9-3】积分分离式PID控制器。这种PID控制器可以让控制器中的积分项在系统响应进入稳态时投入运行，以提高稳态精度；而在系统响应处于瞬态过程时，将积分项断开以改善系
49、统动态响应质量。积分分离式PID控制器建立如图所示： 使能模块的控制信号为delta与abs(e)的差值。delta为一很小的正数，当偏差e的绝对值小于delta时，控制器的积分项才投入使用，从而实现了控制器中的积分项的分离控制。56569.3.3 9.3.3 条件子系统条件子系统条件子系统条件子系统2. 2.触发子系统触发子系统n n触触发发子子系系统统只只在在触触发发事事件件发发生生的的时时刻刻执执行行。所所谓谓触触发发事事件件也也就就是是触触发发子子系系统统的的控控制制信信号号，一一个个触触发发子子系系统统只只能能有有一一个控制信号，在个控制信号，在SimulinkSimulink中称之
50、为触发输入。中称之为触发输入。(a) 触发子系统模块(b) 触发子系统模型n触发事件有4种类型，即上升沿触发、下降沿触发、跳变触发和回调函数触发。双击触发子系统中的触发器模块（Trigger），在弹出的对话框中可选择触发类型。 5757触发子系统应用的一个示例。触发器设为下降沿触发，正弦输入经触发控制后，成为阶梯波，如图所示。系统仅在脉冲信号的下降沿导通，并保持导通时刻的输入值至下一个脉冲下降沿。back58589.4 Simulink9.4 Simulink仿真举例仿真举例仿真举例仿真举例9.4.1 9.4.1 悬吊式起重机动力学仿真悬吊式起重机动力学仿真悬吊式起重机动力学仿真悬吊式起重机动
51、力学仿真 1.1.悬吊式起重机动力学方程悬吊式起重机动力学方程mtmp Fx图9-54 悬吊式起重机结构简图l式中，mt、mp、I、c、l、F、x、 分别为起重机的小车质量、吊重、吊重惯量、等价粘性摩擦系数、钢丝绳长（不计绳重），小车驱动力、小车位移以及钢丝绳的摆角。小车水平方向受力方程 吊绳垂直方向受力方程小车的力矩平衡方程由（2）、（3）式去掉P，则有59599.4.1 9.4.1 悬吊式起重机动力学仿真悬吊式起重机动力学仿真 2. 2.悬吊式起重机动力学悬吊式起重机动力学SimulinkSimulink仿真仿真n n为便于建模，将起重机动力学方程改写为：为便于建模，将起重机动力学方程改写
52、为：由以上二式可建立如图所示的起重机Simulink模型 ：图中：lmp=mpl60602. 2.悬吊式起重机动力学悬吊式起重机动力学SimulinkSimulink仿真仿真n n在在运运行行仿仿真真模模型型前前，须须先先计计算算出出k1k1、k2k2和和lmplmp。设设m mt t =50kg=50kg，m mp p=270kg=270kg，l l=4m=4m，c c=20N/m=20N/m s s，在在MATLABMATLAB指指令令窗窗输输入入以以下下指令指令l=4;c=20;mp=270;mt=50;I=mp*l2; %计算吊重转动惯量lmp=l*mp;k1=1/(mt+mp);k2
53、=mp*l/(I+mp*l2);61612. 2.悬吊式起重机动力学悬吊式起重机动力学SimulinkSimulink仿真仿真n n设设置置仿仿真真时时间间为为200s200s，启启动动SimulinkSimulink仿仿真真，则则由由小小车车位位移移示示波波器器和和吊吊重重摆摆角角示示波波器器，可可观观察察到到系系统统在在初初始始状状态态x x(0)=0, (0)=0, , , (0)=0.01rad/s, (0)=0.01rad/s, 作用下作用下x x、 的变化过程曲线：的变化过程曲线： 悬吊式起重机小车位移悬吊式起重机吊重摆角6262练 习 教材208-210页:1、2、3、5题back6363
