SIMULINK仿真基础

长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-251 SIMULINK交互式仿真集成环境 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-252 在工程实际中，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的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。1990年，Math Works软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名SIMULINK。SIMULINK的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。顾名思义，该软件的名称表明了该系统的两个主要功能Simu（仿真）和Link（连接），即该软件可以利用鼠标在模型窗口上绘制出所需要的控制系统模型，然后利SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真和分析。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-253 SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。一、什么是SIMULINK 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-254 所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。SIMULINK包含有Sinks（接受器）Source（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自己的模块。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-255SIMULINK模型有以下几层含义：l在视角上表现为直观的方块图；l在文件上则是扩展名为MDL的ASCII代码；l在数学上体现了一组微分方程或差分方程；l在行为上模拟了物理器件构成的实际系统的动态形状。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-256二、SIMULINK的启动由于Simulink是基于MATLAB环境之上的高性能的系统级仿真设计平台，因此启动Simulink之前必须首先运行MATLAB，然后才能启动Simulink并建立系统模型。启动Simulink有3种方式：用命令行方式启动Simulink。即在MATLAB的命令窗口中直接键入如下命令：simulink使用工具栏按钮启动Simulink。即用鼠标单击MATLAB工具栏中的Simulink按钮。Start菜单 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-257 依次表示新建、打开系统模型文件 依次表示新建、打开与保存系统模型文件 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-258三、SIMULINK的模块库介绍SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下子库：Commonly Used Blocks(常用模块)Continuous（连续模块）Discontinuous（非连续模块）Discrete（离散模块）Logic and Bit Operations（逻辑与二进制操作模块）Lookup Operations（寻表操作模块）Math Operations（数学模块）Model Verification（模型确认操作模块）ModelWide Utilities（模块库）Ports&Subsystem（端口与子系统模块）Signal Routing（信号路由模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）User-Defined Funcions（自定义函数模块）Additional Math&Discrete（附带操作模块）长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-259、Sources（输入源模块）Clock：时钟信号。Constant：常数信号。From Workspace：来自MATLAB的工作空间。From)：来自数据文件。Pulse Generator：脉冲发生器。Repeating Sequence：重复信号。Signal Generator：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿波及随意波。Sine Wave：正弦波信号。Step：阶跃波信号。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2510、Sources（输入源模块）In1：输入端口模块用来反映整个系统的输入端，在模型线性化与命令行仿真时，可作为信号源输入。接地模块（Ground）:一般用于表示零输入模块，如果一个模块的输入端没有接其他任何模块，仿真往往会出现警告，这样可以将该模块接入，功能类似于终结模块（Terminator）From File：从文件输入数据模块，从.mat文件输入From Workshop：从工作区输入数据模块，从MATLAB工作区输入。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2511、Sources（输入源模块）Constant：常用模块，产生不变的常数。在模型线性化与命令行仿真时，可作为信号源输入。Singal Generator:信号发生器模块，可产生正弦、方波、锯齿波等信号，并且可设置幅度和频率等。Pulse Generator:脉冲发生器模块产生脉冲信号，可以设置幅度、周期、宽度等信息。Singal Builder:信号构造模块，在模块窗口双击此模块在弹出的对话框中绘制信号，即可构造出所需的信号。Ramp:斜坡信号模块，产生斜坡信号。Sine Wave:正弦波信号模块，产生正弦波信号。Step:阶跃信号模块，产生阶跃信号。Repeating Sequence:重复信号模块，可构造重复输入的信号。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2512、Sources（输入源模块）Random Number:变频信号模块，产生正态分布随机信号。Uniform Random Number:均匀分布随机信号模块，产生均匀分布的随机信号。Band-Limited White Noise:限带白噪声，一般用于连续或混合系统的白噪声信号输入。Repeating Sequence Stair:重复离散信号模块，构造可重复输入的离散信号，样本间信号采用零阶保持。Repeating Sequence Interpolated:重复离散信号模块，构造可重复输入的离散信号，样本间信号采用线性插值。Counter Free-Running:累加信号模块，信号不断累加，当累加的信号大于2n-1时,信号自动回零Clock:时钟模块，用于显示和提供仿真时间信号。Digital Clock:数字时钟模块，用于显示在制定的样本间隔内的时间，其他情况保持时间不变。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2513、Sinks（接收器模块）Out1:输出到动作空间模块，用来反映整个系统的输出端，这样的设置在模块线性化与命令行仿真时是必须的，在系统直接仿真时，这样的输出将自动在MATLAB工作空间中生成变量。Terminate:终结模块，用来终结输出信号，在仿真的时候可以避免用于某些模块的输出端无连接信号而导致的警告。To File：输出数据到文件模块，将模块输入的数据输出到.mat文档中。To Workspace:输出数据到工作区模块，将模块输入的数输出到工作区当中。Scope:示波器模块，（将输入信号输入到示波器中显示出来。XY Graph:X-Y示波器模块，将两路信号分别作为示波器的两个坐标轴，以显示信号的相轨迹。isplay：显示模块，以数值形式显示模块Stop Simulation:终止仿真模块，如果输入为零，则强制终止仿真。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2514、连续模块（Continuous）Integrator：输入信号积分Derivative：输入信号微分State-Space：线性状态空间系统模型Transfer-Fcn：线性传递函数模型Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2515、离散模块（Discrete）Unit Delay：一个采样周期的延时Discrete-time Integrator：离散时间积分器Discrete Filter：IIR与FIR滤波器Discrete State-Space：离散状态空间系统模型Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型First-Order Hold：一阶采样保持器Zero-Order Hold：零阶采样保持器 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2516离散系统模块库及其功能模块功能说明模块功能说明：线性离散系统的传递函数描述 线性离散系统的零极点模型描述 线性离散系统的滤波器描述 线性离散系统的状态空间描述 离散时间积分器 离散信号的一阶保持器 单位延迟 离散信号的零阶保持器 模块功能说明模块功能说明：线性离散系统的传递函数描述 线性离散系统的零极点模型描述 线性离散系统的滤波器描述 线性离散系统的状态空间描述 离散时间积分器 离散信号的一阶保持器 单位延迟 离散信号的零阶保持器 模块功能说明：线性离散系统的传递函数描述线性离散系统的零极点模型描述线性离散系统的滤波器描述线性离散系统的状态空间描述离散时间积分器离散信号的一阶保持器单位延迟离散信号的零阶保持器 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2517数学运算库及其功能模模 块块 功功 能能 说说 明明：求 取 信 号 的 绝 对 值 输 出 强 制 系 统 输 入 为 零 的 代 数 状 态 按 位 逻 辑 运 算 逻 辑 真 值 查 找 输 出 输 入 复 数 的 幅 值 与 相 位 输 出 系 统 输 入 的 实 部 或 虚 部 点 乘 运 算 信 号 增 益 信 号 逻 辑 运 算 幅 值 与 相 位 转 化 为 复 数 形 式 特 定 的 一 些 数 学 函 数 矩 阵 增 益 求 取 输 入 的 最 小 或 最 大 值 乘 法 或 除 法 器 从 输 入 实 部 与 虚 部 构 造 复 数 关 系 运 算 器 求 整 运 算 器 符 号 运 算 渐 变 增 益 对 输 入 求 和 或 差 三 角 与 双 曲 函 数 模块功能说明：求取信号的绝对值输出强制系统输入为零的代数状态按位逻辑运算逻辑真值查找输出输入复数的幅值与相位输出系统输入的实部或虚部点乘运算信号增益信号逻辑运算幅值与相位转化为复数形式特定的一些数学函数矩阵增益求取输入的最小或最大值乘法或除法器从输入实部与虚部构造复数关系运算器求整运算器符号运算渐变增益对输入求和或差三角与双曲函数 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2518函数与表库及其功能 模模 块块 功功 能能 说说 明明：表 数 据 选 择 器（从 表 中 选 择 数 据）求 取 输 入 信 号 的 数 学 函 数 值 对 输 入 信 号 进 行 内 插 运 算 输 入 信 号 的 一 维 线 性 内 插 输 入 信 号 的 二 维 线 性 内 插 输 入 信 号 的n 维 线 性 内 插 M 函 数，对 输 入 进 行 运 算 输 出 结 果 多 项 式 求 值 查 找 输 入 信 号 所 在 范 围 S 函 数 模 块 S 函 数 生 成 器 模块功能说明：表数据选择器（从表中选择数据）求取输入信号的数学函数值对输入信号进行内插运算输入信号的一维线性内插输入信号的二维线性内插输入信号的n 维线性内插M 函数（对输入进行运算输出结果）多项式求值查找输入信号所在范围S-函数模块S-函数生成器 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2519非线性系统模块库及其功能2模模块块功功能能说说明明：死区间隙库仑粘滞信号死区信号双输出选择器（手动）多端口输出选择器量化器信号上升、下降速率控制器信号延迟器饱和信号三路选择器、根据输入控制输出模块功能说明：死区间隙库仑粘滞信号死区信号双输出选择器（手动）多端口输出选择器量化器信号上升、下降速率控制器信号延迟器饱和信号三路选择器(根据输入2控制输出)长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2520模模 块块 功功 能能 说说 明明：数 据 类 型 转 换 器 信 号 分 解 器 从G o to 模 块 中 获 得 信 号 函 数 调 用 发 生 器 向G o to 模 块 传 递 信 号 G o to 模 块 标 记 控 制 器 将 信 号 与 特 定 的 偏 移 值 比 较 初 始 化 信 号 矩 阵 串 联 器 合 并 输 入 信 号 为 一 个 输 出 模 块 控 制 信 息 信 号 组 合 器 信 号 探 测 器 信 号 维 数 改 变 器 选 择 或 重 组 信 号 信 号 线 属 性 修 改 输 入 信 号 宽 度 模块功能说明：数据类型转换器信号分解器从 Goto模块中获得信号函数调用发生器向 Goto模块传递信号Goto模块标记控制器将信号与特定的偏移值比较初始化信号矩阵串联器合并输入信号为一个输出模块控制信息信号组合器信号探测器信号维数改变器选择或重组信号信号线属性修改输入信号宽度 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2521信号与系统模块库及其功能模模块块功功能能说说明明：对信号进行分配 由输入产生总线信号 总线信号选择器 用户定义的数据存储区 从数据存储区中读取数据 向数据存储区写数据 模块功能说明：对信号进行分配由输入产生总线信号总线信号选择器用户定义的数据存储区从数据存储区中读取数据向数据存储区写数据 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2522模模 块块 功功 能能 说说 明明：可 配 置 子 系 统 原 子 子 系 统 使 能 子 系 统 使 能 触 发 子 系 统 For 循 环 子 系 统 函 数 调 用 子 系 统 If 条 件 子 系 统 条 件 执 行 子 系 统 通 用 子 系 统 子 系 统 示 例 Switch Case 子 系 统 Switch Case 动 作 子 系 统 触 发 子 系 统 当 型 循 环 子 系 统 模块功能说明：可配置子系统原子子系统使能子系统使能触发子系统For 循环子系统函数调用子系统If条件子系统条件执行子系统通用子系统Switch-Case子系统Switch-Case动作子系统触发子系统当型循环子系统 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2523非线性系统模块库及其功能2模模块块功功能能说说明明：死区间隙库仑粘滞信号死区信号双输出选择器（手动）多端口输出选择器量化器信号上升、下降速率控制器信号延迟器饱和信号三路选择器、根据输入控制输出模块功能说明：死区间隙库仑粘滞信号死区信号双输出选择器（手动）多端口输出选择器量化器信号上升、下降速率控制器信号延迟器饱和信号三路选择器(根据输入2控制输出)长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2524建立模型的一般步骤建立模型的一般步骤 建立模型是系统仿真的第一步，模型建立的好坏直接影响到后续的许多工作，建立模型的一般步骤如下：（1）对实际问题或自己的构想进行合理的简化和抽象，使其成为一个可解的数学模型。这要求建模者对问题有深刻的理解，还要求建模者有一定的数学功底，能够把简化后的实际问题或构想抽象成为合适的数学模型。在用Simulink仿真时，则要求抽象的数学模型是可以用Simulink的自带模型库或MATLAB语言进行描述的。（2）把实际问题抽象为数学模型后，就可以在Simulink的模块库中找到对应的基本模块，然后把它们添加到模型窗口。添加操作，只需从Simulink Library Browser中拖动需要的模块到模型窗口中即可。拖动到模型窗口后，下一步就是按照数据流关系把各个模块进行连线操作，为了增加可读性，还需对各个模块、连线、模型进行注释说明，对模块进行编辑、设置。（3）Simulink模型搭键好后就可以进行仿真，任何模型尤其是复杂的模型不可能没有任何Bug，或一次运行成功，与验证数据完全稳和。所以在仿真过程中要不断修改各个模块的属性、仿真的属性，甚至修改模型本身，以使仿真能够尽量真实的反映现时世界 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2525 Simulink帮助中提供了一些有趣、复杂、使用的演示模型，此例是一个关于弹球的力学模型。运行模型步骤：启动MATLAB，在MATLAB命令窗输入 bounce 此命令会启动Simulink，直接打开演示程序模型窗口 该模型是对一个橡胶球，以初速度15m/s，从10m高度竖直上抛后运动过程的仿真。Scope上方显示的是橡胶球的速度随时间的变化曲线，Scope下方显示的是橡胶球随时间变化的曲线。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2526 进行仿真 共有3种方法进行仿真u 在Simulink中选择菜单命令Simulation/Startu 按Ctrl+T快捷键u 单击图标在MATLAB命令窗中输入 sim(bounce.mdl)运行后，Simulink的仿真结果如图所示：如果需要暂停或结束仿真，方法如下：1）在Simulink中选择菜单命令Simulation/Stop 2）单击 表示暂停，单击 表结束 仿真运行结束后，选择菜单命令或直接点右上角的来关闭程序。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2527四、SIMULINK简单模型的建立及模型特点1、简单模型的建立 exp1.mdl 建立模型窗口 将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口 对模块进行连接，从而构成需要的系统模型2、模型的特点在SIMULINK里提供了许多如Scope的接收器模块，这使得用SIMULNK进行仿真具有像做实验一般的图形化显示效果。SIMULINK的模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统。SIMULINK提供了对子系统进行封装的功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2528 SIMULINK功能模块的处理模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳（选中模块，按住鼠标左键不放）而放到模型窗口中进行处理。在模型窗口中，选中模块，则其4个角会出现黑色标记。此时可以对模块进行以下的基本操作。q移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳。q复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块。q删除：选中模块，按Delete键即可。若要删除多个模块，可以同时按住Shift键，再用鼠标选中多个模块，按Delete键即可。也可以用鼠标选取某区域，再按Delete键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删除。功能模块的基本操作，包括模块的移动、复制、删除、转向、改变大小、模块命名、颜色设定、参数设定、属性设定、模块输入输出信号等。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2529q转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。在菜单Format中选择Flip Block旋转180度，选择Rotate Block顺时针旋转90度。或者直接按Ctrl+F键执行Flip Block，按Ctrl+R键执行Rotate Block。q改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳即可。q模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改即可。名称在功能模块上的位置也可以变换180度，可以用Format菜单中的Flip Name来实现，也可以直接通过鼠标进行拖曳。Hide Name可以隐藏模块名称。q颜色设定：Format菜单中的Foreground Color可以改变模块的前景颜色，Background Color可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过Screen Color来改变。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2530q参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进行参数设定。参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助，为获得更详尽的帮助，可以点击其上的help按钮。通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。q属性设定：选中模块，打开Edit菜单的Block Properties可以对模块进行属性设定。包括Description属性、Priority优先级属性、Tag属性、Open function属性、Attributes format string属性。q模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一种单一信号，而向量信号为一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输入信号，模块都具有一种“智能”的识别功能，能自动进行匹配。某些模块通过对参数的设定，可以使模块输出向量信号。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2531EXP2 演示“示波”模块的向量显示能力。有两个（标量）输入信号：锯齿波w(t)和正弦波s(t)。经“复用”模块，形成一个向量波形v(t)。“示波”模块具有显示向量波形能力。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2532EXP3 演示“求和”模块的向量处理能力：输入扩展。本例子假设“求和”模块有两个输入端：一个输入三元向量1 2 3，另一个输入标量4。该模块执行功能的数学表达为：1 2 3+4=5 6 7，在此“求和”模块的第2个输入被扩展。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2533EXP4 演示“增益”模块的向量处理能力：参数扩展。本例假设“增益”模块有一个输入3元向量1 2 3。该模块执行功能的数学表达式为：1 2 3x0.5=0.5 1 1.5.例exp5.mdl exp6.mdl 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2534 SIMULINK线的处理 exp7.mdl 改变粗细：线所以有粗细是因为线引出的信号可以是标量信号或向量信号，当选中Format菜单下的Wide nonscale Lines时，线的粗细会根据线所引出的信号是标量还是向量而改变，如果信号为标量则为细线，若为向量则为粗线。选中Format:Signal dimensions则可以显示出向量引出线的宽度，即向量信号由多少个单一信号合成。设定标签：只要在线上双击鼠标，即可输入该线的说明标签。也可以通过选中线，然后打开Edit菜单下的Signal Properties进行设定，其中signal name属性的作用是标明信号的名称，设置这个名称反映在模型上的直接效果就是与该信号有关的端口相连的所有直线附近都会出现写有信号名称的标签。SIMULINK模型的构建是通过用线将各种功能模块进行连接而构成的。用鼠标可以在功能模块的输入与输出端之间直接连线。所画的线可以改变粗细、设定标签，也可以把线折弯、分支。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2535线的折弯：按住Shift键，再用鼠标在要折弯的线处单击一下，就会出现圆圈，表示折点，利用折点就可以改变线的形状。线的分支：按住鼠标右键，在需要分支的地方拉出即可以。或者按住Ctrl键，并在要建立分支的地方用鼠标拉出即可。彩色显示信号线：SIMULINK所建离散系统模型允许许多个采样频率。为了清除显示不同采样频率的模块及信号线，请点选菜单Format:Sampel Time Color。经此操作后，SIMULINK将用不同颜色显示采样频率不同的模块和信号线。默认红色表示最高采样频率，黑色表示连续信号流经的模块及线。插入模块：如果模块只有一个输入口和一个输出口，那么该模块可以直接被插入到一条信号线中去。方法是：选中待插入模块，按下鼠标左键，拖动至希望插入的信号线上，释放鼠标。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2536示波器示波器的用途 可接受向量信号；在仿真过程中，实时显示（标量或向量）信号波 形，但该波形不能被直接打印或嵌入文件。不管示波器窗是否打开，只要仿真一启动，示波器缓冲区就接受送 来的信号，该缓冲区可以接受多达30个不同信号，它们以列的方 式排列。数据长度的缺省设置是5000。假如，数据长度超出 5000，那么最老的“历史”数据将被丢弃。示波器窗的工具条示波器左边的手工设置示波器横坐标的设置把示波器数据送入MATLAB工作空间多信号显示区设置设置为游离示波器 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2537仿真的配置仿真的配置SIMULIK模型本质上是一个计算机程序，它定义了描写被仿真系统 的一组微分或差分方程。当选中模型窗菜单simulation:start时，SIMULINK就开始用一种数值解算方法去求解方程。在进行仿真前，用户假如不采用“厂家”缺省设置，那么就必须对各 种仿真参数进行配置。这包括：仿真的起始和终止时刻的设定；仿 真步长的选择；各种仿真容差的选定；数值积分算法的选择；是 否从外界获得数据；是否向外界输出数据等。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2538 在Simulink模型窗口选择Simulation/Configuration Parameters命令，弹出所示的仿真参数设置对话框。图中左侧列表框中的目录树包括Solver、Data Import/Export、Optimization、Diagnostics、Hard ware Implementation、Model Referencing和Real-Time Workshop等几项。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2539一、设置仿真参数和选择解法器设置仿真参数和选择解法器，选择Simulation菜单下的Parameters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面来管理仿真的参数。qSolver页，它允许用户设置仿真的开始和结束时间，选择解法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。qWorkspace I/O页，作用是管理模型从MATLAB工作空间的输入和对它的输出。qDiagnostics页，允许用户选择Simulink在仿真中显示的警告信息的等级。构建好一个系统的模型之后，接下来的事情就是运行模型，得出仿真结果。运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：设置仿真参数，启动仿真和仿真结果分析。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2540解数器的参数设置 解数器的设置如图所示，包括两个选项组Simulation time和solver option，可以设置仿真起止时间、求解器大小、误差大小等。包括两个选项组Simulation time和solver option，可以设置仿真起止时间、求解器大小、误差大小等。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2541此页可以进行的设置有：选择仿真开始和结束的时间；选择解法器，并设定它的参数；选择输出项。q仿真时间：注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示，比如10秒的仿真时间，如果采样步长定为0.1，则需要执行100步，若把步长减小，则采样点数增加，那么实际的执行时间就会增加。一般仿真开始时间设为0，而结束时间视不同的因素而选择。总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。q仿真步长模式：用户在Type后面的第一个下拉选项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的有Variable-step（变步长）和Fixed-step（固定步长）方式。变步长模式可以在仿真的过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测。用户还可以在第二个下拉选项框中选择对应模式下仿真所采用的算法。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2542变步长模式解法器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。qode45：缺省值，四/五阶龙格库塔法，适用于大多数连续或离散系统，但不适用于刚性（stiff）系统。它是单步解法器，也就是，在计算y(tn)时，它仅需要最近处理时刻的结果y(tn-1)。一般来说，面对一个仿真问题最好是首先试试ode45。qode23：二/三阶龙格库塔法，它在误差限要求不高和求解的问题不太难的情况下，可能会比ode45更有效。也是一个单步解法器。qode113：是一种阶数可变的解法器，它在误差容许要求严格的情况下通常比ode45有效。ode113是一种多步解法器，也就是在计算当前时刻输出时，它需要以前多个时刻的解。qode15s：是一种基于数字微分公式的解法器（NDFs）。也是一种多步解法器。适用于刚性系统，当用户估计要解决的问题是比较困难的，或者不能使用ode45，或者即使使用效果也不好，就可以用ode15s。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2543q ode23s：它是一种单步解法器，专门应用于刚性系统，在弱误差允许下的效果好于ode15s。它能解决某些ode15s所不能有效解决的stiff问题。q ode23t：是梯形规则的一种自由插值实现。这种解法器适用于求解适度stiff的问题而用户又需要一个无数字振荡的解法器的情况。q ode23tb：是TR-BDF2的一种实现，TR-BDF2 是具有两个阶段的隐式龙格库塔公式。q discrtet：当Simulink检查到模型没有连续状态时使用它。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2544 固定步长模式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete。q ode5：缺省值，是ode45的固定步长版本，适用于大多数连续或离散系统，不适用于刚性系统。q ode4：四阶龙格库塔法，具有一定的计算精度。q ode3：固定步长的二/三阶龙格库塔法。q ode2：改进的欧拉法。q ode1：欧拉法。q discrete：是一个实现积分的固定步长解法器，它适合于离散无连续状态的系统。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2545q步长参数：对于变步长模式，用户可以设置最大的和推荐的初始步长参数，缺省情况下，步长自动地确定，它由值auto表示。qMaximum step size（最大步长参数）：它决定了解法器能够使用的最大时间步长，它的缺省值为“仿真时间/50”，即整个仿真过程中至少取50个取样点，但这样的取法对于仿真时间较长的系统则可能带来取样点过于稀疏，而使仿真结果失真。一般建议对于仿真时间不超过15s的采用默认值即可，对于超过15s的每秒至少保证5个采样点，对于超过100s的，每秒至少保证3个采样点。qInitial step size（初始步长参数）：一般建议使用“auto”默认值即可。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-25464）Mode（固定步长模式选择）qMultitasking：选择这种模式时，当simulink检测到模块间非法的采样速率转换，它会给出错误提示。所谓的非法采样速率转换指两个工作在不同采样速率的模块之间的直接连接。在实时多任务系统中，如果任务之间存在非法采样速率转换，那么就有可能出现一个模块的输出在另一个模块需要时却无法利用的情况。通过检查这种转换，Multitasking将有助于用户建立一个符合现实的多任务系统的有效模型。q 使用速率转换模块可以减少模型中的非法速率转换。Simulink提供了两个这样的模块：unit delay模块和zero-order hold模块。对于从慢速率到快速率的非法转换，可以在慢输出端口和快输入端口插入一个单位延时unit delay模块。而对于快速率到慢速率的转换，则可以插入一个零阶采样保持器zero-order hold。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-25474）Mode（固定步长模式选择）qSingletasking：这种模式不检查模块间的速率转换，它在建立单任务系统模型时非常有用，在这种系统就不存在任务同步问题。qAuto：这种模式，simulink会根据模型中模块的采样速率是否一致，自动决定切换到multitasking和singletasking。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-25485）仿真精度的定义（对于变步长模式）qRelative tolerance（相对误差）：它是指误差相对于状态的值，是一个百分比，缺省值为1e-3，表示状态的计算值要精确到0.1%。qAbsolute tolerance（绝对误差）：表示误差值的门限，或者是说在状态值为零的情况下，可以接受的误差。如果它被设成了auto，那么simulink为每一个状态设置初始绝对误差为1e-6。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2549仿真数据输入输出设置仿真数据输入输出设置单击单击Configuration Parameters对对话框左侧的目录话框左侧的目录Data Export/Import选项选项 Load from workspace：选中前面的复选框即可从MATLAB工作空间获取时间和输入变量，一般时间变量定义为t，输入变量定义为u。Input:格式为MATLAB表达式，确定从MATLAB工作区输入数据。Initial state:格式为MATLAB表达式，确定模型的初始状态，定义从MATLAB工作空间获得的状态初始值的变量。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2550 Save to workspace：用来设置存往MATLAB工作空间的变量类型和变量名，选中变量类型前的复选框使相应的变量有效。一般存往工作空间的变量包括输出时间向量（Time）、状态向量（States）和输出变量（Output）。Time:设置将模型仿真中的时间导出到工作区时所使用的变量名。State:设置将模型仿真中的状态导出到工作区时所使用的变量名。Output:设置将模型仿真中的输出导出到工作区时所使用的变量名。Final states:设置将模型仿真结束时的状态导出到工作区时所使用的变量名。Signal logging name:用来保存仿真过程中信号记录的变量名。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2551 Save option:包含若干控制选项，允许设置保存到工作区或者从工作区加载数据的各种选项。Limit data point to last:限制导出到工作区的数据个数。Decimation:如果指定为M，Simulink则会每隔M个数据输出一个。Format:设置保存到工作区，或者从工作区载入数据的格式，包括矩阵结构体、带有时间的结构体。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2552q输出选项qRefine output：这个选项可以理解成精细输出，其意义是在仿真输出太稀松时，simulink会产生额外的精细输出，这一点就像插值处理一样。用户可以在refine factor设置仿真时间步间插入的输出点数。q 产生更光滑的输出曲线，改变精细因子比减小仿真步长更有效。精细输出只能在变步长模式中才能使用，并且在ode45效果最好。qProduce additional output：它允许用户直接指定产生输出的时间点。一旦选择了该项，则在它的右边出现一个output times编辑框，在这里用户指定额外的仿真输出点，它既可以是一个时间向量，也可以是表达式。与精细因子相比，这个选项会改变仿真的步长。qProduce specified output only：它的意思是让simulink只在指定的时间点上产生输出。为此解法器要调整仿真步长以使之和指定的时间点重合。这个选项在比较不同的仿真时可以确保它们在相同的时间输出。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2553Optimization优化选项优化选项可以选择不同的选项来提高仿真性能以及产生代码的性能。Simulation and code generation:该选项组的设置对模型仿真和代码生成共同有效。Block reduction optimization:用一个合成的模块代替一组模块，依此来提高模型的执行效率。Conditional input branch execution:该项模型中含有Switch模块或者Multiport模块时使用。当被选中时，该选项在模型中那些需要计算控制输入的，以及每一个时间步长内控制输入所选择的输入数据的Switch模块或者Multiport模块。Signal Storage reuse:促使Simulink重新使用分配的内存模块的输入与输出数据。如果不选中该复选框，将会为每一个模块输出分配一个独立的内存。如果要进行C-MEX函数调试，或者使用Floating Scope和Display模块时，则不选中该复选框。Inline Parameters：默认在仿真过程中可以修改的可调模块参数。选中该复选框，使所有模块都成为不可调模块，可以移动这些模块到仿真环境的外部，从而加快模型的仿真速度以及模型代码的运行速度。Application lifespan(days):设置模型所代表系统的活动周期。这个参数和仿真步长决定了用来保存绝对时间值的固定点模块的数据类型。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2554二、启动仿真设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿真而运行。选择Simulink菜单下的start选项来启动仿真，如果模型中有些参数没有定义，则会出现错误信息提示框。如果一切设置无误，则开始仿真运行，结束时系统会发出一鸣叫声。除了直接在SIMULINK环境下启动仿真外，还可以在MATLAB命令窗口中通过函数进行，格式如下：t,x,y=sim(模型文件名,to tf,simset(参数1,参数值1,参数2,参数值2,)其中to为仿真起始时间，tf为仿真终止时间。t,x,y为返回值，t为返回的时间向量值，x为返回的状态值，y为返回的输出向量值。simset定义了仿真参数，包括以下一些主要参数：AbsTol：默认值为1e-6设定绝对误差范围。Decimation：默认值为1，决定隔多少个点返回状态和输出值。Solver：解法器的选择。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2555连续系统建模连续系统建模 所谓连续时间系统，是指可以用微分方程来描述的系统。现实世界中的多数物理系统都是连续时间的，连续系统可以分为两类：线性的和非线性的。用于建模连续系统的模块大多位于SIMULINK模块组的Contious、Math以及Nonlinear模块库中。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2556线性系统线性系统1.积分模块的功用积分模块的功用EXP8 复位积分器的功用示例 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2557n在此要对积分模块和示波器模块的操作作一些特别说明产生带复位端口的积分模块 在External reset外复位下拉栏中，选择rising项；按ok键，模块就呈现如图所示的两个端口。下端口旁的符号表示：此端口信号由负变正的瞬间，该积分器被强迫置零。产生有两个显示窗口的示波器仿真结果说明 在仿真启动时，积分器从零开始对0.5t进行积分。当复位口信号t-5=0瞬间，积分器被置为零。此后，再对0.5t进行积分。因此第一个显示窗的信号满足：长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2558积分模块直接构造微分方程求解模型积分模块直接构造微分方程求解模型1.改写微分方程：改写为EXP9 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-25593.仿真操作打开示波器窗，选择模型窗中的菜单simulation:start,就可以在示波窗中看到位移x的变化曲线。4.保存在保存在MATLAB工作空间中的数据工作空间中的数据本例为演示起见，同时采用如下本例为演示起见，同时采用如下3种独立途径向种独立途径向MATLAB基本空间存基本空间存放仿真数据：放仿真数据：示波器模块向工作空间存放构架数组示波器模块向工作空间存放构架数组ScopeData;To workspace模块以选定的矩阵方式向工作空间存放数组模块以选定的矩阵方式向工作空间存放数组x_t;模型窗的模型窗的I/O页，以页，以tout,xout名称存放数据在工作空间。名称存放数据在工作空间。n注意：在实际使用时，可根据具体环境，采用以上注意：在实际使用时，可根据具体环境，采用以上3种方法中的任种方法中的任何一种保存仿真数据。换句话说，以上何一种保存仿真数据。换句话说，以上3种数据中的任何一种都可以种数据中的任何一种都可以独立地供用户作进一步分析使用。独立地供用户作进一步分析使用。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2560下面演示如何利用示波器数据ScopeData绘制出所需要的图形：clftt=ScopeData.time;xx=ScopeData.signals.values;xm,km=max(xx);plot(tt,xx,r,LineWidth,4),hold onplot(tt(km),xm,b.,MarkerSize,36),hold offstrmax=char(最大值,t=,num2str(tt(km),x=,num2str(xm);text(6.5,xm,strmax),xlabel(t),ylabel(x)长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2561传递函数模块传递函数模块EXP10 直接利用传递函数模块求解方程 已知传递函数如下：长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2562非线性系统非线性系统 在实际中，严格意义上的线性系统很少存在，大量的系统或器件都是非线性的。为了提高仿真能力，SIMULINK库中包含可许多典型的非线性模块，如间歇非线性模块Backlash、继电器非线性模块Relay、死区非线性模块Dead zone 等。1.建立非线性仿真模型的基本考虑建立非线性仿真模型的基本考虑Exp11 物理背景：如图所示喷射动力车的定位控制问题。要求设计一个控制器，其目的是：当车辆的位移和速度为正时，控制器点燃右发达机；当车辆的位移和速度为负时，控制器点燃左发动机，直至车辆静止在坐标原点。长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2563(1)根据车辆的动态方程，构作基本仿真模型那么仿真模型如下：长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2564图中各模块的设置为：Sum1求和模块:设置模块形状为rectangular,符号列表为-；Sign符号模块：它是参数固定的模块。当输入为正（或负）时，输出是+1 （或-1）；当输入为零时，输出也为零；G1增益模块：据F/m=0.2，所以取增益为0.2；Int1积分模块：它的输入是加速度，输出是速度，初始值为0；Int2积分模块：它的输入是速度，输出是位移，初始值为1；XY Graph 绘图器：它的上、下端口分别作为图形坐标的横、纵坐标变量；(2)为观察仿真时间进程，引入仿真时钟显示它由时钟Clock和数值显示器Display.长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2565 长春理工大学机电工程学院长春理工大学机电工程学院 系统建模与仿真系统建模与仿真2023-3-2566(3)为模仿“车辆速度与位移小于某阀值时被认为控制目标达到”，引入仿真终止环节就本例而言，假设 时，认为控制目标达到，于是终止仿真。具体模块设置：Abs1和Abs2模块：这种模块无须设置。输出总等于输入的绝对值；Sum2模块：符号全为正；CC常数模块：它代表阀值0.01；RO关系运算模块：本例设置该模块的关系运算为，这样当（上端口值下端口值）成立时，该模块输出为1；St