动态系统仿真Simulink

动 态 系 统 仿 真 Simulink （ Dynamic System Simulation） 一 、 Simulink基 本 概 念 和 仿 真 步 骤 计 算 机 仿 真 系 统 仿 真 (Simulation)技 术 也 称 为 系 统 模 拟技 术 , 由 于 计 算 机 技 术 的 发 展 , 1970年 以 后 发 展出 了 利 用 现 代 计 算 机 和 仿 真 软 件 进 行 仿 真 的 计算 机 仿 真 技 术 。 以 MATLAB/Simulink等 为 代 表 的 仿 真 软 件 由于 其 精 度 高 ,通 用 性 强 ,重 复 性 好 ,建 模 迅 速 及 成本 低 廉 等 优 点 ,在 学 术 界 和 工 程 界 得 到 了 广 泛 的使 用 。 simulink简 介Simulink（ 动 态 系 统 仿 真 ） 是 MATLAB的 组 成部 分 之 一 ,提 供 动 态 系 统 的 建 模 、 仿 真 和 综 合分 析 的 集 成 环 境 。 其 特 点 有 ：1 适 应 面 广 。 （ 线 性 、 非 线 性 系 统 ； 离 散 、 连续 及 混 和 系 统 。 ）2 结 构 和 流 程 清 晰 。3 仿 真 精 细 、 提 供 大 量 函 数 模 块 。 w 由 于 matlab和 simulink是 集 成 在 一 起 的 ， 因 此用 户 可 以 在 两 种 环 境 下 对 自 己 的 模 型 进 行 仿 真 、分 析 和 修 改 。w 不 用 命 令 行 编 程 ， 由 方 框 图 产 生 .mdl文 件 （ s函 数 ）w 当 创 建 好 的 框 图 保 存 后 ， 相 应 的 .mdl文 件 就 自动 生 成 ， 这 个 .mdl文 件 包 含 了 该 框 图 的 所 有 图形 及 数 学 关 系 信 息 。w 框 图 表 示 比 较 直 观 ， 容 易 构 造 ， 运 行 速 度 较 快 。simulink简 介 simulink 的 模 型 ： simulink模 型 在 视 觉 上 表 现 为 方 框 图 ， 在 文 件 上 则是 扩 展 名 为 mdl的 ASCII代 码 ； 在 数 学 上 体 现 为 一组 微 分 方 程 或 差 分 方 程 ； 在 行 为 上 模 拟 了 物 理 器件 构 成 的 实 际 系 统 的 动 态 特 性 。simulink 的 一 般 结 构 ：输 入 系 统 输 出simulink简 介 仿 真 原 理w 当 在 框 图 视 窗 中 进 行 仿 真 的 同 时 ， matlab 实 际 上是 运 行 保 存 于 simulink内 存 中 s函 数 的 映 象 文 件 ，而 不 是 解 释 运 行 该 m文 件 。w s函 数 并 不 是 标 准 m文 件 ， 它 m文 件 的 一 种 特 殊 形式 。结 构 图 创 建 方 法w 一 个 动 态 系 统 的 创 建 过 程 ， 就 是 一 个 方 框 图 的 绘制 过 程simulink简 介 使 用 Simulink的 步 骤 ：w建 构 正 确 的 系 统 模 型 。w利 用 仿 真 工 具 去 分 析 模 型 。w判 断 仿 真 输 出 结 果 ， 并 修 正 模 型 。w重 复 上 述 过 程 ， 以 实 现 系 统 的 最 优 化 。 使 用 Simulink的 步 骤 ：模 型建 模 模 型分 析修 正 显 示 Simulink文 件 操 作 和 模 型 窗 口1.文 件 操 作 新 建 文 件 (3种 方 法 ) 打 开 文 件 （ 4种 方 法 ）2.模 型 窗 口 主 界 面 状 态 栏 工 具 栏 选 单 状 态 栏 菜 单 模 型 框 图模 型 浏 览 器 双 窗 口 模 型 窗 口工 具 栏 一 个 例 子 ： 建 构 脉 冲 输 出 模 型键 入 simulink点 击 simulink图 标1. 启 动 Simulink 一 个 例 子 ： 建 构 脉 冲 输 出 模 型Simulink库 浏 览 器 点 击 新 建 模 型 窗 一 个 例 子 ： 建 构 脉 冲 输 出 模 型 一 个 例 子 ： 建 构 脉 冲 输 出 模 型2 建 构 模 型 。 （ 1） 打 开 函 数 库 的 Sources模 块 库 ， 选 择 信 号 源 。（ 2） 打 开 函 数 库 的 Sinks模 块 库 ， 将 scope模 块 拖 到 模型 建 构 窗 口 。（ 3） 连 接 两 个 模 块 。（ 4） 调 整 模 块 参 数 。 一 个 例 子 ： 建 构 脉 冲 输 出 模 型选 择 信 源 模 块 ， 添 加 到 模 型 窗 一 个 例 子 ： 建 构 脉 冲 输 出 模 型连 接 模 块 一 个 例 子 ： 建 构 脉 冲 输 出 模 型调 整 控 制 模 块 参 数 一 个 例 子 ： 建 构 脉 冲 输 出 模 型3. 启 动 模 型w在 “ Simulation”菜 单 中 选 取 “ Start”命 令w点 击 工 具 栏 的 按 钮 。 二 、 Simulink基 本 操 作 和 模 块 库 运 用 基 本 命 令 构 建 模 型w 模 块 操 作 ： 选 择 对 象 复 制 对 象 移 动 对 象 删 除 对 象 改 变 对 象 大 小 改 变 对 象 方 向 改 变 对 象 名 (2) 信 号 线 操 作 ： 连 接 模 块 移 动 线 段 分 支 线 段 信 号 线 标 识运 用 基 本 命 令 构 建 模 型 运 用 基 本 命 令 构 建 模 型（ 3） 对 模 型 的 其 他 操 作 模 块 参 数 的 改 变 插 入 模 块 对 模 型 的 注 释 注 释 移 动 常 用 的 Source库 信 源 模 块 名 称 功 能 说 明Clock （ 连 续 ） 仿 真 时钟 输 出 每 个 仿 真 步点 的 时 刻Constant 恒 值 输 出 数 值 可 设 置From File 从 文 件 读 数 据 从 MAT文 件 获 取信 号 矩 阵 。From Workspace 从 工 作 区 内 存 读数 据 矩 阵 信 号 矩 阵 必 须 存放 在 MATLAB的工 作 空 间 常 用 的 Source库 信 源 模 块 名 称 功 能 说 明Signal Generator 信 号 发 生 器 可 生 成 正 弦 、 方波 、 锯 齿 波 、 随机 波 。Sine Wave 正 弦 波 输 出 可 设 置 幅 度 、 相位 、 频 率Step 阶 跃 输 出 可 设 置 阶 跃 时 刻 、幅 度 常 用 的 Sink库 显 示 模 块名 称 功 能 说 明Display 数 值 显 示 可 以 设 置 学 时 数值 格 式Scope 示 波 器 显 示 实 时 信 号out 输 出 模 块 输 出 模 块 常 用 的 Sink库 显 示 模 块 名 称 功 能 说 明To File 把 数 据 保 存 为 文件 以 行 方 式 保 存 时间 或 信 号 序 列To Workspace 把 数 据 保 存 到 工作 区 内 存 以 列 方 式 保 存 时间 或 信 号 序 列XY Graph 显 示 X_Y图 形 利 用 MATLAB图形 窗 显 示 X_Y图形 曲 线 连 续 系 统 模 块名 称 功 能 说 明Integrator 积 分 环 节Derivative 微 分 环 节State-Space 状 态 方 程 模 型Transfer Fcn 传 递 函 数 模 型Zero-Pole 零 -极 点 增 益 模 型Transport Delay 把 输 入 信 号 按 给 定 的 时 间 延 时 离 散 系 统 模 块Discrete Transfer Fcn 离 散 传 递 函 数 模 型Discrete Zero-Pole 离 散 零 -极 点 增 益 模 型Discrete State-Space 离 散 状 态 方 程 模 型Discrete Filter 离 散 滤 波 器Zero-Order Hold 零 阶 保 持 器First-Order Hold 一 阶 保 持 器Unit Delay 采 样 保 持 ， 延 迟 一 个 周 期 正 弦 信 号 参 数 设 置 正 弦 信 号 的 参 数 设 置 Amplitude为 正 弦 幅 值 （ 以 A表示 ）Bias为 幅 值 偏 移 值 (以 B表 示 )Frequency为 正 弦 频 率 (以 f表示 ) Phase为 初 始 相 角 (以 p表 示 )Sample time为 采 样 时 间正 弦 信 号 可 表 示 为A*Sin(2*pi*f+p)+B 阶 跃 信 号 参 数 设 置Step time 为 阶跃 信 号 变 化时 刻Initial value为 初始 值Final value为 终止 值Sample time为采 样 时 间 阶 跃 信 号 模 块 的 参 数 从 工 作 空 间 获 取 数 据 (From workspace)参 数 设 置 t=0:0.1:10;y=sin(t);t=t;y=y; “ Data” 矩 阵 的 列 数应 等 于 输 入 端 口 的个 数 +1， 第 一 列 自动 当 成 时 间 向 量 ，后 面 几 列 依 次 对 应各 端 口 From workspace参 数 设 置 从 文 件 获 取 数 据 (From file) 参 数 设 置t=0:0.1:2*pi;y=cos(t);y1=t; y;save Ex0702 y1 From File参 数 设 置 传 递 函 数 (Transfer function) 参 数 设 置Numerator为 分 子 多 项 式 系 数Denominator为 分 母 多 项 式 系 数 传 递 函 数 模 块 参 数 设 置 示 波 器 (Scope) 参 数 设 置打 开 参 数 对 话 框 纵 坐 标 的自 动 刻 度X-Y坐 标 变 焦X坐 标 变 焦 示 波 器 窗 口 把 当 前 的坐 标 设 置保 存浮 动 示 波 器恢 复 保 存过 的 坐 标设 置Y坐 标 变 焦 配 置 simulink仿 真 参 数在 模 型 窗 口 选 择 菜 单 “ Simulation”“Simulation parameters” 解 算 器 （ Solver） 的 设 置 ：(1) 仿 真 时 间 设 置 Simulation time仿 真 的 起 始 时 间 (Start time)仿 真 的 结 束 时 间 (Stop time)(2) 解 法 设 置 Solver options仿 真 的 过 程 一 般 是 求 解 微 分 方 程 组 ， “ Solve options”的 内 容 是 针 对 解 微 分 方程 组 的 设 置 。 (4) 输 出 模 式 Output options变 步 长 时 可 进 行 设 置 ， 可 以 达 到 不 同 的输 出 效 果 。 实 例 演 示 四 、 Simulink子 系 统 Simulink子 系 统 模 块w 在 建 立 仿 真 系 统 的 时 候 ， 常 常 会 遇 到 复 杂 的 系统 结 构 ， 并 且 难 以 用 单 一 的 模 块 框 图 进 行 描 述 。遇 到 这 种 情 况 ， 通 常 是 把 这 样 复 杂 的 框 图 进 行分 解 ， 然 后 对 分 解 的 若 干 个 具 有 独 立 功 能 的 子系 统 分 别 进 行 处 理 。w 在 Simulink模 块 库 的 浏 览 窗 口 中 ， 展 开Subsystems模 块 库 ， 就 能 看 到 Simulink提 供 的 子系 统 模 块 Simulink子 系 统 模 块w Atomic Subsystem(空 白 子 系 统 ) 用 于 给 出 输 入 输 出 端 子 ， 用 户 可 以 在 其 中 绘 制 子 系 统 模型w Enabled Subsystem(激 活 子 系 统 ) 包 含 一 个 允 许 /禁 止 开 关w Triggered Subsystem(触 发 子 系 统 ) 在 控 制 信 号 满 足 一 定 变 化 要 求 的 瞬 间 触 发 子 系 统 ， 然 后保 持 子 系 统 的 输 出 状 态 ， 等 待 下 一 个 触 发 信 号 的 到 来w Enabled and Triggered Subsystem(激 活 触 发 子 系 统 ) 具 有 激 活 和 触 发 两 种 功 能 ， 分 别 在 指 定 的 条 件 下 被 执 行 建 立 子 系 统w 通 过 压 缩 已 有 的 模 块 建 立 子 系 统(1)在 模 型 窗 口 用 鼠 标 拖 一 个 虚 框 ， 将 需 要 建 立 子 系 统 的 部分 框 起 来 ， 在 菜 单 中 选 择 Edit/Create subsystem命 令(2)更 改 子 系 统 名(3)重 命 名 输 入 输 出 端 口例 6-1: eg61.mdl