MATLAB_SIMULINK讲解完整版

单击此处编辑母版标题样式,第,3,章,SIMULINK,应用基础,第,3,章,SIMULINK,应用基础,3.1 SIMULINK,仿真环境,3.2 SIMULINK,的基本操作,3.3 SIMULINK,系统建模,3.4 SIMULINK,运行仿真,3.5 SIMULINK,模块库,3.6 SIMULINK,系统仿真应用,习题,3.1 SIMULINK,仿真环境,SIMULINK,是,MATLAB,的一个分支产品，主要用来实现对工程问题的模型化及动态仿真。,SIMULINK,体现了模块化设计和系统级仿真的思想，采用模块组合的方法使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型，使得建模仿真如同搭积木一样简单。,SIMULINK,现已成为仿真领域首选的计算机环境。,具体到电力系统仿真而言，原来的,MATLAB,编程仿真是在文本命令窗口中进行的，编制的程序是一行行的命令和,MATLAB,函数，不直观也难以与实际电力模型建立形象的联系。在,SIMULINK,环境中，电力系统元器件的模型都用框图来表达，框图之间的连线表示了信号流动的方向。对用户而言，只要熟悉了,SIMULINK,仿真平台的使用方法以及模型库的内容，就可以使用鼠标和键盘绘制和组织系统模型，并实现系统的仿真，完全不必从头设计模型函数或死记那些复杂的函数。,图,3-1,打开,SIMULINK,模块库浏览器的方法,3.1.1 SIMULINK,模块库浏览器,SIMULINK,仿真环境包括,SIMULINK,模块库和,SIMULINK,仿真平台。如图,3-1,所示，在,MATLAB,命令窗口中输入“,simulink”,再回车，或单击工具栏中的,SIMULINK,图标 ，可打开,SIMULINK,模块库浏览器窗口，如图,3-2,所示。,图,3-2 SIMULINK,模块库浏览器窗口,SIMULINK,模块库包括标准模块库和专业模块库两大类。标准模块库是,MATLAB,中最早开发的模块库，包括了连续系统、非连续系统、离散系统、信号源、显示等各类子模块库。由于,SIMULINK,在工程仿真领域的广泛应用，因此各领域专家为满足需要又开发了诸如通信系统、数字信号处理、电力系统、模糊控制、神经网络等,20,多种专业模块库。,点击图,3-2,中“树状结构目录窗口”中各模块库名前带“”的小方块可展开二级子模块库的目录。“模块窗口”中显示的是用户在“树状结构目录窗口”中选中的模块库所包含的模块图标。如果显示的模块图标前带“”的小方块，表明该图标下还有三级目录，直接点击该图标可在该窗口中展现三级目录下的模块图标。为了叙述方便，本书将模块库中以图标形式表示的典型环节称为模块，将用典型环节模块组成的系统仿真模型简称为模型。,3.1.2 SIMULINK,仿真平台,从,MATLAB,窗口进入,SIMULINK,仿真平台的方法有,以下两种：,(1),点击,MATLAB,菜单栏中的,FileNewModel,，如图,3-3,所示。,(2),点击,SIMULINK,模块库浏览器窗口工具栏上的按键。,图,3-3,进入,SIMULINK,仿真平台方法,1,完成上述操作，将出现图,3-4,所示的,SIMULINK,仿真平台。仿真平台标题栏上的“,untitled”,表示一个尚未命名的新,模型文件。仿真平台中的菜单栏和工具栏是,SIMULINK,系统仿真的重要工具。,图,3-4 SIMULINK,的仿真平台,1.,仿真平台菜单栏,SIMULINK,仿真平台中的菜单包括“,File(,文件,)”,、“,Edit(,编辑,)”,、“,View,(,查看,)”,、“,Simulation(,仿真,)”,、“,Format(,格式,)”,、“,Tools(,工具,)”,与“,Help,(,帮助,)”,七项内容。每个主菜单项都有下拉菜单，下拉菜单中每个小菜单为一个命令，只要用鼠标选中，即可执行菜单项命令所规定的操作。其中，编辑和仿真菜单使用最为频繁。各个菜单命令的等效快捷键及功能说明见附录,A,。,2.,仿真平台工具栏,SIMULINK,仿真平台中的工具栏归纳起来可分为五类。,3.2 SIMULINK,的基本操作,3.2.1,模块及信号线的基本操作,1.,模块的基本操作,模块是系统模型中最基本的元素，不同模块代表了不同的功能。各模块的大小、放置方向、标签、属性等都是可以设置调整的。表,3-1,列出了,SIMULINK,中模块基本操作方法的简单描述。,表,3-1 SIMULINK,中模块的基本操作方法,续表,如图,3-5,所示，将模块进行了三种操作：模块顺时针旋转,90,、标签内容修改和标签位置改变。,2.,信号线的基本操作,信号线是系统模型中另一类最基本的元素，熟悉和正确使用信号线是创建模型的基础。,SIMULINK,中的信号线并不是简单的连线，它具有一定流向属性且不可逆向，表示实际模型中信号的流向。表,3-2,列出了,SIMULINK,中信号线基本操作方法的简单描述。,图,3-5,模块的基本操作示例,表,3-2 SIMULINK,中信号线的基本操作方法,3.2.2,系统模型的基本操作,除了熟悉模块和信号线的基本操作方法，用户还需熟悉,SIMULINK,系统模型本身的基本操作，包括模型文件的创建、打开、保存以及模型的注释等。表,3-3,列出了,SIMULINK,中系统模型基本操作方法的简单描述。,表,3-3 SIMULINK,中系统模型的基本操作方法,如图,3-6,所示，在模型中加入注释文字，使模型更具可读性。,图,3-6,添加注释文字示例,(a),未加注释文字；,(b),加入注释文字,3.2.3,子系统的建立与封装,1.,子系统的建立,一般而言，电力系统仿真模型都比较复杂，规模很大，包含了数量可观的各种模块。如果这些模块都直接显示在,SIMULINK,仿真平台窗口中，将显得拥挤、杂乱，不利于用户建模和分析。可以把实现同一种功能或几种功能的多个模块组合成一个子系统，从而简化模型，其效果如同其它高级语言中的子程序和函数功能。,在,SIMULINK,中创建子系统一般有两种方法,。,1),通过“子系统”模块的方法该方法要求在用户的模型里添加一个称为,Subsystem,的子系统模块，然后再往该模块里加入组成子系统的各种模块。,这种方法适合于采用自上而下设计方式的用户，具体实现步骤如下：,(1),新建一个空白模型。,(2),打开“端口和子系统”,(Ports&Subsystems),模块库，选取其中的“子系统”,(Subsystem),模块并把它复制到新建的仿真平台窗口中。,(3),双击“子系统”模块，弹出一个子系统编辑窗口。系统自动在该窗口中添加一个输入和输出端子，名为,In1,和,Out1,，这是子系统与外部联系的端口。,(4),将组成子系统的所有模块都添加到子系统编辑窗口中，合理排列。,(5),按要求用信号线连接各模块。,(6),修改外接端子标签并重新定义子系统标签，使子系统更具可读性。,2),通过组合已存在模块的方法该方法要求在用户的模型中已有组成子系统所需的所有模块，并且已做好正确的连接。,这种方法适合于采用自下而上设计方式的用户，具体实现步骤如下：,(1),打开已经存在的,模型。,(2),选中要组合到子系统中的所有对象，包括各模块及其连线。,(3),选择菜单,Edit,Create Subsystem,命令，模型自动转换成子系统。,(4),修改外接端子标签并重新定义子系统标签，使子系统更具可读性。,将图,3-6,所示的模型用第二种方法创建子系统，创建过程如图,3-7,图,3-12,所示。,图,3-7,选中组合子系统的所有对象,(,用拖曳鼠标划定范围框的方法,),图,3-8,转换为子系统,(,选择菜单,Edit,Create Subsystem,),图,3-9,子系统内部结构图,(,在子系统图标上双击鼠标键进入,),图,3-10,修改外接端子标签,(,在原标签上单击鼠标键进入标签编辑框,),图,3-11,修改子系统标签图,(,在原标签上单击鼠标键进入标签编辑框,),图,3-12,子系统转换结果,可见，子系统的创建过程比较简单，但非常有用。值得注意的是，仿真系统的信号源和输出显示模块一般不放进子系统内部。,2.,子系统的封装,所谓封装,(Mask),，就是将,SIMULINK,的子系统“包装”成一个模块，并隐藏全部的内部结构。访问该模块时只出现了一个参数设置对话框，模块中所有需要设置的参数都可通过该对话框来统一设置。,创建一个子系统封装模块的主要步骤为：,(1),创建一个子系统。,(2),选中目标子系统，选择仿真平台窗口菜单中的,Edit,Mask Subsystem,选项，将,弹出,Mask,编辑器窗口，窗口中包含四个标签页，,如图,3-13,所示,。,图,3-13,封装编辑器窗口,(3),使用封装编辑器不同的标签页进行封装图标、参数、初始化和文本的设置。四个标签页主要的功能如下： 图标,(,Icon),标签页：用来给封装模块设计自定义图标。“,Drawing commands”,命令窗口以,MATLAB,语句来绘制图标的编辑区，通过在“,Drawing commands”,命令窗口中填写函数设置封装模块的图标。图标标签页的常用绘制命令如表,3-4,所示。,表,3-4,图标标签页的常用绘制命令, 参,数,(Parameters),标签页：最关键的标签页，可增加或删除子系统参数对话框中的变量以及属性，如图,3-14,所示。其中，“,Variable”,项至关重要，必须和子系统中对应模块内设置的变量名称一致，才能建立起封装模块内部变量和封装对话框之间的联系。变量类型可选三类：“可编辑型”,(Edit),指定输入数据为可编辑类型，即该变量可由用户自定义输入数据，这是最普遍的一种类型；“复选框型”,(Checkbox),指定输入数据为复选框类型，即用户只能进行选中与否的设置；“下拉菜单型”,(Popup),指定输入数据为下拉菜单类型，即输入数据不可编辑，只能在下拉菜单提供的选项中选择。,图,3-14 Parameters,标签页窗口, 初始,(Initialization),标签页：通过命令函数，允许用户在调用子系统前通过,MATLAB,命令窗口进行子系统参数值的初始设定，还可以对图标绘制函数初始的值进行设置。 文本,(Documentation),标签页：可设定封装子系统的类型、描述和帮助等文字说明。其中，“封装类型”,(mask type),文本框中的内容将作为模块的类型显示在封装模块的参数对话框中；“封装模块描述”,(mask description),多行文本框中的内容将显示在封装模块参数对话框的上部，对封装模块的功用和其它注意事项进行描述；“封装模块帮助”,(mask help),多行文本框中输入关于该模块的帮助，在参数对话框中的“,help”,按键按下时，,MATLAB,的帮助系统将显示此封装模块帮助多行文本框中的内容。,【,例,3.1】,创建一个子系统并对其进行封装，要求子系统实现功能为：,y,=,m,sin(,x,)+,n,。,解：,(1),创建子系统。显然，该子系统结构与图,3-12,所示子系统结构完全一致，不同之处为图,3-12,所示子系统中,Gain,模块和,Constant,模块均为定值，而本例要求子系统中这两个模块为可变值。设置方法为分别双击,Gain,模块和,Constant,模块图标，在弹出的参数对话框中将参数值设置为,m,和,n,即可。创建完成的系统模型及子系统内部结构如图,3-15,所示。,图,3-15,创建完成的系统模型及子系统内部结构,(a),创建完成的系统模型；,(b),子系统内部结构,(2),设置标签页。选中目标子系统，选择仿真平台窗口菜单中的,EditMask Subsystem,选项，在弹出的封装编辑器窗口中分别对各标签页进行设置。 初始标签页。为了实现模块的图标绘制，首先必须在初始标签页的初始命令区中输入绘图向量的初始化命令，如图,3-16(a),所示。 图标标签页。在图标标签页的绘制命令区输入图,3-16(b),所示命令。,图,3-16,绘制封装模块的图标,(a),初始化；,(b),绘制图标,点击图,3-16(b),中的“应用”,(Apply),按键，子系统封装模块图标如图,3-17,所示。,图,3-17,子系统封装模块图标,图,3-18,参数标签页的设置, 文本标签页。通过设置可增加模块的可读性，设置完成后如图,3-19,所示。点击封装编辑器窗口中的“,OK”,按键，子系统的封装过程结束。双击图,3-17,中的封装模块，将弹出该模块的参数对话框，如图,3-20,所示。,图,3-19,文本标签页的设置,图,3-20,封装模块的参数对话框,可见，变量的字符、类型、说明以及封装子系统的类型、描述等设置均符合要求。该封装模块与,SIMULINK,内部模块的参数对话框结构和特性也完全一致。,(3),运用封装模块。对图,3-20,所示的参数对话框进行参数设置，即分别在参数设置区的“,Gain”,和“,Constant”,编辑框中输入参数设定值，如图,3-21,所示。选择,SIMULINK,仿真平台窗口菜单中的,SimulationStart,选项，开始仿真。仿真结束后，双击图,3-17,中的示波器模块，弹出示波器窗口，显示系统输出信号波形，如图,3-22,所示。,图,3-21,封装模块的参数设置,图,3-22,系统仿真结果显示,3.3 SIMULINK,系统建模,前面已论述了,SIMULINK,建模中的一些基本操作方法，下面将对创建,SIMULINK,模型的步骤进行分析。,SIMULINK,系统建模的过程和具体操作步骤一般如下：,(1),分析待仿真系统，确定待建模型的功能需求和结构。,(2),启动模块库浏览器窗口，选择菜单中的,FileNewMode,l,选项，新建一个模型文件。,(3),在模块库浏览器窗口中找到模型所需的各模块，并分别将其拖曳到新建的仿真平台窗口中。,(4),将各模块适当排列，并用信号线将其正确连接。有几点需要注意：, 在建模之前应对模块和信号线有一个整体、清晰和仔细的安排，这样在建模时会省下很多不必要的麻烦； 模块的输入端只能和上级模块的输出端相连接； 模块的每个输入端必须要有指定的输入信号，但输出端可以空置。,(5),对模块和信号线重新标注。,(6),依据实际需要对相应模块设置合适的参数值。,(7),如有必要，可对模型进行子系统建立和封装处理。,(8),保存模型文件。,【,例,3.2】,工业控制领域常用的温度变送器的功能是把现场的温度信号转化为对应的电信号传送给监控设备。设该温度变送器的温度测量范围为,T,min,T,max,C,，对应的输出为,4,20 mA,的电流信号。试用,SIMULINK,创建能反映该系统工作特性的仿真模型。,解：,(1),确定待建模型的功能需求。分析题意，温度变送器的本质即传感器，将温度参数转变为电量参数。因为是线性转换，所以很容易得到输入值与输出值之间的关系：,(3-1),其中，,I,为变送器输出的电流信号值，范围为,4,20 mA,；,T,min,和,T,max,分别为变送器温度测量范围的下限值和上限值，其值均可设置；,T,为变送器输出的电流信号值为,I,时对应的实测温度值。,(2),创建,SIMULINK,模型文件。新建一个,SIMULINK,模型文件，找到创建系统模型所需的各模块并拖曳到新建的仿真平台窗口中。将各模块排列好，并将其用信号线正确连接，如图,3-23,所示。其中，,Ramp,模块,1,个，来自“,Sources”,子库，用于模拟变送器输出电流值信号；,Constant,模块,3,个，来自“,Sources”,子库，用于设定公式,(3-1),中的常量“,4”,以及可设置改变的温度限值,T,min,和,T,max,；,Add,模块,3,个，来自“,Math Operations”,子库，用于把两个输入信号相加或相减；,Gain,模块,1,个，来自“,Math Operations”,子库，用于将输入信号乘上,1/16,；,Product,模块,1,个，来自“,Math Operations”,子库，用于把两个输入信号相乘；,Scope,模块,1,个，来自“,Sinks”,子库，用于显示系统模型的仿真输出波形。,图,3-23,未经修饰的仿真系统图,(3),设置模块参数。根据系统的实际物理意义，修改各模块标签名称,(,见图,3-24),。,图,3-24,修改标签后的仿真系统图,对各模块设置合适的参数值，方法为双击目标模块图标，进入其属性对话框。其中，,Imin,、,Tmax,、,Tmin,模块由默认值,1,分别设置为,4,、,T2,、,T1,；,K,模块由默认值,1,设置为,1/16,；模型左侧的两个,Add,模块由默认符号“,+”,设置为符号“,+,”。参数设置如图,3-25,图,3-27,所示，设置完成后的系统模型如图,3-28,所示。,图,3-25,I,min,、,T,max,模块参数设置,图,3-26 K,模块参数设置,图,3-27 Add,模块参数设置,图,3-28,完整的系统仿真图,(4),创建子系统并进行封装处理。将图,3-28,中除,l,、,T,两模块外的所有模块和信号线通过拖曳鼠标的方法选中，选择菜单,EditCreate Subsystem,命令，模型自动转换成子系统。将其输入、输出端子的标注和子系统的标签进行适当调整，结果如图,3-29,所示。,图,3-29,完成子系统创建,选中子系统，选择菜单,EditMask Subsystem,命令，进行封装设置。在图标标签页的绘制命令区输入命令：,disp(I2T),。在参数标签页中添加,T1,和,T2,参数，如图,3-30,所示。在文本标签页中设置封装模块的说明文本，其中，“封装类型”,(Mask type),文本框中输入“,I2T Mask Block”,；“封装模块说明”,(Mask description),多行文本框中输入“,Models the equation for a formula: T=(I-4)*(T2-T1)/16+T1. The Tmax Value(T2) and Tmin Value(T1) are masked block parameters.”,。,图,3-30,参数标签页设置,至此，子系统的创建及封装工作基本完成，系统最终模型如图,3-31,所示。双击子系统封装模块，弹出的模块参数对话框如图,3-32,所示。,(5),保存模型文件，文件名为。,图,3-31,系统最终模型,图,3-32,封装模块参数对话框,3.4 SIMULINK,运行仿真,3.4.1,运行仿真过程,SIMULINK,一般使用窗口菜单命令进行仿真，方便且人机交互性强，用户可容易地进行仿真解法及仿真参数的选择、定义和修改等操作。使用窗口菜单命令进行仿真主要可以完成以下一些操作过程。,1.,设置仿真参数,选择菜单选项,SimulationConfiguration Parameters,可以进行仿真参数及算法的设置。选择此选项后会显示仿真参数对话框，如图,3-33,所示。,图,3-33,仿真参数对话框,此对话框包含的主要属性页的内容及功能如下：,(1),Solver,：设置仿真的起始和终止时间，设置积分解法以及步长等参数；,(2),Data Import/Export,：,SIMULINK,和,MATLAB,工作间数据的输入和输出设定,，以及数据存储时的格式、长度等参数设置；,(3),Diagnostics,：允许用户选择在仿真过程中警告信息显示等级。选择适当的算法并设置好其它仿真参数后，选择对话框中的“,OK”,或“,A,pply”,命令,，修改的设置生效。,2.,启动仿真,完成仿真参数的设置后，就可以开始仿真。确认待仿真的仿真平台窗口为当前窗口，选择菜单选项,Simulation,Start,或点击工具栏中的图标,启动仿真。,3.,显示仿真结果,如果建立的模型没有错误，选择的参数合适，则仿真过程将顺利进行。这时，双击模型中用来显示输出的模块,(,如,Scope,模块,),，就可以观察到仿真的结果。当然，也可以在仿真开始前先双击打开显示输出模块，再开始仿真。,4.,停止仿真,对于仿真时间较长的模型，如果在仿真过程结束之前，用户想停止此次仿真过程，可以选择,菜单选项,Simulation,Stop,停止仿真。,5.,仿真诊断,在仿真过程中若出现错误，,SIMULINK,将会终止仿真并弹出一个标题为“,Error Dialog”,的带有明显出错图标的错误提示框。点击提示框中的“,OK”,按键，将显示如图,3-34,的错误信息对话框。该对话框分为如下三部分：,(1),出错信息列表。显示所有出错信息，包含四个列项如下：,Message,：信息类型，如模块错误，连线警告等；,Source,：模型中出错的模块名；,Reported by,：出错信息来源，如,SIMULINK,、,Stateflow,、,Workshop,等；,Summary,：出错信息概括。,(2),当前错误详细信息显示。用户可以在出错信息列表中选择任意一条错误，当前所选错误的详细信息将显示在本区域。,(3),命令按键部分。点击“,Open”,按键可用来打开出错模型并以黄色突出显示。,图,3-34,错误信息对话框,3.4.2,仿真参数的设置,如前所述，选择菜单选项,Simulation,Configuration Parameters,，将,显示仿真参数对话框，如图,3-33,所示。这里介绍解法设置属性页,(Solver),中最常用的设置项，读者可以通过查阅,help,文档了解其它项目的相关内容。,1.,设置仿真时间,设置仿真时间非常重要，它决定了模型仿真的时间或取值区域，其设置完全根据待仿真系统的特性确定，反映在输出显示上就是示波器的横轴坐标值的取值范围。“,Start time”,和“,Stop time”,项分别用以设置仿真开始时间,(,或取值区域下限,),和终止时间,(,或取值区域上限,),，默认值分别为和。,2.,选择仿真算法,在,SIMULINK,的仿真过程中选择合适的算法是很重要的。仿真算法是求常微分方程、传递函数、状态方程解的数值计算方法，主要有欧拉法,(Eular),、阿达姆斯法,(Adams),和龙格库塔法,(Runge-Kutta),。由于动态系统的差异性，使得某种算法对某类问题比较有效，而另外算法对另一类问题更有效。因此，对不同的问题，可以选择不同的适应算法和相应的参数，以得到更准确、快速的解。,根据仿真步长，,SIMULINK,中提供的常微分方程数值计算的算法大致可以分两类：,(1),Variable Step,：可变步长类算法，在仿真过程中可以自动调整步长，并通过减小步长来提高计算的精度。,(2),Fixed Step,：固定步长类算法，在仿真过程中采取基准采样时间作为固定步长。一般而言，使用变步长的自适应算法是比较好的选择。这类算法会按照设定的精确度在各积分段内自适应地寻找最大步长进行积分，从而使得效率最高。,SIMULINK,中的各种仿真算法及其说明参见表,3-5,。,表,3-5 SIMULINK,中的各种仿真算法及其说明,3.4.3,示波器的使用,示波器,(Scope),模块是,SIMULINK,仿真中非常重要的一个模块，不仅可以实现仿真结果波形的显示，而且可以同时保存波形数据，是人机交互的重要手段。双击示波器模块图标，即可弹出示波器的窗口界面，如图,3-35,所示。示波器模块属性的设置对用户观察和分析仿真结果影响很大，必须进行合适的属性设置才能得到满意的显示效果。,图,3-35,示波器窗口界面,1.,示波器参数,点击“示波器参数”按键，弹出示波器参数对话框，该对话框中含有两个标签页，分别是“常规”,(General),和“数据”,(Data,history),标签页，如图,3-36,所示。,图,3-36,示波器参数对话框,(a),常规标签页；,(b),数据标签页,1) “,常规”,(General),标签页,(1) “,坐标个数”,(Number of Axes),文本框：用于设定示波器的,y,轴数量，即示波器的输入信号端口的个数，默认值为,1,，即该示波器用以观察一路信号。若将其设为,2,，则可以同时观察两路信号，示波器的图标也自动变为两个输入端口。依此类推，一个示波器可设置为同时观察多路信号。将该项参数设定为,2,后的示波器模块图标及示波器窗口如图,3-37,所示。,图,3-37,设置示波器参数以观察两路数据,(a),模块图标；,(b),窗口界面,(2) “,时间范围”,(Time range),文本框：用于设定示波器时间轴的最大值，一般可选“自动”,(auto),，这样,x,轴可以自动以系统的仿真起始和终止时间作为示波器的时间显示范围。,(3) “,单位标签”,(Tick labels),下拉框：用于选择标签的贴放位置。,(4) “,采样”,(Sampling),下拉框：用于选择数据取样方式，包括“抽取”,(decimation),和“采样时间”,(sample time),两种方式。“抽取”方式表示当采样下拉框右侧文本框输入数据,N,时，从每,N,个输入数据中抽取一个用来显示。可见，设定的数字,N,越大，显示的波形就越粗糙，但数据存储的空间可以减少，一般该文本框保持默认值,1,，表示所有输入数据均显示。若采用“采样时间”方式，则需要在采样下拉框右侧文本框中输入采样的时间间隔，并按采样间隔提取数据显示。,2) “,数据”,(Data history),标签页,(1) “,仅显示最新的数据”,(Limit data points to last),复选框：用于数据点数设置。选中后，其后的文本框被激活，默认值为,5000,，表示示波器显示,5000,个数据，若超过,5000,个数据，也仅显示最后的,5000,个数据。若不选该项，所有数据都显示，但对计算机内存要求较高。,(2) “,保存数据至工作间”,(Save data to workspace),复选框：数据在显示的同时被保存到,MATLAB,工作空间中。若选中该项，将激活该复选框下的另两个参数设置项：“变量名”文本框用于设置保存数据的名称，以便在,MATLAB,工作空间中识别和调用该数据；“格式”文本框用于设置数据的保存格式。数据的保存格式有三种：“数组”,(Array),格式，用于只有一个输入变量的数据保存格式；“带时间变量的结构”,(Structure with time),格式，用于同时保存波形数据和时间；“结构”,(Structure),格式，用于仅保存波形数据。,2.,图形缩放,仿真波形在示波器中显示，有时用户需要对波形显示区域和大小进行适当调整，达到最佳观察效果。示波器窗口的工具栏提供了四个工具按键用以图形缩放操作。,(1),区域放大按键：首先在工具栏中点击区域放大按键，然后在窗口中需要放大的区域上按住鼠标左键并拖曳一个矩形框，用矩形框框住需要放大的图形区域，松开鼠标左键，该区域被放大显示。,(2),x,轴放大按键：首先在工具栏中点击,x,轴放大按键，然后在窗口中需要放大的区域按住鼠标左键，并沿,x,轴方向拖拉即可。,(3),y,轴放大按键：首先在工具栏中点击,y,轴放大按键，然后在窗口中需要放大的区域上按住鼠标左键，并沿,y,轴方向拖拉即可。,(4),自动尺寸按键：能自动地调整示波器的横轴和纵轴，既可完全显示用户设置的仿真时间域以及对应的结果数值域，又能取得合理的显示效果，应用非常方便。,3.,坐标轴范围,示波器的,x,轴和,y,轴的最大取值范围一般是自动设定的，利用图形缩放中的放大镜功能可以在,x,轴和,y,轴的范围内选取其中一部分显示。当需要进一步放大,y,轴的范围或更精确地标定,y,轴的坐标范围时，可以利用轴参数设置页进行设置。在示波器窗口的图形区域内单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“,Axes parameters”,选项，出现一个名为“,scope properties:axis1,”,的轴属性对话框，如图,3-38,所示。其中的,Y-min,与,Y-max,用来设置纵轴显示数值范围；,Title,项用来给显示信号命名。,图,3-38,示波器,y,轴范围设定,【,例,3.3】,对例所建模型进行仿真，并观察系统特性。,解：,(1),打开例中建立的模型文件。选择菜单中的,SimulationConfiguration Parameters,选项，将“,Simulation time”,设置区域内的“开始时间”,(Start time),设置为，“结束时间”,(Stop time),设置为。,(2),双击封装模块，将参数对话框中的,Tmax,和,Tmin,分别设置为,50,和,0,，点击“,OK”,按键。,(3),选择菜单中的,SimulationStart,选项或点击工具栏中图标，开始仿真。仿真结束后，双击示波器模块，在弹出的示波器面板中可以观察系统仿真结果，如图,3-39(a),所示。,(4),双击子系统封装模块，将参数对话框中的,Tmax,和,Tmin,分别设置为,100,和,0,，点击“,OK”,按键。重新运行仿真并查看示波器，结果如图,3-39(b),所示。可见，该模型能正确仿真不同温度输入范围温度变送器的工作特性。,图,3-39,例仿真结果,(a),温度范围为,0,50,；,(b),温度范围为,0,100,3.5 SIMULINK,模块库,SIMULINK,的最大特点之一就是提供了很多的基本模块，目的是让用户能把更多的精力投入到系统模型本身的结构和算法研究上。,SIMULINK,的每个模块对用户都是透明的，用户只需知道模块的输入、输出、功能以及内部可设置参数的意义，而不必管模块内部是怎样实现的，事件是如何驱动的等细节性问题。这样，用户要做的只是根据需要选择合适的模块，然后正确连接它们，即可以轻松、有效的方式完成自己的仿真任务。,图,3-2,所示模块库浏览器窗口的树状结构图窗口中，共显示了,28,个模块库,(,用户在安装时可以有选择性地安装，具体模块库个数由用户安装时的选择项决定,),。对于电力系统仿真而言，常用的模块库有两个：标准,SIMULINK,模块库和电力系统模块库。,3.5.1,标准,SIMULINK,模块库,如图所示，标准,SIMULINK,模块库在树状结构图窗口中名为“,Simulink”,。单击,Simulink,图标，在模块窗口中展开该模块库，共含,16,个子库，分别为“常用模块库,(Commonly Used Blocks)”,、“连续系统模块库,(Continuous)”,、“非连续系统模块库,(Discontinuities)”,、“离散系统模块库,(Discrete)”,、“逻辑与位操作模块库,(Logic and Bit Operations)”,、“查表模块库,(Look-Up Tables)”,、“数学运算模块库,(Math Operations)”,、“模块声明库,(Model Verification)”,、“模块通用功能库,(Model-Wide Utilities)”,、“端口和子系统模块库,(Ports & Subsystems)”,、,“,信号属性模块库,(Signal Attributes)”,、“信号数据流模块库,(Signal Routing)”,、“接收器模块库,(Sinks)”,、“信号源模块库,(Sources)”,和“用户自定义函数库,(User-Defined Functions)”,、“附加的数学与离散函数库,(Additional Math and Discrete)”,。下面简单介绍各模块子库中包含的常用模块类型及主要应用，各模块子库包含的具体模块及详细说明在附录,C,中列出。,1.,信号源模块库,“信号源模块库”提供了,20,多种常用的信号发生器，用于产生系统的激励信号，并且可以从,MATLAB,工作空间及,.mat,文件中读入信号数据。该模块库包含的常用模块的名称及功能简介参见附录,C,表,C1,。,2.,接收器模块库,“接收器模块库”提供了,9,种常用的显示和记录仪表，用于观察信号的波形或记录信号数据。该模块库包含的常用模块的名称及功能简介参见附录,C,表,C2,。,3.,连续系统模块库,“连续系统模块库”提供了用于构建连续控制系统仿真模型的模块。该模块库包含的常用模块的名称及功能简介参见附录,C,表,C3,。,4.,离散系统模块库,“离散系统模块库”的功能基本与连续系统模块库相对应，但它是对离散信号的处理。该模块库包含的模块较丰富，其中常用的模块的名称及功能简介参见附录,C,表,C4,。,5.,非连续系统模块库,“非连续系统模块库”中的模块用于模拟各种非线性环节。该模块库包含的常用模块的名称及功能简介参见附录,C,表,C5,。,6.,数学运算模块库,“数学运算模块库”提供了用于完成各种数学运算,(,包括加、减、乘、除以及复数计算、函数计算等,),的模块。该模块库包含的常用模块的名称及功能简介参见附录,C,表,C6,。,7.,逻辑与位操作模块库,“逻辑与位操作模块库”提供了用于完成各种逻辑与位操作,(,包括逻辑比较、位设置等,),的模块。该模块库包含的常用模块的名称及功能简介参见附录,C,表,C7,。,8.,信号数据流模块库,“信号数据流模块库”提供了用于仿真系统中信号和数据各种流向控制操作,(,包括合并、分离、选择、数据读、写,),的模块。该模块库包含的常用模块的名称及功能简介参见附录,C,表,C8,。,9.,端口和子系统模块库,“端口和子系统模块库”提供了许多按条件判断执行的使能和触发模块，还包括重要的子系统模块。该模块库包含的常用模块的名称及功能简介参见附录,C,表,C9,。,10.,用户自定义函数库,“用户自定义函数库”内的模块可以在系统模型中插入,M,函数、,S,函数以及自定义函数等，使系统的仿真功能更强大。该模块库包含的常用模块的名称及功能简介参见附录,C,表,C10,。,11.,常用模块库,“常用模块库”将上述各模块库中最经常使用的模块放在一起，目的是为了方便用户使用。该模块库包含的模块的名称及功能简介参见附录,C,表,C11,。,12.,其它模块库,还有其它几个模块库，由于应用较少，这里就不作介绍了，用户若有应用，可查看,MATLAB,帮助文档。,3.5.2,电力系统模块库,电力系统模块库是专用于,RLC,电路、电力电子电路、电机传动控制系统和电力系统仿真的模块库。该模块库中包含了各种交,/,直流电源、大量电气元器件和电工测量仪表以及分析工具等。利用这些模块可以模拟电力系统运行和故障的各种状态，并进行仿真和分析。电力系统模块库在树状结构图窗口中名为,SimPower Systems,，以为例，展开后如图,3-40,所示，共含,7,个可用子库和,1,个废弃的相量子库。中还含有一个功能强大的图形用户分析工具,Powergui,。,图,3-40,电力系统模块库,1.,电源子库,“电源子库”,提供了,7,种电源模块，分别是单相交流电流源、单相交流电压源、单相受控电流源和单相受控电压源、直流电压源、三相可编程电压源和三相电源模块。这些模块的图标及功能简介参见附录,D,表,D1,。,2.,元件子库,“元件子库”提供了,29,种常用的电气元件模块，其中有,9,种变压器模块,(,包括耦合电路,),、,7,种线路模块、,5,种负荷模块、,4,种断路器模块,(,包括避雷针模块,),、,1,个物理接口端子模块、,1,个接地模块、,1,个中性点模块和,1,个三相滤波器模块。这些模块的图标及功能简介参见附录,D,表,D2,，详细使用参见第,4,章。,3.,电机子库,“电机子库”,提供了,16,种常用的电机模块，其中有,2,种简化的同步电机、,3,种详细的同步电机、,2,种直流电机、,2,种异步电机、,1,个汽轮机及控制器、,1,个永磁同步电机、,2,种电力系统稳定器、,1,个电机信号分离模块、,1,个励磁系统、,1,个水力和蒸汽涡轮,调速系统模型。电机参数的单位有标幺制和国际单位制两种。电机模块既可用作电动机，也可用作发电机。这些模块的图标及功能简介参见附录,D,表,D3,，详细使用参见第,4,章。,4.,电力电子子库,“电力电子子库”,提供了,9,种模块，分别是二极管、简化晶闸管、复杂晶闸管、,GTO,、理想开关、,MOSFET,、,IGBT,、通用桥式电路和三电平桥式电路,。这些模块的图标及功能简介参见附录,D,表,D4,，详细使用参见第,5,章。,5.,测量子库,“测量子库”中的模块有,5,种，分别是电压测量模块、电流测量模块、阻抗测量模块、三相电压电流测量模块和万用表模块。,这些模块的图标及功能简介参见附录,D,表,D5,。,6.,相量子库,“相量子库”已经被废弃，其中仅包含一个静止无功补偿器模块,(Static Var Compensator),。,7.,应用子库,“应用子库”中又包含了,3,个子库，分别是“分布式电源子库”、“特种电机子库”和“,FACTS,子库”。“分布式电源子库”中目前只含有适合于普通风能发电系统的分布式能源模型；“特种电机子库”中含有特殊的直流、交流电机模块和轴系及减速器模型；“,FACTS,子库”中含有,HVDC,系统模型、基于,FACTS,的电力电子模块和特种变压器。这些模块相对而言都比较复杂，读者可以在具体应用时参看,SIMULINK,的帮助。,8.,附加子库,附加子库中包含了上述模块库中没有的其它电气元件模型，使用这些模块可以使系统的仿真功能更加强大,。附加子库又包含了,7,个子模块库，其中“额外电机子库”,(Additonal Machines),和“三相模块库”,(Three-Phase Library),已经废弃，剩余的,5,个子模块库分别涉及控制模块、离散控制模块、离散测量模块、测量模块、相量模块等相关内容，包括,RMS,测量、有效和无功功率计算、傅里叶分析、,HVDC,控制、轴系变换、三相,V-I,测量、三相脉冲和信号发生、三相序列分析、三相,PLL,和连续,/,离散同步,6/12,脉冲发生器等。这些模块的图标及功能简介参见附录,D,表,D6,。,3.6 SIMULINK,系统仿真应用,3.6.1,一般控制系统中的仿真应用,【,例,3.4】,对图,3-41,所示的控制系统进行建模仿真，求系统的阶跃响应特性。,图,3-41,控制系统框图,解：,(1),选择,SIMULINK,模块库浏览器工具栏中的图标，打开一个新的,SIMULINK,仿真平台窗口。,(2),从,SIMULINK,模块库浏览器中寻找并拖曳相应的模块到仿真平台窗口，进行适当的排列，如图,3-42,所示。,图,3-42,目标模块选取并合理排列,其中，,Step,模块来自,SIMULINK,标准模块库的,Sources,子库，用以模拟阶跃输入信号；,Transfer Fcn,模块来自,SIMULINK,标准模块库的,Continuous,子库，用以实现系统前向通道中包含的传递函数环节；,Transfer Fcn1,模块来自,SIMULINK,标准模块库的,Continuous,子库，用以实现系统后向反馈通道中包含的传函环节；,Integrator,模块来自,SIMULINK,标准模块库的,Continuous,子库，用以实现系统中包含的积分环节；,Sum,模块来自,SIMULINK,标准模块库的,Math Operations,子库，用以实现系统中的反馈累加环节；,Scope,模块来自,SIMULINK,标准模块库的,Sinks,子库，是用以观察输出信号的示波器。,(3),按图,3-43,设置,Transfer Fcn,模块参数；按图,3-44,设置,Transfer Fcn1,模块参数；按图,3-45,设置,Sum,模块参数。,图,3-43 Transfer Fcn,模块的参数设置,图,3-44 Transfer Fcn1,模块的参数设置,图,3-45 Sum,模块的参数设置,(4),单击鼠标选中,Transfer Fcn1,模块，选择,SIMULINK,仿真平台窗口中,FormatFlip Block,菜单，将,Transfer Fcn1,模块方向进行调整，使其端子方向便于连接。,(5),按照图,3-41,所示对各模块进行连线，结果如图,3-46,所示。,(6),将仿真停止时间由默认的改为，再点击,SIMULINK,仿真平台窗口中的 工具图标，进行系统仿真。仿真结束后，双击,Scope,模型，弹出示波器窗口，观察系统的阶跃响应曲线，如图,3-47,所示。,图,3-46,连线完成后的仿真平台窗口,图,3-47,系统的阶跃响应曲线,【,例,3.5】,设某一用传递函数表示的直流电机拖动系统已经通过,SIMULINK,工具完成建模。要求对该系统进行仿真分析，并提出改进意见。,解：,(1),按图,3-48,进行系统建模。,图,3-48,直流电机拖动系统的,SIMULINK,仿真模型,(2),开始仿真。仿真结束后，双击示波器模块，观察该直流电机拖动系统的阶跃响应特性，如图,3-49,所示。,(3),分析波形。从响应曲线看，效果不理想，超调量过大，并且调整时间过长。,(4),调试波形。将外环的,PI,控制器参数调整为,(,ss,并分别选择,，,1,，进行仿真，对应的阶跃响应曲线如图,3-50,所示。,(5),结论：可见，当,时，该直流电机拖动系统的阶跃响应曲线超调量很小，调整时间较短，具有良好的控制效果，建议采用。,图,3-49,直流电机拖动系统阶跃响应曲线,图,3-50,控制器不同参数下对应的阶跃响应曲线,3.6.2,简单电路系统中的仿真应用,【,例,3.6】,某一直流,RC,电路结构及参数如图,3-51,所示，将电容电压的暂态过程作为研究对象，求解当开关闭合后电容电压和线路电流的变化规律。,图,3-51,直流,RC,电路结构及参数,解：,(1),选择,SIMULINK,模块库浏览器工具栏中的图标，打开一个新的,SIMULINK,仿真平台窗口。,(2),从,SimPowerSystems,模块库和,SIMULINK,模块库中选择并添加相应的模块到,SIMULINK,仿真平台窗口，并进行适当的排列，如图,3-52,所示。,图,3-52,目标模块选取完成后的仿真平台窗口,其中，,DC Voltage Source,模块来自电力系统模块库的,Electrical Sources,子库，用以模拟直流电压源；,Breaker,模块来自电力系统模块库的,Elements,子库，用以模拟断路器；,Series RLC Branch,模块来自电力系统模块库的,Elements,子库，用以模拟电阻元件；,Series RLC Branch1,模块来自电力系统模块库的,Elements,子库，用以模拟电感元件；,3,个,Ground,模块来自电力系统模块库的,Elements,子库，用以模拟接地；,Voltage Measurement,模块来自电力系统模块库的,Measurement,子库，用以模拟电压表；,Current Measurement,模块来自电力系统模块库的,Measurement,子库，用以模拟电流表；,Scope,模块来自,SIMULINK,标准模块库的,Sinks,库，是用以观察电压和电流波形的示波器。,(3),按图,3-53,设置,DC Voltage Source,模块参数；按图,3-54,设置,Breaker,模块参数；按图,3-55,设置,Series RLC Branch,模块参数；按图,3-56,设置,Series RLC Branch1,模块参数。,图,3-53 DC Voltage Source,模块的参数设置,图,3-54 Breaker,模块的参数设置,图,3-55 Series RLC Branch,模块的参数设置,图,3-56 Series RLC Branch1,模块的参数设置,双击,Scope,模块，进入示波器界面，点击示波器工具栏中的图标，进入示波器参数对话框，如图,3-57,所示。调整示波器轴数为,2(,因为要同时显示电压和电流两路信号的波形,),，调整后示波器界面如图,3-58,所示。,图,3-57,示波器参数对话框,图,3-58,调整后示波器界面,(4),单击鼠标选中,Series RLC Branch1,模块，选择,SIMULINK,仿真平台窗口,Format Rotate Block,菜单，将,Series RLC Branch1,模块方向进行调整，使之由横向放置变为竖向放置，便于连接。,(5),修改各模块标签。由于各模块的默认标签具有文字太长、意义不清、关键信息不能体现等缺点，因此需要进行调整。调整的方法是用鼠标单击模块标签，鼠标光标即可进入标签栏中，用户可直接修改标签内容。系统中各模块调整后的标签如图,3-59,所示。,图,3-59,连线完成后的系统仿真模型,(6),按照图,3-51,所示电路结构对各模块进行连线，结果如图,3-59,所示。测量模块的连接需注意：,Current Measurement,模块必须串联在目标对象的回路中，,Voltage Measurement,模块必须并联在目标对象的回路中，,Current Measurement,模块和,Voltage Measurement,模块的输出送入,Scope,模块进行波形显示。,(7),设置仿真参数。选择,SIMULINK,仿真平台窗口,SimulationConfiguration Parameters,菜单，弹出仿真参数对话框，如图,3-60,所示。将仿真停止时间由默认的改为,0.01(,因为要观察暂态过程,),，将仿真算法“,Solver”,项由默认的,ode45,改选为,ode23tb(,因为在包含断路器等非线性元件的模型中，,ode23tb,解法更优,),。,(8),点击,SIMULINK,仿真平台窗口中的工具图标，进行系统仿真。仿真结束后，双击,Scope,模块，弹出示波器窗口，观察电路中开关闭合前后，加载在电容上的电压和线路电流变化规律，如图,3-61,所示。,图,3-60,仿真参数对话框,图,3-61,电容上的电压和线路电流变化规律,可见，当断路器在,0.003 s,时刻闭合后，加载在电容上的电压,V,c,幅值非线性递增。递增速度先快后慢，在,0.004 s,时刻达到,80 V,，在大约,0.007 s,时刻基本达到稳定状态，稳态值为,110 V,。电流在,0.003 s,时刻突变至最大，非线性递减，在大约,0.007 s,时刻基本为零。至此，该电路的建模仿真工作结束。可见，仿真所得波形反映了电路中电容电压的变化规律，和理论分析的结果一致。,习 题,3-1,新建一个,SIMULINK,的模型文件，试建立并调试一个模型，实现