1、第九章 Simulink動態仿真仿真技術第九章 Simulnk動態仿真本章主要內容如下：9.1 Simulink基本操作9.2 模塊庫和系統仿真9.3 子系統創建與封裝9.4 Simulink仿真舉例第九章 Simulink動態仿真仿真技術第九章 Simulink動態仿真Simulink 中的“Simu”一詞表示可用于計算機仿真，而“Link”一詞表示它能進行系統連接，即把一系列模塊連接起來，構成復雜的系統模型。作為MATLAB的一個重要組成部分，Simulink由于它所具有的上述的兩大功能和特色，以及所提供的可視化仿真環境、快捷簡便的操作方法，而使其成為目前最受歡迎的仿真軟件。本章主要介紹S

2、imulink的基本功能和基本操作方法，并通過舉例介紹如何利用Simulink進行系統建模和仿真。第九章 Simulink動態仿真仿真技術第九章 Simulink動態仿真9.1 Simulink 基本操作基本操作n利用Simulink進行系統仿真的步驟是： 啟動Simulink，打開Simulink模塊庫 打開空白模型窗口； 建立Smulink仿真模型； 設置仿真參數，進行仿真； 輸出仿真結果。第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.1 Simulink 基本操作基本操作9.1.1 啟動啟動Simulinka)啟動Simulink。單擊MATLAB Command窗口工具條上的Simuli

3、nk圖標，或者在MATLAB命令窗口輸入simulink，即彈出圖示的模塊庫窗口界面(Simulink Library Browser)。該界面右邊的窗口給出Simulink所有的子模塊庫。常用的子模塊庫有Sources(信號源)，Sink(顯示輸出),Continuous(線性連續系統)，Discrete（線性離散系統)，Function & Table（函數與表格)，Math(數學運算)， Discontinuities (非線性)，Demo（演示）等。 第九章 Simulink動態仿真仿真技術a)啟動Simulinkn每個子模塊庫中包含同類型的標準模型，這些模塊可直接用于建立系統

4、的Simulink框圖模型。可按以下方法打開子模塊庫: 用鼠標左鍵點擊某子模塊庫(如【Continuous】)，Simulink瀏覽器右邊的窗口即顯示該子模塊庫包含的全部標準模塊。第九章 Simulink動態仿真仿真技術a)啟動Simulink用鼠標右鍵點擊Simulink菜單項，則彈出一菜單條，點擊該菜單條即彈出該子庫的標準模塊窗口.如單擊左圖中的【Sinks】,出現“Open the SinksLibrary”菜單條，單擊該菜單條，則彈出右圖所示的該子庫的標準模塊窗口。第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.1 Simulink 基本操作基本操作9.1.1 啟動Simulinkb)打開

5、空白模型窗口n模型窗口用來建立系統的仿真模型。只有先創建一個空白的模型窗口，才能將模塊庫的相應模塊復制到該窗口，通過必要的連接，建立起Simulink仿真模型。也將這種窗口稱為Simulink仿真模型窗口。n以下方法可用于打開一個空白模型窗口：在MATLAB主界面中選擇【File:NewModel】菜單項；單擊模塊庫瀏覽器的新建圖標 ；選中模塊庫瀏覽器的【File : New Model】菜單項。所打開的空白模型窗口如圖所示。第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.1.2 建立Simulink仿真模型a)打開Simulink模型窗口(Untitled)b)選取模塊或模塊組n在Simulin

6、k模型或模塊庫窗口內，用鼠標左鍵單擊所需模塊圖標，圖標四角出現黑色小方點，表明該模塊已經選中。c)模塊拷貝及刪除n在模塊庫中選中模塊后，按住鼠標左鍵不放并移動鼠標至目標模型窗口指定位置，釋放鼠標即完成模塊拷貝。n模塊的刪除只需選定刪除的模塊，按Del鍵即可。第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.1 Simulink 基本操作基本操作9.1.2 建立Simulink仿真模型d)模塊調整n改變模塊位置、大小；n改變模塊方向使模塊輸入輸出端口的方向改變。選中模塊后，選取菜單FormatRotateBlock，可使模塊旋轉900。按快捷鍵Ctrl+R結果相同。第九章 Simulink動態仿真仿真

7、技術9.1.2 建立Simulink仿真模型e)模塊參數設置n用鼠標雙擊指定模塊圖標，打開模塊對話框，根據對話框欄目中提供的信息進行參數設置或修改。例如雙擊模型窗口的傳遞函數模塊，彈出圖示對話框，在對話框中分別輸入分子、分母多項式的系數，點擊OK鍵，完成該模型的設置，如右下圖所示：第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.1.2 建立Simulink仿真模型f)模塊的連接n模塊之間的連接是用連接線將一個模塊的輸出端與另一模塊的輸入端連接起來；也可用分支線把一個模塊的輸出端與幾個模塊的輸入端連接起來。n 連接線生成是將鼠標置于某模塊的輸出端口(顯一個十字光標) ，按下鼠標左鍵拖動鼠標置另一模塊

8、的輸入端口即可。 分支線則是將鼠標置于分支點，按下鼠標右鍵，其余同上。連接線(左鍵)分支線(右鍵)第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.1.2 建立Simulink仿真模型g)模塊文件的取名和保存n選擇模型窗口菜單FileSave as后彈出一個“Save as”對話框，填入模型文件名，按保存(s)即可。說明模塊的修改、調整、連接通常只能在仿真模型窗口中進行，不要直接對模塊庫中的模塊進行修改或調整。第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.1 Simulink 基本操作基本操作9.1.3 系統仿真運行系統仿真運行 1.Simulink模型窗口下仿真模型窗口下仿真 步驟打開Simulin

9、k仿真模型窗口，或打開指定的.mdl文件;設置仿真參數：在模型窗口選取菜單【Simulation: Parameters】,彈出 “Simulation Parameters” 對話框，設置仿真參數，然后按【OK】即可；說明若不設置仿真參數,則采用Simulink缺省設置.第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.1 Simulink 基本操作基本操作9.1.3 系統仿真運行系統仿真運行 1.Simulink模型窗口下仿真模型窗口下仿真 步驟仿真運行和終止：在模型窗口選取菜單【Simulation: Start】，仿真開始，至設置的仿真終止時間，仿真結束。若在仿真過程中要中止仿真，可選擇【S

10、imulation: Stop】菜單。也可直接點擊模型窗口中的 （或 ）啟動（或停止）仿真。 第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.1 Simulink 基本操作基本操作9.1.3 系統仿真運行系統仿真運行 2.MATLAB 命令窗口下的仿真運行n在Matlab命令窗口下可直接運行一個已存在的Simulink模型：nt,x,y=sim(model,timespan,option,ut)其中，t為返回的仿真時間向量； x為返回的狀態矩陣； y為返回的輸出矩陣； model為系統Simulink模型文件名； timespan為仿真時間；option為仿真參數選擇項，由simset設置；ut為

11、選擇外部產生輸入,ut=T,u1,u2,un。說明上述參數中，若省略timespan,option,ut則由框圖模型的對話框Simulation Parameters設置仿真參數。back第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.2 模塊庫和系統仿真模塊庫和系統仿真9.2.1 Simulink模塊庫 1. Sources庫n也可稱為信號源庫，該庫包含了可向仿真模型提供信號的模塊。它沒有輸入口，但至少有一個輸出口。n雙擊圖標 即彈出該庫的模塊圖： 在該圖中的每一個圖標都是一個信號模塊，這些模塊均可拷貝到用戶的模型窗里。用戶可以在模型窗里根據自己的需要對模塊的參數進行設置（但不可在模塊庫里進行模

12、塊的參數設置).第九章 Simulink動態仿真仿真技術1. Sources庫Sine Wave：產生幅值、頻率可設置的正弦波信號。 雙擊圖標 (認定該模塊已拷貝到用戶模型窗，以下均如此),彈出正弦波的參數設置框圖。圖中參數為Simulink默認值，用戶可根據需要對這些參數重新設置。幅值、頻率為2，基準為0.5，其波形如下圖所示：第九章 Simulink動態仿真仿真技術1. Sources庫Step：產生幅值、階躍時間可設置的階躍信號。 雙擊圖標 ,彈出階躍信號的參數設置框圖。圖中參數為Simulink默認值。當設置幅值為0.8,階躍時間為1秒時，階躍波形如下圖所示：第九章 Simulink動

13、態仿真仿真技術9.2.1 Simulink模塊庫 2. Sinks 庫庫 n該庫包含了顯示和寫模塊輸出的模塊。雙擊 即彈出該庫的模塊圖： ：數字表，顯示指定模塊的輸出數值。 ：X-Y繪圖儀用同一圖形窗口，顯示X-Y坐標的圖形(需先在參數對話框中設置每個坐標的變化范圍)，當X、Y分別為正、余弦信號時，其顯示圖形如下：第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.2.1 Simulink模塊庫 2. Sinks 庫庫 ：示波器示波器。顯示在仿真過程產生的信號波形。雙擊該圖標,彈出示波器窗如右圖所示：分別管理X-Y、X和Y軸向變焦取當前窗中信號最大、最小值為縱坐標的上下限把當前軸的設置保存為該示波器的

14、缺省設置打開示波器屬性對話框設置為浮動示波器第九章 Simulink動態仿真仿真技術2.Sinks 庫庫示波器屬性對話框設置Y軸個數設置顯示的時間范圍選擇軸的標注方法確定顯示頻度(每隔n-1個數 據 點 顯 示 一 次 )確定顯示點的時間間隔(缺省 為 0 表 示 連 續 顯 示 )示波器屬性對話框General頁第九章 Simulink動態仿真仿真技術2.Sinks 庫庫示波器屬性對話框示波器屬性對話框Data history頁設定緩沖區接受數據的長度,勾選為缺省狀態,其值為5000確定示波器數據是 否 保 存 到MATLAB工作空間。若勾選則為保存，且需確定變量名和保存格式(缺省時,不被勾

15、選)第九章 Simulink動態仿真仿真技術【例9-1】示波器應用示例。Simulink仿真模型如左圖所示，示波器輸入為3（Y軸個數為3）。右圖為該示波器顯示的三路輸入信號的波形. 第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.2.1 Simulink模塊庫 3.Continuous 庫 該庫包含描述線性函數的模塊。雙擊 即彈出下圖： ：微分環節。其輸出為其輸入信號的微分。如下圖為輸入斜坡信號時微分環節的輸出：第九章 Simulink動態仿真仿真技術3.Continuous 庫 ：積分環節。其輸出為其輸入信號的積分。雙擊該模塊,彈出積分器的參數對話框,可設置積分器的復位、積分上限和下限等。當設置

16、為信號下跳過零復位、積分器限幅為5時，積分器對諧波輸入的輸出如圖所示：第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.2.1 Simulink模塊庫 3.Continuous 庫 ：分子分母為多項式形式的傳遞函數。雙擊該模塊，彈出傳遞函數的參數對話框，設置框圖中的參數后，該傳遞函數顯示如下：第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.2.1 Simulink模塊庫 3.Continuous 庫 ：零極點增益形式的傳遞函數。雙擊該模塊，彈出傳遞函數的參數對話框，設置框圖中的參數后，該傳遞函數顯示如下：第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.2.1 Simulink模塊庫 4.Math 庫 該庫包

17、含描述一般數學函數的模塊。雙擊 即彈出右圖。該庫中模塊的功能就是將輸入信號按照模塊所描述的數學運算函數計算，并把運算結果作為輸出信號輸出。第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.2.1 Simulink模塊庫 4.Math 庫 ：加法器加法器。該模塊為求和裝置。求和器形狀，輸入信號個數和符號可設置，如右邊框圖。若設置如框圖。則模塊顯示為：第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.2.1 Simulink模塊庫 4.Math 庫 ：符號函數符號函數。 該模塊的輸出為輸入信號的符號。下圖為對正弦信號經符號運算后的波形。第九章 Simulink動態仿真仿真技術4.Math 庫 ：實現一個數學函

18、數。 右圖為該函數的參數設置框。點擊函數設置的下拉窗口，可選擇所需要的函數。選定函數后，該模塊圖標將顯示所選函數。如選擇“Square”，則模塊圖標變為：第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.2.1 Simulink模塊庫 5.Signals & Systems 庫庫 ：信號分路器 。 將混路器輸出的信號依照原來的構成方法分解成多路信號。 ：信號匯總器 將多路信號依照向量的形式混合成一路信號。 (a)(b)第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.2.2 Simulink環境下的仿真運行 1.仿真參數對話框 點擊Simullink模型窗simulation菜單下的Paramet

19、ers命令，彈出仿真參數對話框如右圖所示。它共有5頁，用得較多的主要是Solver頁和Workspace I/O頁。 Solver頁頁Simulation time（仿真時間）: 設置Start time（仿真開始時間）和Stop time（仿真終止時間）可通過頁內編輯框內輸入相應數值，單位“秒”。另外，用戶還可以利用Sinks庫中的Stop模塊來強行中止仿真。第九章 Simulink動態仿真仿真技術 Solver頁頁Solver options（仿真算法選擇）: 分為定步長算法和變步長算法兩類。定步長支持的算法可在Fixed step size編輯框中指定步長或選擇auto，由計算機自動確定

20、步長，離散系統一般默認地選擇定步長算法，在實時控制中則必須選用定步長算法；變步長支持的算法如圖9-16所示，對于連續系統仿真一般選擇ode45，步長范圍使用auto項。 圖9-15 定步長算法圖9-16 變步長算法第九章 Simulink動態仿真仿真技術 Solver頁頁Error Tolerance（誤差限度）： 算法的誤差是指當前狀態值與當前狀態估計值的差值，分為Relative tolerance（相對限度）和Absolute tolerance（絕對限度），通常可選auto。 Output options(輸出選擇項)：有Refine output(細化輸出）、Produce addi

21、tional output（產生附加輸出）、Produce specified output only（只產生指定輸出）。 第九章 Simulink動態仿真仿真技術Workspace I/O頁頁 這個頁面的作用是定義將仿真結果輸出到工作空間，以及從工作空間得到輸入和初始狀態。Load from workspace：勾選相應方框表明從工作空間獲得輸入或初始狀態。 若勾選Input，則工作空間提供輸入，且為矩陣形式。輸入矩陣的第一列必須是升序的時間向量，其余列分別對應不同的輸入信號。t=(0:0.1:10);u=cos(t),sin(t);如在指令窗中輸入：且在模型窗中的模型為：第九章 Simul

22、ink動態仿真仿真技術Workspace I/O頁頁 這個頁面的作用是定義將仿真結果輸出到工作空間，以及從工作空間得到輸入和初始狀態。Save to workspace：勾選相應方框表明保存輸出到MATLAB工作空間。 time 和 output 為缺省選中的。即一般運行一個仿真模型后，在MATLAB 工作空間都會增加兩個變量tout、yout。變量名可以設置。Save options（存儲選項）：存儲數據到工作空間的格式，可選數組、構架數組、包含時間數據的構架數組。第九章 Simulink動態仿真仿真技術2.Simulink中的中的LTI Viewer 在Simulink中建立的仿真模型也可

23、直接輸入到LTI Viewer中進行分析，具體方法如下:在Simulink 模型窗建立起仿真模型(線性系統)。點擊Simulink模型窗上的【Tool：Linear analysis】，在彈出的界面中將輸入輸出接點分別復制到仿真模型的輸入和輸出。圖9-19 仿真模型的輸入輸出接點第九章 Simulink動態仿真仿真技術2.Simulink中的中的LTI Viewer再次點擊SIMULINK模型窗上的ToolLinear analysis，打開LTI Viewer仿真界面，點擊該界面上Simulink Get Linearized Model選項，即畫出系統的階躍響應曲線，表明SIMULINK中

24、的仿真模型已和LTI Viewer相連接，因此可利用LTI Viewer對該系統進行分析。圖9-20 LTI Viewer獲取模型窗中模型圖9-21 LTI Viewer繪制的階躍響應曲線第九章 Simulink動態仿真仿真技術2.Simulink中的中的LTI Viewer如果在Simulink模型窗對已輸入到LTI Viewer中的模型進行了修改，應重復步驟（3）重新裝入模型，并刪除掉舊模型。方法是點擊LTI Viewer仿真界面上的【EditDelete systems】，在彈出的對話框中，進行模型的刪除，如圖9-22所示。圖9-22 模型的刪除back第九章 Simulink動態仿真仿

25、真技術9.3 子系統創建與封裝子系統創建與封裝n在建立的Simulink系統模型比較大或很復雜時，可將一些模塊組合成子系統，這樣可使 模型得到簡化，便于連線； 可提高效率，便于調試； 可生成層次化的模型圖表，用戶可采取自上而下或自下而上的設計方法。n將一個創建好的子系統進行封裝，也就是使子系統象一個模塊一樣，例如可以有自己的參數設置對話框，自己的模塊圖標等。這樣就使子系統使用起來非常方便。 第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.3 子系統創建與封裝子系統創建與封裝9.3.1 子系統的創建子系統的創建1.通過子系統模塊來建立子系統n在Simulink庫瀏覽器，有一個子系統(Subsyste

26、ms)的庫模塊(有的版本在Signals & Systems子庫里)，點擊該圖標即可看到不同類型的子系統模塊。子模塊庫MATLAB6.0 版MATLAB6.5 版第九章 Simulink動態仿真仿真技術1.通過子系統模塊來建立子系統n下面以PID控制器子系統創建，說明子系統的創建過程：將子系統庫模塊中的Subsystem模塊復制到模型窗，如圖9-23。雙擊該圖標即打開該子系統的編輯窗口，如圖9-24；圖9-23 子系統模塊復制到模型窗圖9.24 原始子系統模塊的內部結構型窗第九章 Simulink動態仿真仿真技術nPID控制器子系統創建過程：將組成子系統的模塊填加到子系統編輯窗口：將模

27、塊按設計要求連接：第九章 Simulink動態仿真仿真技術nPID控制器子系統創建過程：設置子系統各模塊參數（可以是變量）；修改 in1 和 out1 模塊下面的標簽；關閉子系統的編輯窗口，返回模型窗口，修改子系統的標簽（PID），該PID子系統即可作為模塊在構造系統模型時使用。 第九章 Simulink動態仿真仿真技術nPID控制器子系統創建過程：設置子系統各模塊參數（可以是變量）；修改 in1 和 out1 模塊下面的標簽；關閉子系統的編輯窗口，返回模型窗口，修改子系統的標簽（PID），該PID子系統即可作為模塊在構造系統模型時使用。 第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.3 子系統

28、創建與封裝子系統創建與封裝9.3.1 子系統的創建子系統的創建2.組合已存在的模塊來建立子系統 如果現有的模型已經包含了需要轉化成子系統的模塊，就可以通過組合這些模塊的方式建立子系統。步驟如下：確定需建立Subsystem的模型（被選中的均標記有黑塊）圖9-27 圈選欲建子系統的模塊第九章 Simulink動態仿真仿真技術2.組合已存在的模塊來建立子系統 點擊模型窗Edit菜單下的Create Subsystem 命令，則所選定的模型組合自動轉化成子系統： 雙擊該圖標，可打開該子系統窗口，改寫輸入輸出符號： 關閉子系統編輯窗口，設置子系統標簽，則系統模型如下圖所示：第九章 Simulink動態

29、仿真仿真技術9.3 子系統創建與封裝子系統創建與封裝9.3.2 子系統的封裝 n子系統可以建立自己的參數設置對話框，以避免對子系統內的每個模塊分別進行參數設置，因此在子系統建立好以后，需對其進行封裝。子系統封裝的基本步驟如下： 設置好子系統中各模塊的參數變量； 定義提示對話框及其特性； 定義被封裝子系統的描述和幫助文檔； 定義產生模塊圖標的命令。第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.3 子系統創建與封裝子系統創建與封裝9.3.2 子系統的封裝 1. 設置子系統參數變量 將原子系統中的常數改為變量,其中飽和環節的上、下限分別設為au、ab (需打開該環節的參數設置框).第九章 Simuli

30、nk動態仿真仿真技術9.3.2 子系統的封裝 2.產生提示對話框 n選擇需要封裝的子系統，從模型窗口的 Edit 菜單選擇Mask Subsystem命令，即彈出封裝編輯器：第九章 Simulink動態仿真仿真技術2.產生提示對話框 n該編輯器分為四頁(MATLAB6.5版)：Icon(圖標)頁Parameters(參數頁)Initialiation(初始化)頁Documentation(文檔)頁 其中對于子系統封裝最關鍵的是Parameters項，用于設置參數變量及其類型等。第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.3.2 子系統的封裝 2.產生提示對話框nParameters頁 AddD

31、eleteUpDown提示符變量名直接輸入變量名變量的類型為數值變量的數值可在線調節第九章 Simulink動態仿真仿真技術2.產生提示對話框 n假定子系統（Nonlinear system）的參數變量名已由封裝編輯器全部輸入。雙擊該子系統圖標，即彈出如圖所示子系統的參數設置框圖。如圖所示逐欄輸入與變量所對應的參數，即完成對該子系統的參數設置。第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.3 子系統創建與封裝子系統創建與封裝9.3.3 條件子系統條件子系統1.使能子系統n該子系統當使能端控制信號為正時，系統處于“允許”狀態，否則為“禁止”狀態。“使能”控制信號可以為標量，也可以為向量。當為標量信

32、號時，只要該信號大于零，子系統就開始執行；當為向量信號時，只要其中一個信號大于零，也“使能”子系統。第九章 Simulink動態仿真仿真技術【例9-3】積分分離式PID控制器。這種PID控制器可以讓控制器中的積分項在系統響應進入穩態時投入運行，以提高穩態精度；而在系統響應處于瞬態過程時，將積分項斷開以改善系統動態響應質量。積分分離式PID控制器建立如圖所示： 使能模塊的控制信號為delta與abs(e)的差值。delta為一很小的正數，當偏差e的絕對值小于delta時，控制器的積分項才投入使用，從而實現了控制器中的積分項的分離控制。第九章 Simulink動態仿真仿真技術9.3.3 條件子系統條件子系統2.觸發子系統n觸發子系統只在觸發事件發生的時刻執行。所謂觸發事件也就是觸發子系統的控制信號，一個觸發子系統只能有一個控制信號，在Simulink中稱之為觸發輸入。(a) 觸發子系統模塊(b) 觸發子系統模型n觸發事件有4種類型，即上升沿觸發、下降沿觸發、跳變觸發和回調函數觸發