6II動態(tài)仿真集成環(huán)境Simulink

1、12021-10-226.3 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真n6.3.1 利用simulink菜單命令進行仿真n6.3.2 利用matlab的指令操作方式進行仿真n6.3.3 模塊參數(shù)的動態(tài)交換22021-10-226.3.1 仿真運行n非常方便，直觀；可以以示波器的方式進行仿真結(jié)果的輸出與顯示n也可以將仿真結(jié)果保存到matlab工作空間的變量中，以待進一步處理。n對框圖模型本身和數(shù)值算法及參數(shù)的選擇都可以很方便地進行修改和操作。n啟動仿真：按工具欄的啟動圖標n仿真的終止或中斷：按工具欄的終止圖標，按暫停圖標32021-10-22仿真參數(shù)的配置nsimulationconfiguration parame

2、tersn仿真起始和終止時刻的設(shè)定；n仿真步長的選擇；n仿真算法的選擇；n是否從外界獲得數(shù)據(jù)；n是否向外界輸出數(shù)據(jù)42021-10-221 解算器solverinsimulationconfiguration parametersn仿真時間設(shè)置(simulation time)：start time缺省為0，stop time：缺省10sn解算器(solver options)：type:變步長和定步長，缺省是變步長的ode45解算器仿真算法；solver選項：仿真算法n變步長連續(xù)解算器：max step size:設(shè)置最大仿真步長，min step size:設(shè)置最小仿真步長，initial

3、 step size: 設(shè)置初始仿真步長，zero crossing control: 進行系統(tǒng)狀態(tài)變量不連續(xù)點的零穿越檢查，relative tolerance 設(shè)置相對誤差容許限，absolute tolerance:設(shè)置絕對誤差容許限52021-10-22解算器solverii-變步長離散解算器n解算器variable-step,解算器仿真算法：discrete62021-10-22解算器solveriii-定步長(fixed-step)解算器nperiodic sample time constraint:規(guī)定由仿真模型定義的采樣時間約束nfixed-step size:設(shè)置定仿真步長

4、的數(shù)值ntasking mode for periodic sample time:設(shè)置任務(wù)模式：單任務(wù)適用于具有相同采樣速率的情況，多任務(wù)模式用于模型具有不同采樣速率的情況；auto模式表示系統(tǒng)可根據(jù)模型中的采樣速率是否相同，自動選擇單或多任務(wù)模式。72021-10-22解算器算法及選擇i-變步長算法node45-基于龍格庫塔法的四、五階單步變步長算法，單步法，對大多數(shù)系統(tǒng)有效，最常用；node23-基于龍格庫塔法的二、三階單步變步長算法，對寬誤差限和存在輕微剛性的系統(tǒng)比oed45更有效一些；node113-可變階次的adams-bashforth-moulton pece多步算法，比ode

5、45更適合于誤差要求更嚴格的情況，適用于光滑、非線性、時間常數(shù)變化范圍不大的系統(tǒng)；node15s-可變階次的數(shù)值微分公式多步算法，可以解算剛性問題或在用ode45時仿真失敗或不夠有效時采用；82021-10-22node23s-基于修正的rosenbrock公式單步算法，適用于誤差容許范圍較寬的情況，對于一些用ode15s不是很有效的剛性系統(tǒng)，可以有效解決；node23t-基于梯形規(guī)則的一種自由插補實現(xiàn)算法，可以解算適度剛性且需要沒有數(shù)字阻尼的結(jié)果問題；node23tb-使用tr-bdf2來實現(xiàn)的，基于二階隱式龍格庫塔公式；ndiscrete-不含積分運算的變步長算法，適用于純離散系統(tǒng)，此時系

6、統(tǒng)會自動選擇該算法 92021-10-22解算器算法及選擇ii-定步長算法node5-定步長ode45算法；node4-四階龍格庫塔法；node3-定步長ode23算法；node2-henu方法，即改進歐拉法；node1-即歐拉法，是一種最簡單的算法，精度最低，僅用來驗證結(jié)果；ndiscrete(fixed-step)-不含積分運算的定步長算法，適用于純離散系統(tǒng)，此時系統(tǒng)會自動選擇該算法102021-10-22仿真數(shù)據(jù)輸入/輸出inload from workspace:input: 從工作空間導入數(shù)據(jù)到輸入模塊(in)中，數(shù)據(jù)類型包括：數(shù)組、時間表達式、結(jié)構(gòu)體和時間串如果simulink模型

7、中使用了“輸入模塊”，就必須選中該模塊并填寫所導入數(shù)據(jù)的變量名；缺省變量名為t,u，t為時間，u為時間對應(yīng)的數(shù)值；112021-10-22仿真數(shù)據(jù)輸入/輸出iinitial state:用于設(shè)置由input選項導入simulink模型輸入模塊in變量的初始值；選中此選項，無論建立該模型的積分模塊設(shè)置過什么樣的初始值，都可將matlab工作空間已存在的變量強制作為simulink模型“輸入模塊”變量的初始值；缺省名為xinitial122021-10-22例：從matlab工作空間導入數(shù)據(jù)應(yīng)用實例e6_3.mdlnt1=0:0.01:10;nu1=sin(t1),cos(t1);nx0=2,2;

8、n然后設(shè)置load from workspacescope1sintegrator2in21in1132021-10-22仿真數(shù)據(jù)輸入/輸出iinsave to workspace：將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)保存至matlab工作空間中；time：用于設(shè)置保存仿真運行時間的變量名；states：用于設(shè)置保存仿真運行的狀態(tài)變量名；output：用于設(shè)置保存仿真運行的輸出數(shù)據(jù)變量名；若使用了輸出模塊(out)，則必須選中該選項，并填寫變量名final state：用于設(shè)置保存仿真運行的最終狀態(tài)變量名；142021-10-22仿真數(shù)據(jù)輸入/輸出iinsave option:數(shù)據(jù)保存選項limit data po

9、ints to last:decimation:用于設(shè)置解點保存頻度，每隔n-1個點保存一個點format:用于設(shè)置數(shù)據(jù)保存格式，數(shù)組array、結(jié)構(gòu)體structure和時間結(jié)構(gòu)體structure with timeoutput option:用于設(shè)置產(chǎn)生附加輸出信號數(shù)據(jù)，只適用于變步長解算器。nrefine output:平滑輸出；nproduce additional output:修改時間步長平滑輸出；nproduce specified output only:在給定時間內(nèi)產(chǎn)生輸出152021-10-22formatnarray:將輸出結(jié)果分別存儲在save to workspac

10、e域中各編輯框命名的矩陣中，默認值分別為tout,xout,yout,xfinal,矩陣的每一列與模型的一個輸出或狀態(tài)對應(yīng)，第一行與初始時間相對應(yīng)。nstructure with time:保存模型的結(jié)果到一個結(jié)構(gòu)中，其名字由save to workspace域中各編輯框命名的，有兩個頂層字段：時間和信號。時間字段包含仿真時間向量，信號字段包含子結(jié)構(gòu)數(shù)組，nstructure:不保存仿真時間162021-10-22nrefine output：這個選項可以理解成精細輸出，其可以在refine factor設(shè)置仿真時間步間插入的輸出點數(shù)。精細輸出只能在變步長模式中才能使用，并且在ode45效果最

11、好nproduce additional output：它允許用戶直接指定產(chǎn)生輸出的時間點。一旦選擇了該項，則在它的右邊出現(xiàn)一個output times編輯框，在這里用戶指定額外的仿真輸出點nproduce specified output only：simulink只在指定的時間點上產(chǎn)生輸出。為此解法器要調(diào)整仿真步長以使之和指定的時間點重合。這個選項在比較不同的仿真時可以確保它們在相同的時間輸出172021-10-22例：p145，例6-6n負反饋n階躍輸入模塊的起始時間改為0；n終止仿真時間改為20n輸出時間變量為t，輸出變量為y，選擇保存選項為矩陣的形式arraynplot(t,y)ne

12、6_17.mdl182021-10-22例：p145，例6-7nto workspace是由接受模塊庫復制的，變量名分別改為y和t，并選擇保存類型為列矩陣的形式arrayn負反饋n階躍輸入模塊的起始時間改為0；n終止仿真時間改為20nplot(t,y)ne6_17_1.mdl192021-10-22例:p146，例6-8n利用simulink對以下系統(tǒng)進行仿真。當輸入為正弦信號時，觀測輸出信號的變化。ne6_5.mdl 30)(830)(2ttuttuy202021-10-226.3.2 利用matlab的指令操作方式進行仿真nt,x,y=sim(model,tf,options,ut)nt,

13、x,y1,y2,yn=sim(model,tf,options,ut)model模型文件名，必須指定，其余參數(shù)可默認；tf仿真時區(qū)，0,tf或t0,tfoptions可選仿真參數(shù)，用simset命令指定ut外部輸入函數(shù)t取積分值的時間點序列向量x系統(tǒng)的狀態(tài)序列矩陣y系統(tǒng)輸出序列矩陣，每一列表示一個輸出的時間序列212021-10-226.3.3 模塊參數(shù)的動態(tài)互換n在matlab工作空間中定義變量例 6-11 p148e6_6.mdl在工作空間中運行以下內(nèi)容：na=-0.3 0 0;2.9 -0.62 -2.3;0 2.3 0;nb=1;0;0;c=1 1 0;1 -3 1;d=0;1;x0=

14、1;1;1;222021-10-22使用set_param()指令傳遞數(shù)據(jù)nset_param(name,parameter1,value1,parameter2,value2,)其中，name是系統(tǒng)模塊名，parameter是待修改的參數(shù)名，value是新指定值。n例6-12，p150，e6_7.mdl，e6_8.mclearopen(e:computer simulationch6e6_7.mdl);set_param(e6_7/gain,gain,2);t,x,y=sim(e6_7,10);plot(t,y(:,1),:b,t,y(:,2),-r);legend(y1,y2)232021

15、-10-22幾個例子n結(jié)構(gòu)圖數(shù)學模型n例：三階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示，建立系統(tǒng)的simulink模型，并運行模型5/(s(s+1)(0.456s+1)/(0.114s+1)0.5-r(t)c(t)242021-10-22n建立模型e6_2.mdln參數(shù)設(shè)置n運行n保存數(shù)據(jù)應(yīng)用e6_2m.mr(t)c(t)5s(s+1)zero-pole0.456s+10.114s+1transfer fcn0.5gain252021-10-22微分方程數(shù)學模型：例n考慮如圖所示的強制阻尼二階系統(tǒng)。圖中，小車受外力為f，小車位移為x。設(shè)小車質(zhì)量m=5，彈簧彈性系數(shù)k=2，阻尼系數(shù)f=1。并設(shè)系統(tǒng)的初始狀態(tài)為靜止

16、在平衡點處，即 (0)=x(0)=0，外力函數(shù)為幅值等于1的階躍量。仿真此小車系統(tǒng)的運動。x mfkfx262021-10-22列寫微分方程n根據(jù)牛頓第二定律xmkxxff xxxf 52xxtuxxfx4 . 02 . 0)(4 . 02 . 02 . 0 272021-10-22利用積分模塊構(gòu)建simulink模型e6_4.mdl， e6_4m.mxu(t)x_tto workspacescope1sintegrator11sintegrator0.4gain10.2gainclockaddxx282021-10-22非線性連續(xù)時間系統(tǒng)i典型非線性模塊的應(yīng)用n具有飽和非線性特性的控制系統(tǒng)如

17、圖所示，通過仿真研究k=15和k=5時系統(tǒng)的運動ne6_satur.mdlk/s(0.1s+1)(0.2s+1)1k=2292021-10-22非線性連續(xù)時間系統(tǒng)ii任意函數(shù)模塊及其應(yīng)用nfcn模塊nmatlab fcn模塊nlook-up table模塊302021-10-22fcn模塊n位于 user define function模塊組中；nexpression必須填寫函數(shù)表達式，遵循以下規(guī)則：n模塊的輸入可以是標量或向量，但輸出必須是標量，標量輸入用u作為變量名，向量輸入用u(1),u(2)等向量作為元素名n表達式符合c語言格式，執(zhí)行的是標量運算，計算結(jié)果就是模塊的輸出n表達式中引用的

18、其它標量形式的參量必須存在于matlab工作空間中p157，例6-16，e6_18.mdl312021-10-22matlab fcn模塊n位于 user define function模塊組中；nmatlab fcn填寫函數(shù)表達式或函數(shù)文件名，遵循以下規(guī)則：n模塊的輸入輸出都可以是標量或向量；n表達式的書寫規(guī)則與fcn模塊相同，函數(shù)編寫符合m函數(shù)文件基本結(jié)構(gòu)及規(guī)則n表達式或函數(shù)的輸出必須與該模塊的輸出維數(shù)匹配，否則就會出現(xiàn)錯誤。322021-10-22lookup table模塊n位于查表模塊組中；n有1維，2維，n維之分；n可根據(jù)所給表格對輸入進行插補或外推運算332021-10-22例：將上一個例子的飽和非線性用matlab fcn函數(shù)模塊實現(xiàn)n編寫bh.m文件并存放在與e6_9.mdl相同目錄下，將該目錄設(shè)置為當前路徑r(t)c(t)matlabfunctionmatlab fc