Simulink交互式仿真

1、第 8 章 Simulink 交互式仿真Simulink 是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、 仿真和綜合分析的集成軟件包。 它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。Simulink 有兩大特征：一，建模借助鼠標(biāo)交互實(shí)現(xiàn)；二，模型運(yùn)作以時(shí)間流方式進(jìn)行。所以即使比較熟悉MATLAB工作環(huán)境和編程模式的讀者，在初入 Simulink 領(lǐng)地時(shí)， 也不免感到生疏。為幫助讀者親身跨過(guò) Simulink 門檻，本章第 2 節(jié)以算例形式對(duì)建模的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、基本器件、 操作手法、工作平臺(tái)進(jìn)行了細(xì)節(jié)性的描述。就詳細(xì)程度而言，尤以本章第一個(gè)算例為最，初學(xué)者切莫跳過(guò)。像 MATL

2、AB編程需要函數(shù)、子函數(shù)、條件分支、循環(huán)控制一樣，Simulink 建模，尤其是創(chuàng)建較復(fù)雜的模型，就必須有簡(jiǎn)裝子系統(tǒng)、精裝子系統(tǒng)、使能子系統(tǒng)、觸發(fā)子系統(tǒng)、循環(huán)子系統(tǒng)。本章的第3、 4、 5 節(jié)就專門闡述這些子系統(tǒng)創(chuàng)建、工作機(jī)理、以及應(yīng)用示例。從時(shí)間角度分， Simulink 模型有連續(xù)和離散之分。本章除第6 節(jié)用于專述純離散系統(tǒng)和采樣離散系統(tǒng)建模外，其余章節(jié)所涉的內(nèi)容對(duì)連續(xù)、離散兩種系統(tǒng)都適用。已建 Simulink 模型的運(yùn)行、仿真分析，即可以通過(guò)鼠標(biāo)手工操縱，也可以借助一組指令自動(dòng)操控。鼠標(biāo)操縱法的特點(diǎn)是：該法只能在Simulink模型窗中實(shí)施，參數(shù)的設(shè)置必須由“人”通過(guò)對(duì)話窗進(jìn)行。而指令

3、自動(dòng)操控法可以擺脫Simulink模型窗，在執(zhí)行過(guò)程中無(wú)須人工參與。本章第7 節(jié)的內(nèi)容就是為Simulink 模型的指令自動(dòng)操控而設(shè)計(jì)的。本章第 8 節(jié)是出于Simulink 模型解算的數(shù)值問(wèn)題而編寫的。該節(jié)還給出了消減仿真模型中“代數(shù)環(huán)困擾”的具體方法。就像 MATLAB編程中用戶常常需要編寫“供自己專用的模塊化函數(shù)”那樣，在 Simulink建模中，用戶也會(huì)需要?jiǎng)?chuàng)建一些“供自己專用的模塊”，即S 函數(shù)模塊。有關(guān)S 函數(shù)模塊的創(chuàng)建在本章的最后一節(jié)介紹。在這引言結(jié)束之前，本書讀者再次誠(chéng)懇地建議讀者：對(duì)待本章的算例，一定要 “眼、 腦、手”并用，一定要在機(jī)器具體運(yùn)作，切忌停留于“翻閱”。為讀者參

4、照需要，本章所有算例中帶 exm 前綴的 MDL 模型文件和相關(guān)的 M 文件都存放在隨書光盤的 mfile 目錄上。8.1引導(dǎo)8.1.1Simulink 模型本質(zhì)和一般結(jié)構(gòu)（ 1） Simulink 塊圖模型的本質(zhì)（ 2） Simulink 模型的一般結(jié)構(gòu)8.1.2創(chuàng)建塊圖模型的方法和基本環(huán)境（ 1）（ 2）（ 3）圖 8.1-2 Simulink 庫(kù)瀏覽器的組成（ 4）（ 5）8.2連續(xù)系統(tǒng)建模8.2.1微分方程建模和積分模塊1 微分方程塊圖模型的創(chuàng)建和操作細(xì)節(jié)【例8.2-1 】在圖8.2-1所示的系統(tǒng)中，已知質(zhì)量m1kg ，阻尼b2 N.sec/m，彈簧系數(shù)k100 N/m ，且質(zhì)量塊的初

5、始位移x(0)0.05m，其初始速度x(0)0 m/sec，要求創(chuàng)建該系統(tǒng)的Simulink模型，并進(jìn)行仿真運(yùn)行。圖 8.2-1彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)（ 1）（ 2）（ 3）圖 8.2-2復(fù)制進(jìn)建模所需的各種庫(kù)模塊后的模型編輯器圖8.2-3常用模塊子庫(kù)的庫(kù)藏（ 4）（ 5）圖 8.2-4經(jīng)模型窗內(nèi)模塊再?gòu)?fù)制后的模型編輯器（ 6）（ 7）圖8.2-5經(jīng)布局和增益模塊方向反轉(zhuǎn)的模型草圖（ 8）圖8.2-6完成前饋通路連接的模型草圖圖8.2-7完成 <Gian> 模塊的輸入輸出口信號(hào)線的連接（ 9）圖 8.2-8 改變 <Gain> 模塊的增益圖 8.2-9完成連線和增益設(shè)置后的模

6、型窗（ 10）圖 8.2-10實(shí)現(xiàn)初始位移0.05 設(shè)置的 <Integrator1> 設(shè)置窗（ 11）（ 12）圖 8.2-11完全符合題給要求的系統(tǒng)仿真模型圖 8.2-12默認(rèn)設(shè)置下示波器顯示的信號(hào)曲線（ 13）圖 8.2-13經(jīng)縱軸范圍自動(dòng)調(diào)整后顯示的信號(hào)曲線2 創(chuàng)建微分方程的向量化塊圖模型【例 8.2-2】利用模塊的向量處理能力，建立例8.2-1 系統(tǒng)的 Simulink 仿真模型。（ 1）（ 2）圖 8.2-13示波器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框圖 8.2-14上顯示窗的縱坐標(biāo)范圍設(shè)置（ 3）（ 4）圖 8.2-15利用庫(kù)模塊處理向量信號(hào)的能力構(gòu)件的仿真模型圖 8.2-16 exm08

7、0202.mdl 運(yùn)行后顯示的曲線（ 5）（ 6）圖 8.2-17在仿真參數(shù)配置窗中把最大步長(zhǎng)修改為0.143 積分模塊(a)(b)圖 8.2-18積分模塊的默認(rèn)外形和最多端口外形（ 1）（ 2）8.2.2狀態(tài)空間建模1 狀態(tài)空間模塊及其建模應(yīng)用圖 8.2-19狀態(tài)空間庫(kù)模塊的圖標(biāo)【例8.2-3 】在圖8.2-20 所示的倒立擺（InvertedPendulum ）系統(tǒng)中，定義狀態(tài)變量x1, x2, x3x, x4 x ，輸出量 y1, y 2x 。輸入量由 uKx 全狀態(tài)反饋產(chǎn)生，倒立擺系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)由式（8.2-9 ）的狀態(tài)方程（ State Equation ）描述。試用Simulnk 塊圖

8、模型研究該系統(tǒng)在x(0)0.1000 T 初始條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖 8.2-20 倒立擺示意圖xAxBuy Cx（ 8.2-9 ）u Kx0100020.6 0 1000其中，A11000， B0001， C001，000.49050000.5K298.150460.6972163.098973.3945。（ 1）圖 8.2-21 用狀態(tài)空間模塊構(gòu)建的解題模型（ 2）圖8.2-22 狀態(tài)空間模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話窗（ 3）圖 8.2-23倒立擺的擺角和小車位移的動(dòng)態(tài)曲線2 模型內(nèi)存和模型瀏覽器（ 1）圖 8.2-24模型瀏覽器和模型內(nèi)存（ 2）【例 8.2-4】基于式（ 8.2-14），借助狀態(tài)空間

9、 <State-Space>模塊構(gòu)建例 8.2-3 倒立擺系統(tǒng)的解題模型（參見(jiàn)圖 8.2-21）。（ 1）圖 8.2-25 據(jù)式（ 8.2-14）構(gòu)造的解題模型（ 2）（ 3）圖 8.2-26選中“模型內(nèi)存”節(jié)點(diǎn)形成的操控區(qū)（ 4）8.2.3傳遞函數(shù)建模及模型內(nèi)存的操控1 單位脈沖信號(hào)的近似實(shí)現(xiàn)（ 1）近似單位脈沖的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（ 2）借助階躍函數(shù)合成近似單位脈沖（ 3）借助脈沖發(fā)生器生成近似單位脈沖2 傳遞函數(shù)模塊和非零初始系統(tǒng)建模圖 8.2-27傳遞函數(shù)庫(kù)模塊的圖標(biāo)【例 8.2-5】已知圖 8.2-1 所示彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)中，質(zhì)量 m1 kg，阻尼 b2N.sec/m，彈簧系數(shù)k100 N/m ，質(zhì)量塊的初始位移x(0)0.05 m，初始速度x(0)0.5 m/sec，方向與位移一致的外力f (t)f au(t )10u(t)， u(t