第七章 Simulink仿真

1、第七章 Simulink仿真仿真 自動化與電氣工程學(xué)院許春磊第七章 Simulink仿真仿真 71 Simulink基礎(chǔ) 72 Simulink模型操作和仿真系統(tǒng)設(shè)置 73 系統(tǒng)建模實(shí)例 74 仿真系統(tǒng)中的子系統(tǒng) Simulink是MATLAB軟件的一個軟件包，能夠?qū)恿W(xué)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真以及各種分析。Simulink仿真模擬支持完全的圖形化界面。 Simulink提供了圖形用戶界面，使得構(gòu)建模型變的更直觀、簡單，只需要鼠標(biāo)的點(diǎn)擊與拖放。Simulink模塊是分層次結(jié)構(gòu)的，為用戶尋找需要的模塊提供了方便，提高了工作效率。所以Simulink是MATLAB軟件一個非常重要的組成部分。 7.1

2、Simulink基礎(chǔ)基礎(chǔ) 1.啟動Simulink的兩種方法： a.通過點(diǎn)擊工具欄 “ ” 圖標(biāo)啟動； b.在MATLAB命令窗口輸入simulink然后點(diǎn)擊回車鍵啟動。 打開的Simulink Library Browser 2. Simulink模塊庫瀏覽器模塊庫瀏覽器名稱描述Commonly Used Blocks常用模塊庫Continuous連續(xù)信號模塊庫Discontinuities不連續(xù)信號模塊庫Discrete離散信號模塊庫Logic and Bit Operations邏輯和位操作模塊庫Lookup Tables查表模塊庫Math Operations數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫Model

3、Verification模型確認(rèn)模塊庫Model-Wide Utilities模型工具模塊庫Ports & Subsystems端口和子系統(tǒng)模塊庫Signal Attributes信號貢獻(xiàn)模塊庫Signal Routing信號傳輸模塊庫Sinks信號接收器模塊庫Sources信號源模塊庫User-Defined Functions用戶定義函數(shù)模塊庫Additional Math & Discrete附加數(shù)學(xué)和離散模塊庫3. Commonly Used Blocks模塊庫模塊庫常用模塊庫中模塊常用模塊庫中模塊模塊名稱描述Bus Creator母線產(chǎn)生器Bus Selector母線

4、選擇器Constant常數(shù)Data Type Conversion數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換Delay延遲Demux拆分信號Discrete-Time Integrator離散時間積分器Gain增益Ground接地In1輸入Integrator積分器Logical Operator邏輯算符Mux合并信號Out1輸出Product相乘Relational Operator關(guān)系算符Saturation飽和度Scope示波器Subsystem子系統(tǒng)Sum求和Switch開關(guān)Terminator終端Vector Concatenate矢量連接4. Simulink模型窗口模型窗口 模型窗口含有菜單欄、工具欄、編輯框

5、和狀態(tài)欄等部分5. Simulink建模仿真示例建模仿真示例 例例7.1 用Simulink模擬正弦信號產(chǎn)生與輸出。 創(chuàng)建Simulink的步驟： (1) 創(chuàng)建新模型界面 (2) 添加正弦信號產(chǎn)生模塊和波形顯示模塊 (3) 模塊屬性設(shè)置 (4) 運(yùn)行仿真系統(tǒng)正弦信號模塊屬性設(shè)定正弦信號模塊屬性設(shè)定示波器屬性設(shè)置窗口示波器屬性設(shè)置窗口系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果練一練 如何產(chǎn)生余弦信號？ 如何產(chǎn)生振幅為3的余弦信號？ 如何產(chǎn)生振幅為3、周期為4的余弦信號？例例7.2 用用Simulink模擬模擬chirp信號和正弦信號疊加的信號輸出信號和正弦信號疊加的信號輸出。Sine Wave模塊屬性設(shè)置Chir

6、p Signal模塊屬性設(shè)置屬性設(shè)置窗口示波器屬性設(shè)置示波器結(jié)果圖練一練 仿真正弦信號與chirp信號相乘的波形圖，示波器同時觀察三個波形。 例7.3 現(xiàn)有一待顯示圖形函數(shù)為 現(xiàn)需要在同一示波器中分別顯示 ， 和 曲線。212( )2*sinxf xxesin x212xe( )f x作業(yè)： 請借助Simulink工具完成將攝氏度轉(zhuǎn)換為華氏度，公式如下：9325fcTT7.2 Simulink模型操作和仿真系統(tǒng)設(shè)置模型操作和仿真系統(tǒng)設(shè)置 7.2.1 Simulink模型操作模型操作 操作模塊操作模塊 操作連線操作連線 7.2.2 Simulink仿真系統(tǒng)設(shè)置仿真系統(tǒng)設(shè)置 例例7.4 借助積分器

7、求微分方程 其中 為單位階躍函數(shù)。0.20.40.2 ( )xxxu t( )u t0.2 ( )0.40.2xu txx 方法1： 解：將微分方程改寫為73 系統(tǒng)建模實(shí)例系統(tǒng)建模實(shí)例0.2 ( )0.40.2xu txx圖形窗口屬性設(shè)置最終仿真結(jié)果 % EXAMP070031 % (從工作空間加載數(shù)據(jù)). t=simout.x.Time(:); %輸入信號標(biāo)線為x x=simout.x.Data(:); % (在變量x中尋找最大值). xm,km=max(x); % (繪制最終結(jié)果圖形). plot(t,x) hold on % (標(biāo)注x的最大值位置). plot(t(km),xm,ro,m

8、arkersize,15,linewidth,2); hold off grid on title(仿真結(jié)果)方法2： 解：傳輸函數(shù)20.20.20.4ss 方法3：狀態(tài)空間模型 G=tf(0.2,1 0.2 0.4) G1=ss(G)試一試 借助Simulink仿真求解微分方程 初始條件為210(1)10sin(2 )xxxxt(0)2,(0)2xx ，。 210sin(2 ) 10(1)xtxxx 例7.5 用Simulink創(chuàng)建系統(tǒng),求解非線性微分方程 其初始值為 ， 繪制函數(shù)的波形。2(32)44xxxxx(0)2,(0)0 xx 例7.6 力-質(zhì)量系統(tǒng)，要拉動一個箱子（拉力f=1N)

9、，箱子質(zhì)量為M(1kg)，箱子與地面存在摩擦力(b=0.4N(/m/s),其大小與車子的速度成正比。 其運(yùn)動方程式為xMxbf 拉力作用時間為2s，建構(gòu)的模型為 例7.7 下圖所示簡單的單擺系統(tǒng),假設(shè)桿的長度為L,且質(zhì)量不計,鋼球的質(zhì)量為m.單擺的運(yùn)動可以以線性的微分方程式來近似,但事實(shí)上系統(tǒng)的行為是非線性的,而且存在粘滯阻尼,假設(shè)粘滯阻尼系數(shù)為bkg/ms-1. 選取b=0.03,g=9.8,L=0.8,m=0.3,所構(gòu)建的模型 mLbLmgsin 單擺系統(tǒng)的運(yùn)動方程式為 24. 0024. 0sin94. 2 1 . 0sin25.12Integrator初始狀態(tài)為0Integrator1

10、初始狀態(tài)為1創(chuàng)建Simulink仿真系統(tǒng)模型步驟如下：(1) 將Sources模塊庫中Signal Generator模塊拖入模型窗口；將Continuous模塊庫中State-Space模塊拖入模型窗口；將Sinks模塊庫中Scope模塊拖入模型窗口。(2) 連線，設(shè)置模塊屬性。Signal Generator模塊，Wave form設(shè)置為square，Amplitude設(shè)置為25；State-Space模塊，Parameters A設(shè)置為-1/0.02, -0.3/0.02; 0.3/0.0001, -0.000005/0.0001，B設(shè)置為1/0.02; 0，C設(shè)置為0, 1，D設(shè)置為0

11、，Initial conditions設(shè)置為1, 10。結(jié)果如圖7.40所示。(3) 將上面仿真系統(tǒng)模型保存為EXAMP07006，Stop time設(shè)置為2秒。作業(yè)： 請借助Simulink工具完成下面動力學(xué)系統(tǒng)仿真411( )cos(2)cos(6)cos(10)925x tttt7.4 仿真系統(tǒng)中的子系統(tǒng)仿真系統(tǒng)中的子系統(tǒng) 7.4.1 創(chuàng)建子系統(tǒng)創(chuàng)建子系統(tǒng) 當(dāng)用戶創(chuàng)建一些模塊能夠?qū)崿F(xiàn)某些特定功能，想把這些模塊變成子系統(tǒng)。操作步驟如下： (1) 將需要放到子系統(tǒng)中的所有模塊都選中； (2) 選擇菜單/Diagram/Subsystem & model Referecence/Cre

12、ate Subsystem from Selection命令，或者單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選擇Create Subsystem from Selection命令，子系統(tǒng)建立。 通過Subsystem模塊創(chuàng)建子系統(tǒng)，可以按照下面步驟： (1) 打開Simulink模塊庫，將Ports & Sybsystems模塊庫中Subsystem模塊拖入模型窗口； (2) 雙擊Subsystem模塊，打開Subsystem窗口； (3) 把要組合的模塊拖入Subsystem窗口內(nèi)，然后在窗口中加入Inport模塊表示從子系統(tǒng)外部到內(nèi)部的輸入，加入Output模塊表示從子系統(tǒng)內(nèi)部到外部的輸出，把這些

13、模塊按順序連接起來，子系統(tǒng)建立。 例例7.9 PID控制器是在自動控制中經(jīng)常使用的模塊，在工程應(yīng)用中其標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字模型為 其中采用了一階環(huán)節(jié)來近似純微分動作，為保證有良好的微分近似的效果，一般選 。試建立PID控制器的模型并建立子系統(tǒng)。1( )(1) ( )1/dpidT sU sKE sTsT s N10N 借助Simulink創(chuàng)建PID控制器模型步驟如下：(1) 將Sources模塊庫中In1模塊拖入模型窗口；將Sinks模塊庫中Out1模塊拖入模型窗口；將Math Operations模塊庫中Grain模塊和Add模塊拖入模型窗口；將Continuous模塊庫中2個Transfer Fcn

14、模塊拖入模型窗口。(2) 連線，設(shè)置各個模塊屬性。Gain模塊，Gain屬性設(shè)置為Kp；Transfer Fcn模塊，Parameters中Denominator coefficients設(shè)置為Ti 0；Transfer Fcn1模塊，Parameters中Numerator coefficients設(shè)置為Td 0，Denominator coefficients設(shè)置為Td/N 1；Add模塊，List of signs設(shè)置為+。創(chuàng)建子系統(tǒng)有兩種方法，方法一步驟如下：(1) 按住shift鍵，通過鼠標(biāo)選中Gain模塊、Transfer Fcn模塊、Transfer Fcn1模塊和Add模塊；(

15、2) 單擊鼠標(biāo)右鍵打開懸掛菜單，選中Create subsystem from selection命令，子系統(tǒng)建立；也可以借助快捷鍵ctrl+G創(chuàng)建子系統(tǒng)。方法二步驟如下：(1) 將Ports & Subsystems模塊庫中拖入建模窗口；(2) 雙擊Subsystem模塊，打開子系統(tǒng)窗口；(3) 將Math Operations模塊庫中Grain模塊和Add模塊拖入模型窗口；將Continuous模塊庫中2個Transfer Fcn模塊拖入模型窗口；(4) 連線，設(shè)置各個模塊屬性。Gain模塊，Gain屬性設(shè)置為Kp；Transfer Fcn模塊，Parameters中Denomin

16、ator coefficients設(shè)置為Ti 0；Transfer Fcn1模塊，Parameters中Numerator coefficients設(shè)置為Td 0，Denominator coefficients設(shè)置為Td/N 1；Add模塊，List of signs設(shè)置為+。子系統(tǒng)建立。7.4.2 子系統(tǒng)的條件執(zhí)行子系統(tǒng)的條件執(zhí)行 1. 使能子系統(tǒng) 例例7.10 利用使能子系統(tǒng)構(gòu)成一個正弦半波整流器創(chuàng)建子系統(tǒng)步驟如下：(1) 打開Simulink Library Browser窗口，創(chuàng)建一仿真模型；(2) 將Sources模塊庫中Sine Wave模塊拖入模型窗口；將Ports &

17、 Subsystems中的Enabled Subsystem模塊拖入模型窗口；將Sinks模塊庫中Scope模塊拖入模型窗口；(3) 連線，設(shè)置模塊屬性。Scope模塊，Number of axes設(shè)置為2。設(shè)置Stop time為20秒。2. 觸發(fā)子系統(tǒng)觸發(fā)子系統(tǒng) 觸發(fā)事件由系統(tǒng)內(nèi)觸發(fā)模塊對話框定義，有4種觸發(fā)事件形式可以選擇： (1) rising：觸發(fā)信號以增長的方式穿越0時，子系統(tǒng)開始接收輸入值； (2) falling：觸發(fā)信號以減小的方式穿越0時，子系統(tǒng)開始接收輸入值； (3) either：每當(dāng)觸發(fā)信號穿越0時，子系統(tǒng)開始接收輸入值； (4) function-call：這種觸發(fā)

18、方式必須和S函數(shù)配合使用。 Trigger模塊參數(shù)設(shè)置對話框中，有Show output port復(fù)選框，表示是否為Trigger模塊添加一個輸出端口，用來輸出控制信號。選中后，下面參數(shù)Output data type被激活，在這里的輸出控制信號的類型，含有auto、int8和double類型。例例7.11 利用觸發(fā)子系統(tǒng)獲取零階保持的采樣信號實(shí)例創(chuàng)建模型步驟如下：(1) 將Sources模塊庫中Pulse Generator模塊和Sine Wave模塊拖入建模窗口；將Sinks模塊庫中Scope拖入建模窗口；將Ports & Subsystems模塊庫中Triggered Subsy

19、stem模塊拖入模型窗口。(2) 連線，模塊屬性設(shè)置。Pulse Generator模塊，Period設(shè)置為1，Pulse Width設(shè)置為50；Scope模塊，Number of axes設(shè)置為3，y軸的顯示范圍定義為-1.5到1.5，背景設(shè)計顏色設(shè)置為白色，線條都設(shè)置為黑色；其它屬性及其它模塊輸定都采用默認(rèn)值。(3) 雙擊Triggered Subsystem模塊，打開觸發(fā)子系統(tǒng)窗口，在In1模塊和Out1模塊之間添加一個Slider Gain模塊，所有屬性都采用默認(rèn)值。Stop time設(shè)置為20秒。7.4.3 封裝子系統(tǒng)封裝子系統(tǒng) 封裝子系統(tǒng)的創(chuàng)建步驟為：(1) 創(chuàng)建仿真系統(tǒng)模型；(2) 創(chuàng)建子系統(tǒng)；(3) 在選中子系統(tǒng)情況下，通過菜單/Diagram/Mask/Create Mask命令或者快捷組合鍵ctrl+M，打開屬性設(shè)置窗口，可以設(shè)置封裝子系統(tǒng)的參數(shù)屬性、模塊描述、幫助說明等，完成子系統(tǒng)封裝。例例7.12 封裝子系統(tǒng)創(chuàng)建創(chuàng)建封裝子系統(tǒng)步驟如下：(1) 將Sources模塊庫中2個In1模塊