第八章Simulink交互式仿真

本文格式為Word版，下載可任意編輯——第八章Simulink交互式仿真

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

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MATLAB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，特別是創(chuàng)立較繁雜的模型，就必需有簡(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)立、工作機(jī)理、以及應(yīng)用例如。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)置必需由“人〞通過(guò)對(duì)話窗進(jìn)行。而指令自動(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(xiě)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編程中用戶往往需要編寫(xiě)“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)立一些“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)立在本章的最終一節(jié)介紹。在這引言終止之前，本書(shū)讀者再次懇切地建議讀者：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(shū)光盤的mfile目錄上。

8.1

8.1.1

引導(dǎo)

Simulink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

（1）

（2）

（3）

創(chuàng)立塊圖模型的方法和基本環(huán)境

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

圖8.1-2Simulink庫(kù)瀏覽器的組成

（4）

（5）

8.2

8.2.11

連續(xù)系統(tǒng)建模

微分方程建模和積分模塊微分方程塊圖模型的創(chuàng)立和操作細(xì)節(jié)

在圖8.2-1所示的系統(tǒng)中，已知質(zhì)量m1kg，阻尼b2N.sec/m，彈簧系數(shù)

(0)0m/sec，要求創(chuàng)立k100N/m，且質(zhì)量塊的初始位移x(0)0.05m，其初始速度x

該系統(tǒng)的Simulink模型，并進(jìn)行仿真運(yùn)行。

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

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

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

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）

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

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

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

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)置后的模型窗

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

（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）

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

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）

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

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)立微分方程的向量化塊圖模型

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）

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

（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8.2-16exm080202.mdl運(yùn)行后顯示的曲線

（5）

（6）

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

圖8.2-17在仿真參數(shù)配置窗中把最大步長(zhǎng)修改為0.14

3積分模塊

(a)

圖8.2-18積分模塊的默認(rèn)外形和最多端口外形

(b)

（1）

（2）

8.2.21

狀態(tài)空間建模狀態(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)

在圖8.2-20所示的倒立擺（InvertedPendulum）系統(tǒng)中，定義狀態(tài)變量

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

,xx,xx，輸出量y1,y2x。輸入量由uKx全狀態(tài)反饋產(chǎn)x1,x234

生，倒立擺系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)由式（8.2-9）的狀態(tài)方程（StateEquation）描述。試用Simulnk塊圖模型研究該系統(tǒng)在x(0)0.10

00初始條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

T

圖8.2-20倒立擺示意圖

AxBux

yCx

uKx

（8.2-9）

01

1000其中，，B，C，00010

0.5

K298.150460.6972163.098973.3945。

（1）

0

20.601A

0

0.4905

10000000

0010

圖8.2-21用狀態(tài)空間模塊構(gòu)建的解題模型

（2）

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

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

（1）

模型內(nèi)存和模型瀏覽器

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

圖8.2-24模型瀏覽器和模型內(nèi)存

（2）

基于式（8.2-14），借助狀態(tài)空間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）

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

圖8.2-26選中“模型內(nèi)存〞節(jié)點(diǎn)形成的操控區(qū)

（4）

8.2.31

傳遞函數(shù)建模及模型內(nèi)存的操控單位脈沖信號(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)

已知圖8.2-1所示彈簧—質(zhì)量—阻尼系統(tǒng)中，質(zhì)量m1kg，阻尼b2N.sec/m，

(0)0.5m/sec，方彈簧系數(shù)k100N/m，質(zhì)量塊的初始位移x(0)0.05m，初始速度x

向與位移一致的外力f(t)fau(t)10u(t)，u(t)是單位階躍函數(shù)。要求創(chuàng)立該系統(tǒng)的Simulink模型，并進(jìn)行仿真運(yùn)行。

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

圖8.2-28借助傳遞函數(shù)模塊構(gòu)建的模型

（1）根據(jù)物理規(guī)律建立理論傳遞函數(shù)模型

（2）構(gòu)建圖8.2-28所示Simulink傳遞函數(shù)模型的關(guān)鍵步驟

（3）仿真運(yùn)行

圖8.2-29在外力作用下質(zhì)量塊的位移曲線

8.3

8.3.1

子系統(tǒng)和分層模型

創(chuàng)立簡(jiǎn)裝子系統(tǒng)的套裝法

4

圖8.3-1所示的硬盤（HardDisks）是電腦中最重要的存儲(chǔ)設(shè)備之一。工作時(shí)，讀寫(xiě)頭（Read-WriteHead）在（10圈/分）高速旋轉(zhuǎn)的磁盤（Disk）上飛行（Fly），讀寫(xiě)頭與磁盤的距離在10納米數(shù)量級(jí)。讀寫(xiě)頭裝在讀寫(xiě)臂（Arm）上。讀寫(xiě)臂由兩部分組成：根部由剛性材料制成，而頂部則由彈性簿片構(gòu)造。讀寫(xiě)臂由音圈電機(jī)（VoiceCoilMotor）驅(qū)動(dòng)。音圈電機(jī)是永磁電機(jī)，其力矩采用電樞控制（Armature-Controlled）。讀寫(xiě)頭從磁道a運(yùn)動(dòng)到磁道b的時(shí)間在10~10毫秒數(shù)量級(jí)，且定位精度要小于1微米。為使驅(qū)動(dòng)裝置滿足以上性能要求，采用如圖8.3-2所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1

2

2

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

圖8.3-1硬盤驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意

圖8.3-2硬盤驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)示意

（1）

（2）

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

圖8.3-3驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型exm080301.mdl

（3）

（4）

（5）

圖8.3-4讀寫(xiě)頭的響應(yīng)曲線

以exm080301.mdl為基礎(chǔ)，為“硬盤驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)控制系統(tǒng)〞構(gòu)建一個(gè)如圖8.3-7所示的分層仿真模型。（1）

（2）

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

圖8.3-5第一個(gè)子系統(tǒng)生成后的中間模型

（3）

圖8.3-6由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)分層仿真模型

（4）

圖8.3-7經(jīng)重新布局和標(biāo)識(shí)后的頂層模型exm080302_1.mdl

（5）

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

圖8.3-8經(jīng)整理和重新標(biāo)識(shí)后的PID_Controller子系統(tǒng)

（6）

圖8.3-9模塊名稱重新標(biāo)識(shí)后的VoiceCoilMotor子系統(tǒng)

圖8.3-10模塊名稱重新標(biāo)識(shí)后的Read-WriteArmHead子系統(tǒng)

（7）保存模型并運(yùn)行仿真

8.3.2創(chuàng)立簡(jiǎn)裝子系統(tǒng)的容器法

問(wèn)題目標(biāo)與例8.3-2一致，即為“硬盤驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)控制系統(tǒng)〞建立一個(gè)與exm080302_1.mdl完全一致的Simulink分層模型（參見(jiàn)圖8.3-7）。（1）

精通matlab2023a文字版書(shū)籍值得珍藏書(shū)籍

圖8.3