第8章交互式仿真集成環(huán)境SIMULINK課件

第8章SIMULINK動態(tài)仿真集成環(huán)境朱亨榮、賀兵SIMULINK是MATLAB的重要組件之一，它提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。第8章SIMULINK動態(tài)仿真集成環(huán)境8.1Simulink操作基礎8.2系統(tǒng)仿真模型8.3系統(tǒng)的仿真8.4使用命令操作對系統(tǒng)進行仿真8.5子系統(tǒng)及其封裝技術8.6S函數(shù)的設計與應用8.1Simulink操作基礎8.1.1Simulink簡介Simulink是MATLAB的重要組成部分，提供建立系統(tǒng)模型、選擇仿真參數(shù)和數(shù)值算法、啟動仿真程序對該系統(tǒng)進行仿真、設置不同的輸出方式來觀察仿真結果等功能。8.1.2Simulink的啟動與退出1．Simulink的啟動在MATLAB的命令窗口輸入simulink或單擊MATLAB主窗口工具欄上的Simulink命令按鈕即可啟動Simulink。Simulink啟動后會顯示Simulink模塊庫瀏覽器(SimulinkLibraryBrowser)窗口。在MATLAB主窗口File菜單中選擇New菜單項下的Model命令，在出現(xiàn)Simulink模塊庫瀏覽器的同時，還會出現(xiàn)一個名字為untitled的模型編輯窗口。在啟動Simulink模塊庫瀏覽器后再單擊其工具欄中的Createanewmodel命令按鈕，也會彈出模型編輯窗口。利用模型編輯窗口，可以通過鼠標的拖放操作創(chuàng)建一個模型。模型創(chuàng)建完成后，從模型編輯窗口的File菜單項中選擇Save或SaveAs命令，可以將模型以模型文件的格式(擴展名為.mdl)存入磁盤。如果要對一個已經存在的模型文件進行編輯修改，需要打開該模型文件，其方法是，在MATLAB命令窗口直接輸入模型文件名(不要加擴展名.mdl)。在模塊庫瀏覽器窗口或模型編輯窗口的File菜單中選擇Open命令，然后選擇或輸入欲編輯模型的名字，也能打開已經存在的模型文件。另外，單擊模塊庫瀏覽器窗口工具欄上的Openamodel命令按鈕或模型編輯窗口工具欄上的Openmodel命令按鈕，也能打開已經存在的模型文件。2．Simulink的退出為了退出Simulink，只要關閉所有模型編輯窗口和Simulink模塊庫瀏覽器窗口即可。8.2.1Simulink的基本模塊Simulink的模塊庫提供了大量模塊。單擊模塊庫瀏覽器中Simulink前面的“+”號，將看到Simulink模塊庫中包含的子模塊庫，單擊所需要的子模塊庫，在右邊的窗口中將看到相應的基本模塊，選擇所需基本模塊，可用鼠標將其拖到模型編輯窗口。同樣，在模塊庫瀏覽器左側的Simulink欄上單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中單擊Openthe‘Simulink’Libray命令，將打開Simulink基本模塊庫窗口。單擊其中的子模塊庫圖標，打開子模塊庫，找到仿真所需要的基本模塊。8.2系統(tǒng)仿真模型8.2.2模塊的編輯1．添加模塊2．選取模塊3．復制與刪除模塊4．模塊外形的調整5．模塊名的處理8.2.3模塊的連接1．連接兩個模塊2．模塊間連線的調整3．連線的分支4．標注連線5．刪除連線8.2.4模塊的參數(shù)和屬性設置1．模塊的參數(shù)設置Simulink中幾乎所有模塊的參數(shù)都允許用戶進行設置，只要雙擊要設置的模塊或在模塊上按鼠標右鍵并在彈出的快捷菜單中選擇相應模塊的參數(shù)設置命令就會彈出模塊參數(shù)對話框。該對話框分為兩部分，上面一部分是模塊功能說明，下面一部分用來進行模塊參數(shù)設置。同樣，先選擇要設置的模塊，再在模型編輯窗口Edit菜單下選擇相應模塊的參數(shù)設置命令也可以打開模塊參數(shù)對話框。2．模塊的屬性設置選定要設置屬性的模塊，然后在模塊上按鼠標右鍵并在彈出的快捷菜單中選擇Blockproperties，或先選擇要設置的模塊，再在模型編輯窗口的Edit菜單下選擇Blockproperties命令，將打開模塊屬性對話框。該對話框包括General、Blockannotation和Callbacks3個可以相互切換的選項卡。其中選項卡中可以設置3個基本屬性：Description(說明)、Priority(優(yōu)先級)、Tag(標記)。例8-1有系統(tǒng)的微分方程，試建立系統(tǒng)仿真模型。操作過程如下：(1)在MATLAB主菜單中，選擇File菜單中New菜單項的Model命令，打開一個模型編輯窗口。(2)將所需模塊添加到模型中。(3)設置模塊參數(shù)并連接各個模塊組成仿真模型。設置模塊參數(shù)后，用連線將各個模塊連接起來組成系統(tǒng)仿真模型。模型建好后，從模型編輯窗口的File菜單中選擇Save或Saveas命令將它存盤。 8.3系統(tǒng)的仿真8.3.1設置仿真參數(shù)打開系統(tǒng)仿真模型，從模型編輯窗口的Simulation菜單中選擇Simulationparameters命令，打開一個仿真參數(shù)對話框，在其中可以設置仿真參數(shù)。仿真參數(shù)對話框包含5個可以相互切換的選項卡：(1)Solver選項卡：用于設置仿真起始和停止時間，選擇微分方程求解算法并為其規(guī)定參數(shù)，以及選擇某些輸出選項。(2)WorkspaceI/O選項卡：用于管理對MATLAB工作空間的輸入和輸出。(3)Diagnostics選項卡：用于設置在仿真過程中出現(xiàn)各類錯誤時發(fā)出警告的等級。(4)Advanced選項卡：用于設置一些高級仿真屬性，更好地控制仿真過程。(5)Real-timeWorkshop選項卡：用于設置若干實時工具中的參數(shù)。如果沒有安裝實時工具箱，則將不出現(xiàn)該選項卡。8.3.2啟動系統(tǒng)仿真與仿真結果分析設置完仿真參數(shù)之后，從Simulation中選擇Start菜單項或單擊模型編輯窗口中的StartSimulation命令按鈕，便可啟動對當前模型的仿真。此時，Start菜單項變成不可選,而Stop菜單項變成可選,以供中途停止仿真使用。從Simulation菜單中選擇Stop項停止仿真后，Start項又變成可選。為了觀察仿真結果的變化軌跡可以采用3種方法：(1)把輸出結果送給Scope模塊或者XYGraph模塊。(2)把仿真結果送到輸出端口并作為返回變量，然后使用MATLAB命令畫出該變量的變化曲線。

(3)把輸出結果送到ToWorkspace模塊，從而將結果直接存入工作空間，然后用MATLAB命令畫出該變量的變化曲線。例8-2利用Simulink仿真曲線。仿真過程如下：(1)啟動Simulink并打開模型編輯窗口。(2)將所需模塊添加到模型中。(3)設置模塊參數(shù)并連接各個模塊組成仿真模型。設置模塊參數(shù)后，用連線將各個模塊連接起來組成仿真模型。(4)設置系統(tǒng)仿真參數(shù)。(5)開始系統(tǒng)仿真。(6)觀察仿真結果。例8-3利用Simulink仿真求定積分。仿真過程如下：(1)打開一個模型編輯窗口。(2)將所需模塊添加到模型中。(3)設置模塊參數(shù)并連接各個模塊組成仿真模型。(4)設置系統(tǒng)仿真參數(shù)。(5)開始系統(tǒng)仿真。(6)觀察仿真結果。8.3.3系統(tǒng)仿真實例至此，可以總結出利用Simulink進行系統(tǒng)仿真的步驟如下：(1)建立系統(tǒng)仿真模型，這包括添加模塊、設置模塊參數(shù)以及進行模塊連接等操作。(2)設置仿真參數(shù)。(3)啟動仿真并分析仿真結果。例12-4有初始狀態(tài)為0的二階微分方程x"+0.2x'+0.4x=0.2u(t),其中u(t)是單位階躍函數(shù)，試建立系統(tǒng)模型并仿真。方法1：用積分器直接構造求解微分方程的模型。方法2：利用傳遞函數(shù)模塊建模。方法3：利用狀態(tài)方程模塊建模。8.4使用命令操作對系統(tǒng)進行仿真從命令窗口運行仿真的函數(shù)有4個，即sim、simset、simget和set_param。1．sim函數(shù)sim函數(shù)的作用是運行一個由Simulink建立的模型，其調用格式為：[t,x,y]=sim(modname,timespan,options,data);2．simset函數(shù)simset函數(shù)用來為sim函數(shù)建立或編輯仿真參數(shù)或規(guī)定算法，并把設置結果保存在一個結構變量中。它有如下4種用法：(1)options=simset(property,value,…)：把property代表的參數(shù)賦值為value，結果保存在結構options中。(2)options=simset(old_opstruct,property,value,…)：把已有的結構old_opstruct(由simset產生)中的參數(shù)property重新賦值為value，結果保存在新結構options中。(3)options=simset(old_opstruct,new_opstruct)：用結構new_opstruct的值替代已經存在的結構old_opstruct的值。(4)simset：顯示所有的參數(shù)名和它們可能的值。3．simget函數(shù)simget函數(shù)用來獲得模型的參數(shù)設置值。如果參數(shù)值是用一個變量名定義的，simget返回的也是該變量的值而不是變量名。如果該變量在工作空間中不存在(即變量未被賦值)，則Simulink給出一個出錯信息。該函數(shù)有如下3種用法：(1)struct=simget(modname)：返回指定模型model的參數(shù)設置的options結構。(2)value=simget(modname,property)：返回指定模型model的參數(shù)property的值。(3)value=simget(options,property)：獲取options結構中的參數(shù)property的值。如果在該結構中未指定該參數(shù)，則返回一個空陣。用戶只需輸入能夠唯一識別它的那個參數(shù)名稱的前幾個字符即可，對參數(shù)名稱中字母的大小寫不作區(qū)別。4．set_param函數(shù)set_param函數(shù)的功能很多，這里只介紹如何用set_param函數(shù)設置Simulink仿真參數(shù)以及如何開始、暫停、終止仿真進程或者更新顯示一個仿真模型。(1)設置仿真參數(shù)調用格式為：set_param(modname,property,value,…)其中modname為設置的模型名，property為要設置的參數(shù)，value是設置值。這里設置的參數(shù)可以有很多種，而且和用simset設置的內容不盡相同，相關參數(shù)的設置可以參考有關資料。(2)控制仿真進程調用格式為：set_param(modname,'SimulationCommand','cmd')其中mode為仿真模型名稱，而cmd是控制仿真進程的各個命令，包括start、stop、pause、comtinue或update。在使用這兩個函數(shù)的時候，需要注意必須先把模型打開。8.5子系統(tǒng)及其封裝技術8.5.1子系統(tǒng)的建立建立子系統(tǒng)有兩種方法：通過Subsystem模塊建立子系統(tǒng)和通過已有的模塊建立子系統(tǒng)。兩者的區(qū)別是：前者先建立子系統(tǒng)，再為其添加功能模塊；后者先選擇模塊，再建立子系統(tǒng)。1．通過Subsystem模塊建立子系統(tǒng)操作步驟為：(1)先打開Simulink模塊庫瀏覽器，新建一個仿真模型。(2)打開Simulink模塊庫中的Ports&Subsystems模塊庫，將Subsystem模塊添加到模型編輯窗口中。(3)雙擊Subsystem模塊打開一個空白的Subsystem窗口，將要組合的模塊添加到該窗口中，另外還要根據(jù)需要添加輸入模塊和輸出模塊，表示子系統(tǒng)的輸入端口和輸出端口。這樣，一個子系統(tǒng)就建好了。2．通過已有的模塊建立子系統(tǒng)操作步驟為：(1)先選擇要建立子系統(tǒng)的模塊，不包括輸入端口和輸出端口。(2)選擇模型編輯窗口Edit菜單中的CreateSubsystem命令，這樣，子系統(tǒng)就建好了。在這種情況下，系統(tǒng)會自動把輸入模塊和輸出模塊添加到子系統(tǒng)中，并把原來的模塊變?yōu)樽酉到y(tǒng)的圖標。例8-5PID控制器是在自動控制中經常使用的模塊，試建立PID控制器的模型并建立子系統(tǒng)。步驟如下：(1)先建立PID控制器的模型。(2)建立子系統(tǒng)。8.5.2子系統(tǒng)的條件執(zhí)行1．使能子系統(tǒng)建立使能子系統(tǒng)的方法是：打開Simulink模塊庫中的Ports&Subsystems模塊庫，將Enable模塊復制到子系統(tǒng)模型中，則系統(tǒng)的圖標發(fā)生了變化。例8-6利用使能子系統(tǒng)構成一個正弦半波整流器。操作步驟如下：(1)打開Simulink模塊庫瀏覽器并新建一個仿真模型。(2)將SineWave、EnabledSubsystem、Scope3個模塊拖至新打開的模型編輯窗口，連接各模塊并存盤。其中使能信號端接SineWave模塊。為了便于比較，除顯示半波整流波形外，還顯示正弦波，故在示波器屬性窗口將Numberofaxes設置為2。使能子系統(tǒng)建立好后，可對Enable模塊進行參數(shù)設置。

(3)選擇Simulink菜單中的Start命令，就可看到半波整流波形和正弦波形。2．觸發(fā)子系統(tǒng)觸發(fā)子系統(tǒng)是指當觸發(fā)事件發(fā)生時開始執(zhí)行子系統(tǒng)。與使能子系統(tǒng)相類似，觸發(fā)子系統(tǒng)的建立要把Ports&Subsystems模塊庫中的Trigger模塊添加到子系統(tǒng)中或直接選擇TriggeredSubsystem模塊來建立觸發(fā)子系統(tǒng)。例8-7利用觸發(fā)子系統(tǒng)將一鋸齒波轉換成方波。操作步驟如下：(1)用SignalGenerator、TriggeredSubsystem和Scope模塊構成子系統(tǒng)。(2)選擇Simulink菜單中的Start命令，就可看到波形。3．使能加觸發(fā)子系統(tǒng)所謂使能加觸發(fā)子系統(tǒng)就是把Enable和Tirgger模塊都加到子系統(tǒng)中，使能控制信號和觸發(fā)控制信號共同作用子系統(tǒng)的執(zhí)行，也就是前兩種子系統(tǒng)的綜合。該系統(tǒng)的行為方式與觸發(fā)子系統(tǒng)相似，但只有當使能信號為正時，觸發(fā)事件才起作用。

所謂子系統(tǒng)的封裝(Masking)，就是為子系統(tǒng)定制對話框和圖標，使子系統(tǒng)本身有一個獨立的操作界面，把子系統(tǒng)中的各模塊的參數(shù)對話框合成一個參數(shù)設置對話框，在使用時不必打開每個模塊進行參數(shù)設置，這樣使子系統(tǒng)的使用更加方便。子系統(tǒng)的封裝過程很簡單，先選中所要封裝的子系統(tǒng)，再選擇模型編輯窗口Edit菜單中的Masksubsystem命令，這時將出現(xiàn)封裝編輯器(MaskEditor)對話框。MaskEditor對話框中共包括4個選項卡：Icon、Parameters、Initialization和Documentation。子系統(tǒng)的封裝主要就是對這4頁參數(shù)進行設置。8.5.3子系統(tǒng)的封裝S函數(shù)稱為系統(tǒng)函數(shù)(SystemFunction)，它有固定的程序格式。用MATLAB語言可以編寫S函數(shù)，此外還可以采用C、C++、FORTRAN和Ada等語言編寫。8.6.1用MATLAB語言編寫S函數(shù)編寫S函數(shù)有一套固定的規(guī)則，為此，Simulink提供了一個用M文件編寫S函數(shù)的模板。該模板程序存放在toolbox\simulink\blocks目錄下，文件名為sfuntmpl.m。用戶可以從這個模板出發(fā)構建自己的S函數(shù)。8.6S函數(shù)的設計與應用1．主程序S函數(shù)主程序的引導語句為：function[sys,x0,str,ts]=fname(t,x,u,flag)2．子程序S函數(shù)M文件共有6個子程序，供Simulink在仿真的不同階段調用。8.6.2S函數(shù)的應用例12-8采用S函數(shù)實現(xiàn)模塊y=nx，即模塊的功能是把一個輸入信號n倍以后再輸出。(1)利用MATLAB語言M文件。(2)模塊的封裝與測試。8.6.2S函數(shù)的應用以科技為動力,以質量求發(fā)展。7月-237月-23Friday,July21,2023群策群力科學管理戒驕戒躁杜絕事故。10:17:5910:17:5910:177/21/202310:17:59AM安全靠規(guī)章，嚴守不能忘。7月-2310:17:5910:17Jul-2321-Jul-23安全生產，人人有責。10:17:5910:17:5910:17Friday,July21,2023ISO9000不是口號，是實際的付出，行動的配合。7月-237月-2310:17:5910:17:59July21,2023質量是需要全員參與管理才能生產出顧客滿意的產品。2023年7月21日10:17上午7月-237月-23驕傲自滿是事故的導火線謙虛謹慎是安全的鋪路石。21七月202310:17:59上午10:17:597月-23安不可忘危治不可忘亂。七月2310:17上午7月-2310:17July21,2023品質—是獲得信任的砝碼，是競爭致勝關鍵，是永無止境的追求，價值和尊嚴的起點。2023/7/2110:17:5910:17:5921July2023安全檢查是隱患的“掃描儀”，管理體系是安全的“助力器”。10:17:59上午10:17上午10:17:597月-23快刀不磨會生銹安全不抓出紕漏。7月-237月-2310:1710:17:5910:17:59