6(II)-動態(tài)仿真集成環(huán)境-Simulink演示教學

6.3連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真6.3.1利用Simulink菜單命令進行仿真6.3.2利用MATLAB的指令操作方式進行仿真6.3.3模塊參數(shù)的動態(tài)交換9/26/202416.3.1仿真運行非常方便，直觀；可以以示波器的方式進行仿真結果的輸出與顯示也可以將仿真結果保存到MATLAB工作空間的變量中，以待進一步處理。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。啟動仿真：按工具欄的啟動圖標仿真的終止或中斷：按工具欄的終止圖標，按暫停圖標9/26/20242仿真參數(shù)的配置Simulation—configurationparameters仿真起始和終止時刻的設定；仿真步長的選擇；仿真算法的選擇；是否從外界獲得數(shù)據(jù)；是否向外界輸出數(shù)據(jù)9/26/202431解算器solverIsimulation—configurationparameters仿真時間設置(simulationtime)：starttime缺省為0，stoptime：缺省10s解算器(solveroptions)：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：仿真算法變步長連續(xù)解算器：maxstepsize:設置最大仿真步長，minstepsize:設置最小仿真步長，initialstepsize:設置初始仿真步長，zerocrossingcontrol:進行系統(tǒng)狀態(tài)變量不連續(xù)點的零穿越檢查，relativetolerance設置相對誤差容許限，absolutetolerance:設置絕對誤差容許限9/26/20244解算器solverIII--定步長(fixed-step)解算器periodicsampletimeconstraint:規(guī)定由仿真模型定義的采樣時間約束fixed-stepsize:設置定仿真步長的數(shù)值taskingmodeforperiodicsampletime:設置任務模式：單任務適用于具有相同采樣速率的情況，多任務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模式。9/26/20246解算器算法及選擇I--變步長算法ode45-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；ode23-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；ode113-可變階次的Adams-Bashforth-MoultonPECE多步算法，比ode45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)；ode15s-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；9/26/20247ode23s-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；ode23t-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)字阻尼的結果問題；ode23tb-使用TR-BDF2來實現(xiàn)的，基于二階隱式龍格庫塔公式；discrete-不含積分運算的變步長算法，適用于純離散系統(tǒng)，此時系統(tǒng)會自動選擇該算法9/26/20248解算器算法及選擇II--定步長算法ode5-定步長ode45算法；ode4-四階龍格庫塔法；ode3-定步長ode23算法；ode2-Henu方法，即改進歐拉法；ode1-即歐拉法，是一種最簡單的算法，精度最低，僅用來驗證結果；discrete(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9/26/20249ⅲ仿真數(shù)據(jù)輸入/輸出Iloadfromworkspace: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、結構體和時間串如果simulink模型中使用了“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為時間對應的數(shù)值；9/26/202410ⅲ仿真數(shù)據(jù)輸入/輸出Iinitialstate:用于設置由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xinitial9/26/202411例：從MATLAB工作空間導入數(shù)據(jù)應用實例e6_3.mdlt1=[0:0.01:10]';u1=[sin(t1),cos(t1)];x0=[2,2];然后設置loadfromworkspace9/26/202412ⅲ仿真數(shù)據(jù)輸入/輸出IISavetoworkspace：將仿真結果數(shù)據(jù)保存至MATLAB工作空間中；time：用于設置保存仿真運行時間的變量名；states：用于設置保存仿真運行的狀態(tài)變量名；output：用于設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finalstate：用于設置保存仿真運行的最終狀態(tài)變量名；9/26/202413ⅲ仿真數(shù)據(jù)輸入/輸出IIsaveoption:數(shù)據(jù)保存選項limitdatapointstolast:decimation:用于設置解點保存頻度，每隔n-1個點保存一個點format:用于設置數(shù)據(jù)保存格式，數(shù)組array、結構體structure和時間結構體structurewithtimeoutputoption:用于設置產(chǎn)生附加輸出信號數(shù)據(jù)，只適用于變步長解算器。refineoutput:平滑輸出；produceadditionaloutput:修改時間步長平滑輸出；producespecifiedoutputonly:在給定時間內(nèi)產(chǎn)生輸出9/26/202414FormatArray:將輸出結果分別存儲在savetoworkspace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，第一行與初始時間相對應。Structurewithtime:保存模型的結果到一個結構中，其名字由Savetoworkspace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，信號字段包含子結構數(shù)組，Structure:不保存仿真時間9/26/202415Refineoutput：這個選項可以理解成精細輸出，其可以在refinefactor設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效果最好Produceadditionaloutput：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outputtimes編輯框，在這里用戶指定額外的仿真輸出點Producespecifiedoutputonly：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9/26/202416例：P145，例6-6負反饋階躍輸入模塊的起始時間改為0；終止仿真時間改為20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Arrayplot(t,y)e6_17.mdl9/26/202417例：P145，例6-7ToWorkspace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Array負反饋階躍輸入模塊的起始時間改為0；終止仿真時間改為20plot(t,y)e6_17_1.mdl9/26/202418例:P146，例6-8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。e6_5.mdl9/26/2024196.3.2利用MATLAB的指令操作方式進行仿真[t,x,y]=sim(‘model’,tf,options,ut)[t,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,tf]Options—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9/26/2024206.3.3模塊參數(shù)的動態(tài)互換在MATLAB工作空間中定義變量例6-11P148e6_6.mdl在工作空間中運行以下內(nèi)容：A=[-0.300;2.9-0.62-2.3;02.30];b=[1;0;0];C=[110;1-31];d=[0;1];x0=[1;1;1];9/26/202421使用set_param()指令傳遞數(shù)據(jù)Set_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。例6-12，P150，e6_7.mdl，e6_8.mclearopen('e:\computersimulation\ch6\e6_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')9/26/202422幾個例子①結構圖數(shù)學模型例：三階控制系統(tǒng)結構圖如圖所示，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)9/26/202423建立模型e6_2.mdl參數(shù)設置運行保存數(shù)據(jù)應用e6_2m.m9/26/202424②微分方程數(shù)學模型：例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。并設系統(tǒng)的初始狀態(tài)為靜止在平衡點處，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。mFkfx9/26/202425列寫微分方程根據(jù)牛頓第二定律9/26/202426利用積分模塊構建Simulink模型e6_4.mdl，e6_4m.m9/26/202427③非線性連續(xù)時間系統(tǒng)I—典型非線性模塊的應用具有飽和非線性特性的控制系統(tǒng)如圖所示，通過仿真研究K=15和K=5時系統(tǒng)的運動e6_satur.mdlK/s(0.1s+1)(0.2s+1)1k=29/26/202428④非線性連續(xù)時間系統(tǒng)II—任意函數(shù)模塊及其應用Fcn模塊MATLABFcn模塊Look-uptable模塊9/26/202429Fcn模塊位于UserDefineFunction模塊組中；Expression必須填寫函數(shù)表達式，遵循以下規(guī)則：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)等向量作為元素名表達式符合C語言格式，執(zhí)行的是標量運算，計算結果就是模塊的輸出表達式中引用的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.mdl9/26/202430MATLABFcn模塊位于UserDefineFunction模塊組中；MATLABFcn填寫函數(shù)表達式或函數(shù)文件名，遵循以下規(guī)則：模塊的輸入輸出都可以是標量或向量；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)文件基本結構及規(guī)則表達式或函數(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。9/26/202431lookuptable模塊位于查表模塊組中；有1維，2維，n維之分；可根據(jù)所給表格對輸入進行插補或外推運算9/26/202432例：將上一個例子的飽和非線性用MATLABFcn函數(shù)模塊實現(xiàn)編寫bh.m文件并存放在與e6_9.mdl相同目錄下，將該目錄設置為當前路徑9/26/202433例：汽車速度控制系