《MATLAB教程及實(shí)訓(xùn) 第4版》課件 第7章Simulink仿真環(huán)境實(shí)訓(xùn)

第7章Simulink仿真環(huán)境7.1Simulink的概述7.2Simulink的工作環(huán)境7.3常用模塊及仿真命令7.4Simulink的應(yīng)用實(shí)例7.5子系統(tǒng)與封裝7.6S函數(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用7.7綜合實(shí)例介紹7.1Simulink的概述1.Simulink的特點(diǎn)（1）設(shè)計(jì)簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用方框圖繪制，以繪制模型化的圖形代替程序輸入，以鼠標(biāo)操作代替編程；（2）分析直觀，用戶不需要考慮系統(tǒng)模塊內(nèi)部，只要考慮系統(tǒng)中各模塊的輸入輸出；（3）仿真快速、準(zhǔn)確，智能化地建立各環(huán)節(jié)的方程，自動(dòng)地在給定精度要求下以最快速度仿真，還可以交互式地進(jìn)行仿真。7.2Simulink的工作環(huán)境在MATLAB的命令窗口輸入“simulink”，或單擊“Home”面板的工具欄中，就可以打開Simulink模塊庫瀏覽器（SimulinkLibraryBrowser）窗口。左側(cè)以樹狀結(jié)構(gòu)列出模塊庫和工具箱，右側(cè)列出的是左側(cè)所選模塊庫中所有的子模塊庫；在右欄選擇子模塊庫名或在左欄雙擊子模塊庫名都可以打開子模塊庫。7.2.1一個(gè)簡單的Simulink實(shí)例例7-1

將一個(gè)階躍輸入信號(hào)送到積分環(huán)節(jié)，并將階躍輸入信號(hào)積分后的信號(hào)和階躍信號(hào)都送到示波器進(jìn)行比較。1.創(chuàng)建空白模型2.添加模塊3.設(shè)置模塊的屬性參數(shù)4.添加連接線5.設(shè)置模型的仿真參數(shù)6.仿真7.保存模型7.2.2模型的編輯1.模塊的操作模塊的設(shè)置、翻轉(zhuǎn)、修改模塊名和信號(hào)線與模塊分離。2.信號(hào)線的操作信號(hào)線的設(shè)置、分支、注釋、屬性3.模型的文本注釋

7.2.3仿真參數(shù)的設(shè)置1.仿真器參數(shù)設(shè)置（Solver）（1）仿真時(shí)間（Simulationtime）仿真的起始時(shí)間（Starttime）：默認(rèn)為0，單位為秒；仿真的結(jié)束時(shí)間（Stoptime）：默認(rèn)為10，單位為秒。（2）仿真模式選擇（Solverselection）仿真的過程一般是求解微分方程組，“Type”是設(shè)置求解的類型，“Variable-step”表示仿真步長是變化的，“Fixed-step”表示固定步長?！癝olver”：設(shè)置仿真解法的具體算法類型。變步長的算法有discrete、ode45、ode23、ode113、ode15s、ode23s、ode23t、ode23tb、odeN和daessc，默認(rèn)使用auto；定步長的算法有discrete、ode8、ode5、ode4、ode3、ode2、ode1、ode14x和ode1be。這些算法中ode45為四/五階龍格庫塔法適用于大多數(shù)連續(xù)或離散系統(tǒng)；如果模型全部是離散的，則都采用discrete方式；ode23達(dá)到同樣精度時(shí)比ode45的步長??；ode23s和ode15s可以解Stiff方程；ode113是變階的Adams法，為多步預(yù)報(bào)校正算法。

2.工作空間數(shù)據(jù)輸入輸出的設(shè)置（DataImport/Outport）（1）從工作空間裝載數(shù)據(jù)（Loadfromworkspace）（2）保存數(shù)據(jù)到工作空間（Savetoworkspace）（3）變量保存設(shè)置（Saveoptions）練習(xí)關(guān)于仿真模式正確的是______ A.仿真步長的變化由相對誤差決定

B.系統(tǒng)的仿真算法一般是discrete

C.系統(tǒng)的仿真算法一般是ode45

D.系統(tǒng)的仿真算法一般是ode23tbAC7.2.4Simulink的工作過程仿真包括以下幾個(gè)步驟。（1）模型編譯（2）連接（3）仿真執(zhí)行仿真執(zhí)行包括兩個(gè)階段：（1）初始化階段，只執(zhí)行一次，用于初始化系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出；（2）迭代階段，每隔一個(gè)時(shí)間步就重復(fù)執(zhí)行一次，用于計(jì)算并更新模型新的輸入、狀態(tài)和輸出。每個(gè)仿真步都做如下操作：按照模塊的排列順序，更新模型中所有模塊的輸出；更新模型中所有模塊的狀態(tài)；根據(jù)用戶的設(shè)置決定是否檢測模塊連續(xù)狀態(tài)中的不連續(xù)性；計(jì)算下一個(gè)時(shí)間步的時(shí)間。例

創(chuàng)建一個(gè)單位負(fù)反饋的二階系統(tǒng)，輸入為階躍信號(hào)，二階系統(tǒng)采用零極點(diǎn)模式的傳遞函數(shù)模塊，將輸出送到示波器顯示。參數(shù)設(shè)置ModelExplorer7.3常用模塊及仿真命令

7.3.1Simunlik的常用模塊1．示波器（Scope）顯示設(shè)置顯示形式示波器可以進(jìn)行仿真運(yùn)行和單步運(yùn)行，在工具欄中的與Simulink工具欄中的相同，可以進(jìn)行步長設(shè)置、仿真運(yùn)行和單步運(yùn)行。波器的主要參數(shù)有：Limitdatapointstolast：表示緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)的長度，默認(rèn)為5000，示波器的緩沖區(qū)可接收30個(gè)信號(hào)，數(shù)據(jù)長度為5000，如果數(shù)據(jù)長度超出，則最早的歷史數(shù)據(jù)會(huì)被清除。Logdatatoworkspace：把示波器緩沖區(qū)中保存的數(shù)據(jù)以矩陣或結(jié)構(gòu)數(shù)組的形式送到工作空間，在下面兩欄設(shè)置變量名“Variablename”和數(shù)據(jù)類型“Format”。輸入端口數(shù)2.從工作空間獲取數(shù)據(jù)（Fromworkspace）和從文件獲取數(shù)據(jù)（Fromfile）Fromworkspace和Fromfile分別是從工作空間和MAT文件輸入數(shù)據(jù)，都在“Sources”子模塊庫中。3.輸出到文件（ToFile）和輸出到工作空間（ToWorkspace）4．傳遞函數(shù)（Transferfunction）和零極點(diǎn)傳遞函數(shù)（Zero-Pole）例

創(chuàng)建一個(gè)單位負(fù)反饋的二階系統(tǒng)，采用傳遞函數(shù)模塊作為系統(tǒng)模型，并將輸出送到MAT文件中。

6.零階保持器（Zero-OrderHold）7.選擇開關(guān)（Switch）例

使用Switch模塊對輸入的正弦信號(hào)和三角鋸齒波信號(hào)進(jìn)行選擇輸出，t>=5秒時(shí)輸出正弦信號(hào)，t<5時(shí)輸出鋸齒波信號(hào)，然后采樣保持送到示波器顯示。設(shè)置模塊SineWave的Frequency頻率參數(shù)為2；SignalGenerator的Waveform為sawthooth，F(xiàn)requency頻率參數(shù)為2；Step的Steptime參數(shù)為5；Switch模塊的Criteriaforpassingfirstinput參數(shù)為u2>Threshold；Zero-OrderHold模塊的Sampletime為0.1。7.3.2使用命令運(yùn)行Simulink模型啟動(dòng)模型的仿真可以使用sim函數(shù)來完成。simOut=sim('model',Name,Value)%利用輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真說明：'model'為模型名，其余參數(shù)都可以省略；simOut是仿真結(jié)果，是Simulink.SimulationOutput類型數(shù)據(jù)；Name和Value是用名稱-值對指定的參數(shù)，包括SimulationMode、AbsTol等參數(shù)。例

>>Simout=sim('ex7_6'); %運(yùn)行仿真7.3.3仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)化例將單位負(fù)反饋二階系統(tǒng)的參數(shù)使用變量表示，變量的值存放在“ex7_6_2.m”文件中。模塊參數(shù)的三個(gè)變量在“ex7_6_2.m”文件中設(shè)置，則文件內(nèi)容如下：%ex7_6_2設(shè)置參數(shù)T1,T2,KT1=1;T2=2;K=10;7.4Simulink的應(yīng)用實(shí)例

7.4.1Simulink在電路中的應(yīng)用實(shí)例例7-6

根據(jù)電路橋電路創(chuàng)建一個(gè)Simulink模型，求電路中的電流，電路如圖，已知電阻R=5Ω，Ra=25Ω，Rb=100Ω，Rc=125Ω，Rd=100Ω，Re=37.5Ω，求當(dāng)直流電源為40V時(shí)電路中的電流。7.4.2Simulink在數(shù)字電路中的應(yīng)用實(shí)例例

創(chuàng)建一個(gè)Simulink模型實(shí)現(xiàn)三－八譯碼器的仿真。7.4.3Simulink在電機(jī)拖動(dòng)中的應(yīng)用實(shí)例

例使用Simulink建立他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞串聯(lián)三級(jí)電阻起動(dòng)的仿真模型，觀察并分析在串聯(lián)電阻起動(dòng)過程中電樞電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線。串電阻啟動(dòng)7.5子系統(tǒng)與封裝

7.5.1創(chuàng)建子系統(tǒng)在模型中新建子系統(tǒng)的步驟如下：（1）將模型中需要?jiǎng)?chuàng)建成子系統(tǒng)的模塊都選中；（2）選擇菜單“Edit”→“Createsubsystem”，將選中的模塊用“Subsystem”模塊代替；（3）修改子系統(tǒng)名，新建的子系統(tǒng)名默認(rèn)為“Subsystem”；（4）修改輸入輸出端口名，新建子系統(tǒng)中的輸入端口默認(rèn)名為“In1”、“In2”…，輸出端口名為“Out1”、“Out2”…，可以修改端口名稱。例

將例7-9的Simulink模型中的串電阻環(huán)節(jié)創(chuàng)建為子系統(tǒng)。7.5.2封裝子系統(tǒng)封裝子系統(tǒng)的步驟：（1）選擇需要封裝的子系統(tǒng)并雙擊打開，將需要設(shè)置的模塊參數(shù)設(shè)置為變量；（2）選擇菜單“Mask”→“CreateMask…”，打開封裝對話框MaskEditor，設(shè)置“Icon&Ports”、“Parameters&Dialog”、“Initialization”和“Documentation”選項(xiàng)卡的各種參數(shù)，對子系統(tǒng)的外觀、輸入?yún)?shù)、初始值和文字說明進(jìn)行設(shè)置；（3）保存設(shè)置。例串電阻環(huán)節(jié)進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)在子系統(tǒng)的參數(shù)對話框中輸入三級(jí)電阻的阻值。封裝對話框中有“Icon&Ports”、“Parameters&Dialog”、“Initialization”和“Documentation”四個(gè)選項(xiàng)卡。7.5.3子系統(tǒng)模塊的應(yīng)用在模塊庫Ports&Subsystems中有一些子系統(tǒng)模塊，包括原子子系統(tǒng)AtomicSubsystem、使能子系統(tǒng)EnabledSubsystem、使能觸發(fā)子系統(tǒng)EnabledandTriggeredSubsystem和函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)Function-CallSubsystem等，可以直接使用這些子系統(tǒng)方便的創(chuàng)建模型。例

使用使能觸發(fā)子系統(tǒng)EnabledandTriggeredSubsystem模塊，實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)的采樣。使能子系統(tǒng)7.5.4定義自己的模塊庫創(chuàng)建模塊庫的方法是在Simulink環(huán)境中，選擇菜單“File”→“New”→“Library”，則會(huì)出現(xiàn)空白的模塊庫窗口，將模塊復(fù)制到模塊庫窗口中，并將模塊庫保存為.mdl文件。7.6S函數(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

7.6.1S函數(shù)簡介S函數(shù)模塊在“User-DefinedFunctions”子模塊庫中，通過“S-Function”模塊創(chuàng)建包含S函數(shù)的Simulink模型。在“S-Functionname:”中必須填寫不帶擴(kuò)展名的S函數(shù)文件名，“S-Functionparameters:”中填寫模塊的參數(shù)。每個(gè)Simulink模塊都是由三個(gè)基本元素組成，即輸入向量u、狀態(tài)向量x和輸出向量y，輸出向量y是輸入和采樣時(shí)間的函數(shù)，它們的函數(shù)關(guān)系如下：每個(gè)M文件S函數(shù)都有一套固定調(diào)用變量的規(guī)則，創(chuàng)建S函數(shù)較簡便的方法是按照MATLAB提供的參考模板來編寫，S函數(shù)M文件形式的標(biāo)準(zhǔn)模板程序?yàn)椤癈:\ProgramFiles\Polyspace\R2021a\toolbox\simulink\blocks\sfuntmpl.m”。function[sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=sfuntmpl(t,x,u,flag)說明：sfuntmpl：S函數(shù)的名稱，根據(jù)用戶需要修改為自己的函數(shù)名；t：當(dāng)前仿真時(shí)間；x：S函數(shù)模塊的狀態(tài)向量，為模塊內(nèi)部的計(jì)算量或緩存量；u：S函數(shù)模塊的輸入，如果沒有輸入則u是函數(shù)的自變量；flag：標(biāo)識(shí)S函數(shù)當(dāng)前所處的仿真階段，以便執(zhí)行相應(yīng)的子函數(shù)；ts：返回兩列矩陣包括采樣時(shí)間；[00]表示S函數(shù)在每一個(gè)時(shí)間步都運(yùn)行，[-10]表示S函數(shù)模塊與和它相連的模塊以相同的速率運(yùn)行，[0.50.1]表示從0.1s開始每隔0.5s采樣一次；sys：返回仿真結(jié)果，根據(jù)表7-5不同的flag返回值也不同；x0：返回初始狀態(tài)值；str：保留參數(shù)。8.1.4將Simulink模型結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)模型MATLAB提供了linmod函數(shù)命令將Simulink模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型。例8-9根據(jù)模型結(jié)構(gòu)框圖在Simulink環(huán)境中創(chuàng)建系統(tǒng)模型，使用函數(shù)命令轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)。>>r1=1;r2=2;c1=3;c2=4;>>[A,B,C,D]=linmod('ex8_8'); %將m