MATLAB仿真-CATS實(shí)踐項(xiàng)目指導(dǎo)書

MATLAB仿真-CATS實(shí)踐項(xiàng)目指導(dǎo)書

自動(dòng)控制原理課程組編

浙江萬(wàn)里學(xué)院電子信息學(xué)院

2012-5-24

目錄

第1章MATLAB軟件介紹..............................................3

1.1引言............................................................3

1.2MATLAB軟件.....................................................3

1.3MATLAB運(yùn)行界面.................................................4

1.4MATLAB的基本使用說(shuō)明..........................................6

第2章SIMULINK及CATS實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹................................10

2.1SIMULINK簡(jiǎn)介..................................................10

2.2建構(gòu)模型.......................................................13

2.3仿真與分析.....................................................15

2.4CATS實(shí)驗(yàn)裝置介紹..............................................17

2.4.1CATS功能與特性：...........................................17

2.4.2CATS仿真平臺(tái)軟件...........................................19

2.4.3CATS工具包.................................................20

2.5CATS電機(jī)控制示例.............................................21

2.5.1LapMap的沒(méi)置.............................................21

2.5.2建立傳遞函數(shù)..............................................29

第3章時(shí)域響應(yīng)分析法..............................................33

3.1在SIMULINK中進(jìn)行時(shí)域響應(yīng)分析...................................33

3.2用M文件進(jìn)行時(shí)域響應(yīng)分析......................................34

第4章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析.......................................42

第5章根軌跡分析法.................................................45

第6章系統(tǒng)頻域分析法..............................................50

6.1對(duì)數(shù)幅頻、對(duì)數(shù)相頻特性曲線的繪制..............................50

6.2NYQUIST圖（極坐標(biāo)圖）的繪制...................................51

6.3頻域穩(wěn)定性判斷.................................................53

第七章單輸入單輸出沒(méi)計(jì)工具一提高篇................................55

綜合項(xiàng)目-一直流電機(jī)咨制系統(tǒng)研究....................................63

第一章MATLAB軟件介紹

L1引言

控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真這一學(xué)科是與計(jì)算機(jī)的發(fā)明、發(fā)展同步進(jìn)行的。

安化什古幽理仿真

系統(tǒng)仿真|數(shù)學(xué)仿時(shí)?算機(jī)仿真)

物理仿真：利用幾何相似原理，仿制一個(gè)與實(shí)際系統(tǒng)工作原理相同、質(zhì)地完全相

同但體積小得多的物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。如將飛機(jī)模型放在氣流場(chǎng)

相似的風(fēng)洞中來(lái)模仿真實(shí)的飛機(jī)在地球的大氣中。

計(jì)算機(jī)仿真：用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)研究被仿真系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，方便廉價(jià)、靈活可靠。

它越來(lái)越多取代了物理仿真。

控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真過(guò)程：

第一步，建立自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

解析法：利用物理、化學(xué)定律來(lái)列馬變量問(wèn)輟學(xué)表達(dá)式

［實(shí)驗(yàn)法：利用辨識(shí)技和&去一些次要因素

第二步，建立自控系統(tǒng)的仿真模型

原始的數(shù)摸如微分方程不能直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，轉(zhuǎn)換為傳函或動(dòng)態(tài)結(jié)

構(gòu)圖

第三步，編制仿真程序

用Basic、Fortran>C或匯編語(yǔ)言。

若用MATLAB的Toolbox工具箱及其Simulink仿真集成環(huán)境作仿真工

具，就是MATLAB仿真。

第四步，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并修改仿真模型、與程序輸出要求的結(jié)果。

1.2MATLAB軟件

MATLAB是MATrixLABoratoty縮寫，矩陣實(shí)驗(yàn)室。是美國(guó)MathWorks

公司在20世紀(jì)80年代推出的高性能數(shù)值計(jì)算軟件。Moler博士開(kāi)發(fā)MATLAB

最初目的是為線性代數(shù)的矩陣運(yùn)算提供運(yùn)算工具，后經(jīng)完善擴(kuò)充MATLAB可進(jìn)

行各種科學(xué)與工程技術(shù)計(jì)算。成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)字信號(hào)處理等課

程的基本數(shù)學(xué)工具，成為大學(xué)生、碩、博士生必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能。

發(fā)展歷程：

特點(diǎn)：

'(1)功能強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算-可用于線性代數(shù)里的向量、數(shù)組、矩陣運(yùn)算，復(fù)

數(shù)運(yùn)算，高次方程求根，數(shù)值積分運(yùn)算、最優(yōu)化方法等兒乎所有科學(xué)研究與工程

技術(shù)方面（自動(dòng)控制、生物醫(yī)學(xué)、語(yǔ)音圖像信號(hào)處理、建筑業(yè)、航空航天及半導(dǎo)

體制造行業(yè)）需要的計(jì)算均可用它求解。

例.求多項(xiàng)式尸（X）=/+2尤3+3/+4x+5的根

?p=［12345］

roots（p）

這些運(yùn)算在控制理論及控制系統(tǒng)里大量存在，這一點(diǎn)就與自控密切聯(lián)系。

（2）使用MATLAB設(shè)計(jì)程序比Basic、Fortran.C等效率高，因?yàn)樗胸S富的

庫(kù)函數(shù)（M文件），進(jìn)行運(yùn)算編程時(shí)可調(diào)用庫(kù)函數(shù)。

（3）界面友好，使用方便，MATLAB函數(shù)命令多，功能各異，格式：help+命

令或函數(shù)，幫助了解其功能與用法。如helpresidue。另外MATLAB是演算紙

式的計(jì)算語(yǔ)言，用它編程運(yùn)算與人計(jì)算的思路表達(dá)方式一樣，如在演算紙上排列

書寫公式。

例.計(jì)算］：（4山工）2公=?

>>symsx;I=int((x*sin(x))*2,x,0,pi)

結(jié)果I=l/6*pi^3-l/4*pi

（4）強(qiáng)大的圖形功能，MATLAB有一系列繪圖函數(shù)命令，適于不同坐標(biāo)系，

如線性、對(duì)數(shù)、半對(duì)數(shù)坐標(biāo)及極坐標(biāo)與三維坐標(biāo)；可調(diào)整自變量可繪出不同顏色

與線型：點(diǎn)、實(shí)、復(fù)線等。MATLAB二維圖形功能：常用的plot。函數(shù)。格式：

plot（x1,）L選項(xiàng)Lxlyy2，選項(xiàng)2,??■）

（5）MATLAB功能齊備的自動(dòng)控制軟件工具包

世界上許多自控專家在自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域編寫了具有特殊功能的工具包如：控

制系統(tǒng)工具箱、模糊邏輯工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、最優(yōu)控制、魯棒控制工具箱。

1.3MATLAB運(yùn)行界面

（1）左下角有一開(kāi)始［Start］按鈕，與windows桌面左下角開(kāi)始按鈕功能一樣，

通過(guò)它可方便訪問(wèn)常用程序。

MATLAB6.5提供了命令窗口、命令歷史、當(dāng)前路徑和工作空間四個(gè)窗口，如

圖1T所示。

命令窗口:是用戶與MATLAR交互的主要方式，用戶可在其中運(yùn)行函數(shù)和各

種操作。

命令歷史窗口：它顯示命令窗口中執(zhí)行過(guò)的命令，用編輯菜單中的Clear

可查看曾經(jīng)執(zhí)行過(guò)的舲

CommandHistory選項(xiàng)清除歷史紀(jì)錄。

重復(fù)利用原來(lái)輸入的舲

當(dāng)前目錄窗口：顯示當(dāng)前目錄下所有文件的文件名、類型、最后修改時(shí)間等。

工作空間窗口：列出數(shù)據(jù)的變量信息，包括變量名、變量數(shù)組、字節(jié)大小和類型。

圖1-1MATLAB運(yùn)行界面

（2）［File］選中［New］建立新文件命令，有4項(xiàng)子菜單如下：

打開(kāi)M文件（即MATLAB程序）編輯/調(diào)試器，可編程調(diào)試程序.

［Figure］：建立一個(gè)空白圖形窗口。

［Model］：打開(kāi)Sinmlink仿真庫(kù)，并打開(kāi)一個(gè)用于建立、編輯與運(yùn)行咨制

系統(tǒng)仿真新結(jié)構(gòu)圖模型的窗口，標(biāo)題為“unlilled”或在命令窗口

輸入SIMUUNK回車，打開(kāi)Library模塊庫(kù)窗口，再點(diǎn)擊新建圖標(biāo)

打開(kāi)Simulink工作窗。

［GUI］：創(chuàng)建與打開(kāi)圖形用戶，圖形用戶界面（GUI）以其友好和直觀性在

軟件編程上被廣泛使用。

⑶工具欄按鈕I口工?琳？

第八個(gè)相當(dāng)于菜單［File］選中［New］下的［Model］命令

第九個(gè)相當(dāng)于菜單［Help］下的［MATLABHelp］

1.4MATLAB的基本使用說(shuō)明

(1)MATLAB表達(dá)式

格式：variable=expression;表達(dá)式后有分號(hào)，表達(dá)式的結(jié)果不顯示出來(lái)。

例：?a=14/8;%14/8為表達(dá)式

?m=a*3*5A2

m=131.2500

?a=14/8%14/8為表達(dá)式

a=1.7500

?m=a*3*5A2

m=131.2500

MATLAB的變量是有大小寫區(qū)分的，如a與A是不同變量名，他所提供的

函數(shù)名稱都是小寫的。變量或函數(shù)名必須以字母開(kāi)頭，后跟字母或數(shù)字，其間可

用下劃線分隔。如f7_4,guoi4等。

MATLAB的數(shù)學(xué)表達(dá)式書寫注意事項(xiàng)

①表達(dá)式必須在同一行內(nèi)書寫，所以水平除號(hào)線分式、乘方運(yùn)算、開(kāi)根號(hào)等

純數(shù)學(xué)寫法在MATLAB是不允許的。

②數(shù)值與變量或變量與變量相乘都不能連寫，需用乘號(hào)*加以連接。

③一般數(shù)學(xué)表達(dá)式可用大、中、小括號(hào)，MATLAB的數(shù)學(xué)表達(dá)式只能用小

括號(hào)，可多重小括號(hào)嵌套使用。

④三角函數(shù)與雙由函數(shù)及其反函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)的自變量須用小括號(hào)加以限

定。

⑤分式的書寫，注意分子分母最好都分別用小括號(hào)加以限定。

⑥求黑運(yùn)算的指數(shù)兩側(cè)最好用小括號(hào)加以限定，否則，指數(shù)分式易出錯(cuò)。

⑦某量k的平方根的表示，書寫形式sqrl(k)與2(1/2)等效。

⑧自然常數(shù)e的指數(shù)運(yùn)算的書寫形式為exp()o

⑨自然常數(shù)》的書寫形式為pi；虛數(shù)單位的書寫形式為i或j；無(wú)窮大的書

寫形式為info

(2)MATLAB運(yùn)算符

表1-1算術(shù)運(yùn)算符

操作符功能說(shuō)明操作符功能說(shuō)明

+加\矩陣左除

-減A數(shù)組左除

*矩陣乘/矩陣右除

*數(shù)組乘./數(shù)組右除

A矩陣乘方矩陣轉(zhuǎn)置

A數(shù)組乘方數(shù)組轉(zhuǎn)置

表1-2關(guān)系運(yùn)算符

操作符功能說(shuō)明

——等于

不等于

>大于

<小于

>=大于等于

<=小于等于

表1-3邏輯運(yùn)算符

&邏輯運(yùn)算說(shuō)明

1And邏輯與

1Or邏輯或

?Not邏輯非

Xor邏輯異或

表1-4特殊運(yùn)算符

符號(hào)功能說(shuō)明符號(hào)功能說(shuō)明

?冒號(hào)，在MATLAB?小數(shù)點(diǎn)或域訪問(wèn)符

中非常重要

分號(hào)，用于分隔行??父目錄

逗號(hào)，用于分隔列???用于語(yǔ)句行尾端表

示該行未完

()指出在算術(shù)表達(dá)式%注釋

先后次序

H構(gòu)成向量或矩陣!調(diào)用操作系統(tǒng)命令

()構(gòu)成單元數(shù)組—用于賦值

(3)多項(xiàng)式及其運(yùn)算

在MATLAB中建立多項(xiàng)式就是輸入多項(xiàng)式系數(shù)行向量

多項(xiàng)式。(1)=劭工"+…++

系數(shù)行向量為：P=[44-an]

表1-5多項(xiàng)式運(yùn)算函數(shù)

函數(shù)功能函數(shù)功能

conv多項(xiàng)式乘法(卷積)polyval多項(xiàng)式求值

deconv多項(xiàng)式除法(解卷)polyvalm矩陣多項(xiàng)式求值

poly由根求多項(xiàng)式residue部分分式展開(kāi)(留數(shù))

polyder多項(xiàng)式求導(dǎo)數(shù)roots多項(xiàng)式求根

polytit多項(xiàng)式曲線擬合

(4)常用的圖形命令

1.MATLAB有一系列繪圖函數(shù)命令，適于不同坐標(biāo)系，如線性、對(duì)數(shù)、半對(duì)數(shù)

坐標(biāo)及極坐標(biāo)與三維坐標(biāo)；可調(diào)整自變量可繪出不同顏色與線型：點(diǎn)、實(shí)、復(fù)線

等。

MATLAB二維圖形功能：常用的plot。函數(shù)。

格式：選項(xiàng)1,x2,>2,選項(xiàng)2,…)

有時(shí)需要在已經(jīng)存在的圖上再重疊繪制一條或多條曲線的情況，為此

MATLAB提供以下指令：

holdon:當(dāng)前圖不變，此后在此圖上再疊加繪制新曲線。

holdoff：取消holdon功能，此圖不能被刷新了。

gridon：在圖形中添加網(wǎng)格。

gridoff：在圖形中取消網(wǎng)格。

一般MATLAB會(huì)根據(jù)要繪制曲線數(shù)據(jù)的范圍自動(dòng)選擇合適坐標(biāo)系，盡可能

清晰現(xiàn)實(shí)曲線，一般用戶不需自己選擇，若要選擇可用函數(shù)axis()選擇新的坐標(biāo)

系。

格式：axis(xuiiii,xinax,ymin,ymax,z,niiii,ziiiax)

2.圖形的標(biāo)注

表1-6常用圖形標(biāo)注函數(shù)及功能

函數(shù)功能函數(shù)功能

title為圖形添加標(biāo)題legend為圖形添加圖例

xlable為X軸加標(biāo)注text在指定位置添加文本字符串

ylable為y軸加標(biāo)注gtext用鼠標(biāo)在圖形上放置文本

zlable為z軸加標(biāo)注

表中前四個(gè)函數(shù)調(diào)用格式基本類似以title為例titleCtexf)

作業(yè)一

1.求多項(xiàng)式2(x)=/+2/+31+4x+5的根。

2.已知多項(xiàng)式的根分別為1、5、8,求此根對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式。

3.求多項(xiàng)式。(幻=/+2/+3/+4x+5在指定點(diǎn)x=3處的值。

4.求多項(xiàng)式/Xx)=x2+2x+3與40)=4/+5x+6的卷積。

5.自動(dòng)控制的時(shí)域分析中，常要求像函數(shù)F(s)的反變換，可將其分解成部

分分式，求出部分分式的待定系數(shù)就可以了。

已知傳遞函數(shù)Rs)=，2-十2,,將其分解為部分分式。

6.求多項(xiàng)式P(x)=/+21+3,+4x+5的倒數(shù)。

作業(yè)二將以下數(shù)學(xué)表達(dá)式寫成MATLAB表達(dá)式

①y二4.sin(2x)?e-+8?cos(2x).e'

②

?y=--------------

31n(7-x)+9

?F(z)=id^

第二章SIMULINK及CATS實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

2.1SIMULINK簡(jiǎn)介

SIMULINK是MATLAB工具箱之一，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析，

在實(shí)際系統(tǒng)做出之前，預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

后動(dòng)Simulink,單由MATLABCommand窗口工具條上的Simulink圖標(biāo)，或

者在MATLAB命令窗口輸入simulink,即彈出圖2-1所示的模塊庫(kù)窗口界面

（SimulinkLibraryBrowser）oSIMULINK卜有13類基本模塊組，每個(gè)里存儲(chǔ)多個(gè)

相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)基本功能模塊。

SIMULINK圖庫(kù)中

點(diǎn)擊模塊庫(kù)前面的號(hào)

SIMULINK圖庫(kù)目錄

其它類圖庫(kù)

圖2-1SIMULINK基本功能模塊

SIMULINK的模塊庫(kù)介紹

SIMILINK模塊庫(kù)按功能進(jìn)行分為以下幾類子庫(kù):

>Continuous（連續(xù)模塊）

>Discontinuities（斷續(xù)模塊）

>Discrete（離散模塊）

>Look-UpTables（表格模塊）

>MathOperations（數(shù)學(xué)模塊）

>ModelVerification（模型檢驗(yàn)?zāi)K）

>Model-WideUtilities（模型的充分使用）

>Ports&Subsystems（端口與子系統(tǒng)）

>SignalAttributes（信號(hào)屬性）

>SignalRouting（信號(hào)傳輸選擇）

>Sinks（接收器模塊）

>Sources（輸入源模塊）

>User-DefinedFunctions

連續(xù)模塊（Continuous）continuous.mdl

>Derivative：輸入信號(hào)微分

AIntegrator：輸入信號(hào)積分

>State-Space：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型

>Transfer-Fen：線性傳遞函數(shù)模型

>Zero-Pole：以零極點(diǎn)表示的傳遞函數(shù)模型

>Memory：存儲(chǔ)上一時(shí)刻的狀態(tài)值

>TransportDelay：輸入信號(hào)延時(shí)一個(gè)固定時(shí)間再輸出

>VariableTransportDelay；輸入信號(hào)延時(shí)一1個(gè)可變時(shí)間再輸出

非線性模塊（Nonlinear）nonlinear.mdl

>Backlash：反沖模塊

>Coulomb&ViscousFriction：庫(kù)侖和粘性摩擦

>DeadZone:故障區(qū)域

>Saturation：飽和輸出，讓輸出超過(guò)某一值時(shí)能夠飽和。

>Relay：滯環(huán)比較器，限制輸出值在某一范圍內(nèi)變化。

>Switch：開(kāi)關(guān)選擇，當(dāng)?shù)诙€(gè)輸入端大于臨界值時(shí)，輸出由第一個(gè)輸入端

而來(lái)，否則輸出由第三個(gè)輸入端而來(lái)。

>ManualSwitch：手動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)

離散模塊（Discrete）discrete.mdl

ADiscreteTransfer-Fen：離散傳遞函數(shù)模型

>Discrete-timeIntegrator：離散時(shí)間積分器

>DiscreteFilter：IIR與FIR濾波器

ADiscreteState-Space：離散狀態(tài)空間系統(tǒng)模型

>DiscreteZero-Pole：以零極點(diǎn)表示的離散傳遞函數(shù)模型

>First-OrderHold：一階采樣和保持器

>Zero-OrderHold：零階采樣和保持器

>UnitDelay：一個(gè)采樣周期的延時(shí)

函數(shù)和平臺(tái)模塊（Function&Tables）function.mdl

>Fen：用自定義的函數(shù)（表達(dá)式）進(jìn)行運(yùn)算

>MATLABFen：利用matlab的現(xiàn)有函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算

>S-Function：調(diào)用自編的S函數(shù)的程序進(jìn)行運(yùn)算

>Look-UpTable：建立輸入信號(hào)的查詢表（線性峰值匹配）

>Look-UpTable（2-D）：建立兩個(gè)輸入信號(hào)的查詢表（線性峰值匹配）

數(shù)學(xué)模塊(MathOperations)math.mdl

>Abs：取絕對(duì)值

>AlgebraicConstraint:代數(shù)約束，限制輸入f(z)為()，且輸出?的z值能使輸入

的f⑵為0

>CombinatorialLogic:組合邏輯，對(duì)數(shù)字方面的模型創(chuàng)建，能以標(biāo)準(zhǔn)的真值

表來(lái)創(chuàng)建

>Sum：加減運(yùn)算

>Product：乘運(yùn)算，兩向量間元素與元素間相乘而不相加

>DotProduct：點(diǎn)乘運(yùn)算，對(duì)兩愉入向量值做點(diǎn)積運(yùn)算，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)量:為輸

出值

>Gain：比例運(yùn)算

>SliderGain：滑標(biāo)增益，允許在仿真執(zhí)行期間使用滑標(biāo)改變一個(gè)標(biāo)量增益

值

>MathFunction：包括指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、求平方、開(kāi)根號(hào)等常用數(shù)學(xué)函

數(shù)

>TrigonometricFunction：三角函數(shù)，包括正弦、余弦、正切等

>MinMax：最值運(yùn)算，若為單一輸入端口巨為向量配置數(shù)據(jù)，則求取每一

元素的最大(小)值；若輸入端口不只一個(gè)，則為求取每一輸入端口元素

的最大(小)值

>Sign：符號(hào)函數(shù)，依據(jù)輸入值的正負(fù)決定輸出，若輸入大于零輸出為1；

若輸入等于零輸出為0；若輸入小于零輸已為-1;

>LogicalOperator：邏輯運(yùn)算

>RelationalOperator：關(guān)系運(yùn)算

>ComplextoMagnitude-Angle：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為幅值和相角輸出

>Magnitude-AngletoComplex：由幅值和相向輸入合成復(fù)數(shù)輸出

>ComplextoRcal-Imag：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為實(shí)部和虛部輸出

>Real-ImagtoComplex：由實(shí)部和虛部輸入合成復(fù)數(shù)輸出

信號(hào)和系統(tǒng)模塊(Signal&Systems)sigsys.mdl

>Ini：輸入端。將連接仿真系統(tǒng)的外部環(huán)境提供給仿真系統(tǒng)，對(duì)子系統(tǒng)，

每一個(gè)輸入端口都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的inport模塊，即在子系統(tǒng)中抵達(dá)輸入端

口的信號(hào)將流經(jīng)inporl模塊。

>Outl：輸出端。提供連接仿真系統(tǒng)至仿真系統(tǒng)之外的環(huán)境。子系統(tǒng)中抵達(dá)

至輸出端口的信號(hào)將會(huì)流出相對(duì)應(yīng)的outport模塊，

>Mux：信號(hào)混合，將多個(gè)單一輸入轉(zhuǎn)化為一個(gè)復(fù)合輸出，如圖2-2。

圖2-2信號(hào)混合示例

>Demux：信號(hào)分解，將一個(gè)復(fù)合輸入轉(zhuǎn)化為多個(gè)單一輸出。

>Ground：連接到?jīng)]有連接到的輸入端。

>Terminator：連接到?jīng)]有連接到的輸出端。

>SubSystem：建立新的封裝(Mask)功能模塊

接收器模塊(Sinks)sinks.mdl

>Display：顯示輸入端口的數(shù)值數(shù)據(jù)，若輸入是向量配置的數(shù)值數(shù)據(jù)，可

調(diào)整模塊的大小，以便觀察全部數(shù)據(jù)。(模塊內(nèi)右下角的倒三角形表示還

有其他數(shù)值數(shù)據(jù))。

>FloatingScope：浮點(diǎn)式示波器。類似Scope,沒(méi)有輸入端口,能顯示模型

中任何二條經(jīng)鼠標(biāo)選擇的線段，及線段上所負(fù)載的信號(hào)波形變化。

>Scope：示波器<

>XYGraph：顯示二維圖形。

>ToWorkspace::將輸出寫入MATLAB的工作空間。

>ToFile(.mal)：將輸出寫入數(shù)據(jù)文件。

輸入源模塊(Sources)sources.mdl

AConstant：常數(shù)信號(hào)。大小可為實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)，模塊輸出可為標(biāo)量或向量值。

>Clock：時(shí)鐘信號(hào)。

>FromWorkspace：來(lái)自MATLAB的工作空間。

>FromFile(.mat)：來(lái)自數(shù)據(jù)文件。

>PulseGenerator：脈沖發(fā)生器。

>RepeatingSequence：重復(fù)信號(hào)。

>SignalGeneralor：信號(hào)發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦、方波、鋸齒波及隨意波。

>SineWave：正弦波信號(hào)。

>Step：階躍波信號(hào)。

2.2建構(gòu)模型

建模特點(diǎn)：將模塊庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)模塊拷到SIMULINK的模型窗口untitled中,

再連接成完整動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。

模型窗口用來(lái)建立系統(tǒng)的仿真模型。只有先創(chuàng)建一個(gè)空白的模型窗口，才能

將模塊庫(kù)的相應(yīng)模塊復(fù)制到該窗口，通過(guò)必要的連接，建立起Simulink仿真模

型。也將這種窗口稱為Simulink仿真模型窗口。如何打開(kāi)空白模型窗口？

以下三種方法方法可用于打開(kāi)一個(gè)空白模型窗口：(1)在MATLAB主界面中

選擇File,點(diǎn)擊New中的Model菜單項(xiàng)。(2)單擊模塊庫(kù)瀏覽器的新建圖標(biāo)口。

(3)選中模塊庫(kù)瀏覽器，選擇File,點(diǎn)擊New中的Model菜單項(xiàng)。

在Simulink模型或模塊庫(kù)窗口內(nèi)，用鼠標(biāo)左鍵單擊所需模塊圖標(biāo)拖到空白

模型窗口中建立Simulink仿真模型。

基本操作：鼠標(biāo)點(diǎn)按住所需圖元，移入工作窗，松開(kāi)鼠標(biāo)。

連接：點(diǎn)圖元小三角拖到所需位置，松開(kāi)鼠標(biāo)。

轉(zhuǎn)動(dòng)：鼠標(biāo)選中圖元，使用Format菜單。

移動(dòng)：點(diǎn)按所圖元拖到所需位置，松開(kāi)鼠標(biāo)。

復(fù)制：拖動(dòng)鼠標(biāo)選中圖元，使用編輯菜單復(fù)制。

改名：鼠標(biāo)選中文字，直接修改。

刪除：鼠標(biāo)選中圖元或線條，使用編輯菜單刪除(或del)。

從已知線段上加拉一條線段：將鼠標(biāo)指針移到線段上，按住Ctrl不放,

同時(shí)按住鼠標(biāo)左鍵拖到欲連接的模塊的

輸入端口即可

模塊參數(shù)設(shè)置：用鼠標(biāo)雙擊指定模塊圖標(biāo)，打開(kāi)模塊對(duì)話框，根據(jù)對(duì)

話框欄目中提供的信息進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或修改。雙擊模

型窗口的傳遞函數(shù)模塊，彈出圖示對(duì)話框，在對(duì)話框

中分別輸入分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)，點(diǎn)擊0K鍵，完

成該模型的設(shè)置，如圖2-3所示：

Fen

2k

TransferFcrt

圖2-3修改參數(shù)后的模型

設(shè)置內(nèi)容；階躍信號(hào)發(fā)生器一設(shè)起始時(shí)間、初值、終值

積分環(huán)節(jié)一設(shè)初值等，可加限幅

慣性環(huán)節(jié)一應(yīng)設(shè)分子、分母向量（高階到低階，空一格）

加法器一設(shè)“+o可設(shè)多端輸入，順序從上至I］下

增益一設(shè)增益大小

2.3仿真與分析

構(gòu)建好一個(gè)系統(tǒng)的模型之后，接下來(lái)的事情就是運(yùn)行模型，得出仿真結(jié)果。

運(yùn)行一個(gè)仿真的完整過(guò)程分成三個(gè)步驟：設(shè)置仿真參數(shù)（執(zhí)行仿真前，要設(shè)置所

需參數(shù)值并選擇系統(tǒng)的數(shù)值算法），啟動(dòng)仿真和仿真結(jié)果分析。

一、Simulation菜單SimulationParameters對(duì)話框說(shuō)明

設(shè)置仿真參數(shù)：在模型窗口選取菜單【Simulation:Parameters】，彈出

“SimulationParameters”對(duì)話框，設(shè)置仿真參數(shù)如圖2-4,然后按【0K】即

可。

圖2-4仿真參數(shù)設(shè)置

（1）Solver解算器它允許用戶設(shè)置仿真的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間，選擇解法器，

說(shuō)明解法器參數(shù)及選擇一些輸出選項(xiàng)。

A、仿真時(shí)間---starttime：仿真開(kāi)始時(shí)間；stoptime：結(jié)束時(shí)間。

B、解算器選項(xiàng)，SIMLUNK所建構(gòu)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可用一個(gè)常微分方程組數(shù)值

積分來(lái)表示，解算器用于求解這些數(shù)值積分。根據(jù)仿真步長(zhǎng)來(lái)選擇：

Variable-step可變步長(zhǎng)，即仿真過(guò)程中會(huì)改變步長(zhǎng)大小，提供誤差控制和

過(guò)零檢查。*變步長(zhǎng)模式解法器有:ode45,ode23,odel13,ode15s,ode23s,

ode23t,ode23tb和discreteo

Fixed-step固定步長(zhǎng)，即仿真過(guò)程中提供固定步長(zhǎng)大小，不提供誤差控制

和過(guò)零檢查。*固定步長(zhǎng)模式解法器有：ode5,ode4,ode3,ode2,odel和discrete。

c、步長(zhǎng)參數(shù)：對(duì)于變步長(zhǎng)模式，用戶可以設(shè)置最大的和推薦的初始步長(zhǎng)參

數(shù)，缺省情況下，步長(zhǎng)自動(dòng)地確定，它由值auto表示。

D、仿真精度的定義（對(duì)于變步長(zhǎng)模式），Relativetolerance（相對(duì)誤差）:

它是指誤差相對(duì)于狀態(tài)的值，是一個(gè)百分比，缺省值為le-3,表示狀態(tài)的計(jì)算

值要精確到0.1%。Absolutetolerance（絕對(duì)誤差）：表示誤差值的門限，或者

是說(shuō)在狀態(tài)值為零的情況下，可以接受的誤差。如果它被設(shè)成了auto,那么

simulink為每一個(gè)狀態(tài)設(shè)置初始絕對(duì)誤差為le-60

（2）WorkspaceI/O是管理模型從MATLAB工作空間的輸入和對(duì)它的輸巴。

（3）Diagnostics診斷允許用戶選擇Simulink在仿真中顯示的警告信息的

等級(jí)。

二、啟動(dòng)仿真

□設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法器之后，就可以啟動(dòng)仿真而運(yùn)行。

□選擇Simulink菜單下的start選項(xiàng)來(lái)啟動(dòng)仿真，如果模型中有些參數(shù)沒(méi)

有定義，則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤信息提示框。如果一切設(shè)置無(wú)誤，則開(kāi)始仿真運(yùn)行,

結(jié)束時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出一鳴叫聲。

觀察仿真結(jié)果，scope模塊能在仿真進(jìn)行中觀察軌跡，如圖2-5所示。

圖2-5仿真示例

使用Simulationparameters默認(rèn)設(shè)置,雙擊scope,如圖2-6所示，其工具欄

說(shuō)明如圖2-7所示。

調(diào)整示波器觀察運(yùn)行結(jié)果

-X、y軸剛微大

r、軸放大

,出放大1c

日同E3

切作月用則目國(guó)

圖2-6示例仿真結(jié)果圖2-7窗口工具欄說(shuō)明

總結(jié)SIMULINK系統(tǒng)仿真操作步驟：

1）啟動(dòng)Simulink,打開(kāi)Simulink模塊庫(kù)

2）打開(kāi)空白模型窗口；

3）建立Smulink仿真模型；

4）設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真；

2.4CATS實(shí)驗(yàn)裝置介紹

“CATS”控制與自動(dòng)化專業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)--理論與實(shí)踐教學(xué)于一體。

2.4.1CATS功能與特性:

（1）聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)------對(duì)多

實(shí)收室服吳韶

所有工作站都能控

制同一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

(2)聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——多對(duì)多

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)過(guò)程自動(dòng)化模擬

多臺(tái)實(shí)瞼設(shè)備通過(guò)軟總線連

接，并可由T工作站控制

生產(chǎn)流水

線也可以

通過(guò)本實(shí)

驗(yàn)設(shè)備實(shí)

現(xiàn)摸擬

2.4.2CATS仿真平臺(tái)軟件

在帶有不同仿真軟件的分布式過(guò)程控制中，CATS能實(shí)現(xiàn)其仿真與可視化，

可以進(jìn)行HIL解決方案的初步開(kāi)發(fā)工作。

硬件在環(huán)也即是硬件在回路（HIL）,如果將實(shí)際控制器的仿真稱為虛擬

控制遙，實(shí)際對(duì)象的仿真稱為虛擬對(duì)象，可得到控制系統(tǒng)仿真的3種形式:

①虛擬控制器+虛擬對(duì)象二動(dòng)態(tài)仿直系統(tǒng)，是純粹的系統(tǒng)仿直：

②虛擬控制器+實(shí)際對(duì)象二快速控制原型（RCP）仿真系統(tǒng)，是系統(tǒng)的一種

半實(shí)物仿真；

③實(shí)際控制器+虛擬對(duì)象二硬件在回路（HIL）仿真系統(tǒng)，是系統(tǒng)的另一種

半實(shí)物仿真。

WinFACT

2.4.3CATS工具包

(1)軟總線LabMap

好LabMapdemov5.1(core5.1....[?"|口區(qū)|

(2)WAGO-I/O系統(tǒng),帶有以太網(wǎng)/ModBus總線連接器的模塊系統(tǒng)

（3）接口一連接到您電腦上通用的仿真軟件，帶有與?MATLAB/Simulink?

LabVIEW?WinCC等仿真軟件的接口。

2.5CATS電機(jī)控制示例

2.5.1LapMap的設(shè)置

（1）打開(kāi)LapMap,從處理文本框你會(huì)發(fā)現(xiàn)你的輸入和輸出【量。從圖2-8

中我們可以發(fā)現(xiàn)連接狀態(tài)是“成功”。然后把“5V電壓通過(guò)“sendIhenew

valve”.輸入IP地址：192.168.0.31的電機(jī)，電機(jī)將會(huì)運(yùn)行。

Real|01/min

Status|Success

圖2-8電機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)

(2)實(shí)現(xiàn)與Matlab/Similink連接。打開(kāi)“Matlab軟件”，找到并

打開(kāi)“Simulink圖標(biāo)"，在瀏覽器左上角，有一個(gè)新建模式按鈕如圖2-9

所示，新建一個(gè)空白的model文件。

SimulinkLibraryBrowser

FileEditViewHelp

□目制一

Step:Outputastep.

E)Simulink

untitled.matFromFHe

先ICommonlyUsedBlocks

耳IContinuous

些|DiscontinuitiesFromWorkspace

aDiscrete

國(guó)

空]LogicandBitOperationsGround

LookupTables0

斗IMathOperationsIni

ihlModelVerification

耳IModel-Wid?Jtiities

PukeGenerator

±^-|Ports&Subsystems

刻SignalAttributes

Ranp

SignalRoutingCT

.9Sinks

)ISourcesRandomNumber

斗IUser-DefinedFunctions

回AdditionalMath&DiscreteRepeatingSequence

SControlSystemToolboxra

由HDAS1601sRepeatingSequence

?IDigitalControllerInterpolated

國(guó)0]EmbeddedTargetforInfineonC166Mier四RepeatingSequence

0]LabMopFunctionBlocksetStar

0：Real-TimeWindowsTargetE

EP.oal-TimoWorkshop^l5sq.nltSignalBuilder

B晝Real-TimeWorkshopEmbeddedCoder

mQ|SimulinkExtrasSignalGenerator

.1Stateflow

由1fN_atmSineWave

mnxPCTarget

mStep

UmlormRandomNumber

■IIM

3Ready

圖2-eSimulink和LapMap功能模塊

在Simulink庫(kù)窗口在右邊找見(jiàn)LapMapFunctionBlockset工具箱。將

獲取get和發(fā)送send模塊拖到空白model窗口，連接各模塊如圖2-10所示。

untitled*I口I

￡ileRdityiew2icnulaticnFormatlootsHelp

口|00當(dāng)IX電電卜?■(10.0"(Normal三］|S

Ready100%ode45

圖2T0新建模型

(3)雙擊并設(shè)置“Send”和“Get”的LapMap如圖2T1、2T2所示;

圖2-11“Send”設(shè)置

/Simulink<->LabMap:Get兇

下GlobalPafametersrHandlePtopeKys

FAbortwhenrealtimefault

NameDrehzahl[Phoenix31type4*

「Noparameterchangesat

runtime

I/O:OutputHandle

[—DisableinterruptionsJrocn

inputdevicesatrun-time

p-Use$ubtmestepin

corUinuous$immodel

Simulinkthreadpriority

lownormalhioh

|OK||Cancel

NoType]g|Name

3102intEncodercontrol[Phoenix31type=wa...

3101real1/minDrehzahl[Phoerix31type?iaddr-1L

3100sdVMotorSpannung[Phoenix31type?ia...

圖2-12“Ged”設(shè)置

⑷設(shè)置“ModelProperties^:步驟“File”Model

Properties"->"Callbacks"->“InitFca"&"StopFcn”,如圖2T3,

圖2-14,圖2-15所示。

圖2T3模型的屬性

S2-14InitiFcn的設(shè)置

圖2-15StopFcn的設(shè)置

sendreal(3100,0)：意思是系統(tǒng)發(fā)送0到31號(hào)電機(jī)，使電機(jī)在仿真結(jié)

束后停止。否則電機(jī)將在運(yùn)行完后繼續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)。

(5)設(shè)置aConfigurationParametersw

點(diǎn)擊菜單“Simulation”->“ConfigurationParameters",如圖2T6

和2-17所示。

圖2T6仿真參數(shù)設(shè)置

圖2-17參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

(7)設(shè)置階躍信號(hào)參數(shù)對(duì)話框如圖2-18所示，接下來(lái)按仿真按鈕開(kāi)始

仿真如圖2T9所示：

圖2-18設(shè)置信號(hào)源參數(shù)對(duì)話框

圖2-19仿真運(yùn)行界面

界向如圖所示2-20所示，觀察不同電壓值對(duì)直流電機(jī)的控制作用，輸入信號(hào)

為階躍函數(shù)，運(yùn)行這個(gè)mdl文件，電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。嘗試不同的階躍函數(shù)值（即輸

入電壓），會(huì)發(fā)現(xiàn)，數(shù)值越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。如果將最終值設(shè)置為負(fù)數(shù)，直流

電機(jī)將反向運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2-20不同階躍值下電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

界面如圖2-21所示，不僅能實(shí)際觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速，還能通過(guò)其階

躍響應(yīng)曲線進(jìn)行分析。

設(shè)置步長(zhǎng)1秒，仿真時(shí)間初始值0,仿真運(yùn)行最終時(shí)間10秒。輸入電

壓為5V。電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)如圖2-22所示。

圖2-21通過(guò)示波器觀察轉(zhuǎn)速

匚JScopeGJ回區(qū)）

a份a於超四ga*

25DD

，如1111平叫l(wèi)AAi”gHJirAmJiAALr」―

21工1I

1JJJ

5,1I

圖2-22電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

其中上圖的響應(yīng)曲線橫坐標(biāo)是電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，縱坐標(biāo)是電機(jī)的運(yùn)行速

度。從圖中曲線很容易的了解電機(jī)在10S內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.5.2建立傳遞函數(shù)

（1）我先用階躍響應(yīng)進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)反饋到計(jì)算機(jī)中，并保存如圖2?23。

圖2-23階躍響應(yīng)SIMULINK模型

然后在MATLAB中使用函數(shù)idvar如圖2-24所示。

罩Editor-D:\cbbsoftvare-GBbH\SiMulinkModel\cats3_Bodel_real_syste>.B

FileEditTextCellToolsDebugDesktopWindowHelp

D九曰相知Stack:

1-|[num,den,sty]=idvar([tout,response,step],[],[],[0,2]);

2-roots(den)

圖2-24idver函數(shù)的應(yīng)用

M文件中顯示的是系統(tǒng)的仿真時(shí)間，輸入信號(hào)是階躍信號(hào)，從實(shí)際系統(tǒng)的

響應(yīng)曲線中得到的傳遞函數(shù)的分子和分母數(shù)據(jù)。根據(jù)idvar功能，得到了系統(tǒng)傳

遞函數(shù)為：

19815.53490

F(s)=-------------------------------

43.25781+42.38108sAl+sA2

作業(yè)一：畫以下習(xí)題的SIMULINK模塊圖，并觀察仿真結(jié)果，目的是學(xué)習(xí)Simulink

實(shí)驗(yàn)的基本要求和基本操作，熟悉并掌握Simulink的建模與仿真。

(1)、

(2)、

設(shè)置滯后環(huán)節(jié)的延遲時(shí)間為80；

(3)、PID控制器G(￡)=&+&S+&,其中4=2.0,⑥=0.54=5.0來(lái)校正

S

受控裝置的單位閉環(huán)階躍響應(yīng)的性能，試畫它的模塊圖，運(yùn)行觀察仿真

結(jié)果。

作業(yè)二：將圖（1）這兩種系統(tǒng)在simulink中建模，設(shè)置合適仿真參數(shù)以得到光

滑曲線，在同一scope中比較它們的單位階躍響應(yīng)，Td取0.2。

圖⑴圖(2)

作業(yè)三：將圖（2）這兩種系統(tǒng)在simulink中建模，設(shè)置合適仿直參數(shù)以得到光

滑曲線，在同一scope中比較它們的單位階躍響應(yīng)，Kt分別取0.1。

作業(yè)四：高階系統(tǒng)的近似簡(jiǎn)化，利用主導(dǎo)極點(diǎn)法可以將高階系統(tǒng)化成低階（一階

或二階）系統(tǒng)來(lái)近似地對(duì)高階系統(tǒng)進(jìn)行等效分析.在simulink中建立模型如圖

所示。

作業(yè)五：按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容，在電腦上噪作完成電機(jī)控制示例。

第三章時(shí)域響應(yīng)分析法

3.1.在simulink中進(jìn)行時(shí)域響應(yīng)分析

如何在simulink中計(jì)算單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)。如超調(diào)量、峰值時(shí)間、上

升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間。在simulink中建立模型如圖3T所示。

圖3-1動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算

建立M文件

final_value=l;

[ymax,k]=max(y);

peak_oOime=t(k)

pcrccnt_ovcrshoot=1OO*(ymax-final_valuc)/final_valuc

i=l；

whiley(i)<0.1*final_value

i=i+l;

end

j=U

whiley(j)<0.9*final_value

j=j+1；

end

rise_time=l(j)-t(i)

k=length(t);

while(y(k)>0.98*final_value)&(y(k)<1.02*final_value)

k=k-l;

end

setting_timc=t(k)

可得運(yùn)行結(jié)果：peak_of_time=1.0313

percent_overshoot=35.0474

rise_time=0.4333

settingtime=3.5313

3.2用M文件進(jìn)行時(shí)域響應(yīng)分析

MATLAB中控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(傳遞函數(shù))的表示方法：

(1)傳遞函數(shù)為多項(xiàng)式模型：G(s)=