Simulink仿真基礎(chǔ)

Simulink的特點(diǎn)

豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫

交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖

以設(shè)計(jì)功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理

通過Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼

提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成

使用Embedded MATLAB? 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法

使用定步長或變步長運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來運(yùn)行模型

圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為

可訪問MATLAB從而對結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號(hào)參數(shù)和測試數(shù)據(jù)

模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)誤

Simulink的操作界面

在MATLAB命令窗口鍵入simulink，或者在工具欄上點(diǎn)擊，或者點(diǎn)擊左下方的按鈕“Start”→“Simulink”→“Library Browser”即可打開Simulink Library Browser，如圖A-9所示。繼續(xù)點(diǎn)擊該窗口中的“new”按鈕，即可打開一個(gè)空白的模型窗口。此時(shí)就可以再模型窗口中建立模型并進(jìn)行仿真工作，如圖A-10所示。

Simulink基本操作

1 Simulink的功能模塊庫

為了便于仿真建模，Simulink模塊庫提供了豐富的功能模塊，這些功能模塊分屬于不同功能、不同類別的子模塊庫。下面對Simulink的主要功能模塊庫進(jìn)行簡要介紹。

通用模塊庫（Commonly Used Block）：該模塊庫是由其他模塊庫中的一些常用模塊組成，主要是方便用戶，利于提高建模速度。

(1) 連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Continuous）：該模塊庫提供了連續(xù)系統(tǒng)運(yùn)算功能的多種模塊，如積分器模塊、傳遞函數(shù)模塊。

(2) 非線性系統(tǒng)模塊庫（Discontinuous）：該模塊庫提供了常用的非線性模塊，如繼電器模塊、磁滯回環(huán)模塊。

(3) 離散系統(tǒng)模塊庫（Discrete）：該模塊庫中提供了常用的線性離散模塊，如離散濾波器模塊、一階保持器模塊。

(4) 數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫（Math operations）:該模塊庫中提供了包括數(shù)學(xué)運(yùn)算、關(guān)系運(yùn)算、復(fù)數(shù)運(yùn)算等多種用于數(shù)學(xué)運(yùn)算的模塊，如加法模塊、乘法模塊、常用數(shù)學(xué)函數(shù)模塊。

(5) 信號(hào)路徑模塊庫（Signal routing）：該模塊庫提供了信號(hào)在模型中流動(dòng)的各種路徑通道的選擇，包括信號(hào)的分離、匯合以及通道選擇等模塊。

(6) 輸出模塊庫（Sinks）:該模塊庫提供了各種功能的輸出模塊，包括圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，如示波器模塊、工作空間寫入模塊、數(shù)字顯示模塊。

(7) 信號(hào)源模塊庫（Sources）:該模塊庫提供了仿真系統(tǒng)的輸入信號(hào)源，如時(shí)間信號(hào)模塊、讀工作空間模塊、正弦波輸入模塊。

2 Simulink模塊的基本操作

對模塊的基本操作主要對其外在狀態(tài)的操作（如移動(dòng)位置、改變大小等），也有對其能在屬性的設(shè)定（如參數(shù)設(shè)定、輸入輸出信號(hào)設(shè)定等）。

(1) 添加模塊到模型窗口

在模塊庫中選擇模塊，然后右鍵，選擇【Add to xxx】，即可添加模塊到“xxx”模型窗口，此外也可選中模塊后直接拖動(dòng)到模型窗口。

(2) 模塊間連線

將鼠標(biāo)指向連線的起點(diǎn)，光標(biāo)變?yōu)槭趾?，按下鼠?biāo)左鍵并拖動(dòng)到連線終點(diǎn)即可；也可以先選定連線起點(diǎn)模塊，再按下【Ctrl】鍵保持不放，再點(diǎn)擊連線終點(diǎn)模塊。若要從一個(gè)連線起點(diǎn)連到多個(gè)連線終點(diǎn)，則先按上述方法連好一根線，在將光標(biāo)移至該信號(hào)線上的某點(diǎn)，再按下鼠標(biāo)右鍵保持不放，或者按住【Ctrl】鍵保持不放，拖動(dòng)鼠標(biāo)到需要連線的終點(diǎn)。模塊間的連線不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)連線起點(diǎn)連到一個(gè)連線終點(diǎn)。

(3) 模塊的移動(dòng)

若要帶線移動(dòng)，則選中模塊，按住鼠標(biāo)左鍵不放，將其拖到所需位置；若要脫離線而移動(dòng)，可按住【Shift】鍵，再將其拖到所需位置。

(3) 模塊的剪切、復(fù)制和粘貼

選中模塊，再用按鍵【Ctrl + X】、【Ctrl + C】和【Ctrl + V】可分別實(shí)現(xiàn)剪切、復(fù)制和粘貼。此外按住鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行拖動(dòng)，也可復(fù)制出相同的功能模塊。

(4) 改變模塊的大小

選中模塊，對模塊的四個(gè)角出現(xiàn)的黑色標(biāo)記進(jìn)行拖動(dòng)即可改變大小。此外，用按鍵【Shift +R】和【Shift +V】可以分別放大和縮小整個(gè)模型窗口中的模塊。

(5) 模塊參數(shù)設(shè)定

用鼠標(biāo)雙擊模塊，就可以進(jìn)入模塊的參數(shù)設(shè)定窗口，從而對模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。參數(shù)設(shè)定窗口包含了該模塊的基本功能幫助，為獲得更詳盡的幫助，可以點(diǎn)擊其上的Help按鈕。通過對模塊的參數(shù)設(shè)定，就可以獲得需要的功能模塊。

(6) 模塊屬性設(shè)定

選中模塊，打開【Edit】菜單的【Block Properties】可以對模塊進(jìn)行屬性設(shè)定。包括Description屬性、Priority優(yōu)先級(jí)屬性、Tag屬性、Open function屬性、Attributes format string屬性。其中Open function屬性是一個(gè)很有用的屬性，通過它指定一個(gè)函數(shù)名，則當(dāng)該模塊被雙擊之后，Simulink就會(huì)調(diào)用該函數(shù)執(zhí)行，這種函數(shù)在MATLAB中稱為回調(diào)函數(shù)。

SIMULINK模塊庫按功能進(jìn)行分類，包括以下8類子庫：

Continuous（連續(xù)模塊）

Discrete（離散模塊）

Function&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊）

Math（數(shù)學(xué)模塊）

Nonlinear（非線性模塊）

Signals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊）

Sinks（接收器模塊）

Sources（輸入源模塊）

連續(xù)模塊（Continuous） continuous.mdl

Integrator：輸入信號(hào)積分

Derivative：輸入信號(hào)微分

State-Space：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型

Transfer-Fcn：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

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

Variable Transport Delay：輸入信號(hào)延時(shí)一個(gè)可變時(shí)間再輸出

離散模塊（Discrete） discrete.mdl

Discrete-time Integrator：離散時(shí)間積分器

Discrete Filter：IIR與FIR濾波器

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

Discrete Transfer-Fcn：離散傳遞函數(shù)模型

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

First-Order Hold：一階采樣和保持器

Zero-Order Hold：零階采樣和保持器

Unit Delay：一個(gè)采樣周期的延時(shí)

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

Fcn：用用戶自定義的函數(shù)（表達(dá)式）進(jìn)行運(yùn)算

MATLAB Fcn：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-Up Table：建立輸入信號(hào)的查詢表（線性峰值匹配）

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

Math（數(shù)學(xué)模塊） math.mdl

Sum：加減運(yùn)算

Product：乘運(yùn)算

Dot Product：點(diǎn)乘運(yùn)算

Gain：比例增益運(yùn)算

Math Function：包括指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、求平方、開根號(hào)等常用數(shù)學(xué)函數(shù)

Trigonometric Function：三角函數(shù)，包括正弦、余弦、正切等

MinMax：最值運(yùn)算

Abs：取絕對值

Sign：符號(hào)函數(shù)

Logical Operator：邏輯運(yùn)算

Relational Operator：關(guān)系運(yùn)算

Complex to Magnitude-Angle：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為幅值和相角輸出

Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角輸入合成復(fù)數(shù)輸出

Complex to Real-Imag：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為實(shí)部和虛部輸出

Real-Imag to Complex：由實(shí)部和虛部輸入合成復(fù)數(shù)輸出

Nonlinear（非線性模塊） nonlinear.mdl

Saturation：飽和輸出，讓輸出超過某一值時(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，否則輸出由第三個(gè)輸入端而來。

Manual Switch：手動(dòng)選擇開關(guān)

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

In1：輸入端。

Out1：輸出端。

Mux：將多個(gè)單一輸入轉(zhuǎn)化為一個(gè)復(fù)合輸出。

Demux：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

Sinks（接收器模塊） sinks.mdl

Scope：示波器。

XY Graph：顯示二維圖形。

To Workspace：將輸出寫入MATLAB的工作空間。

To File(.mat)：將輸出寫入數(shù)據(jù)文件。

Sources（輸入源模塊） sources.mdl

Constant：常數(shù)信號(hào)。

Clock：時(shí)鐘信號(hào)。

From Workspace：來自MATLAB的工作空間。

From File(.mat)：來自數(shù)據(jù)文件。

Pulse Generator：脈沖發(fā)生器。

Repeating Sequence：重復(fù)信號(hào)。

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

Sine Wave：正弦波信號(hào)。

Step：階躍波信號(hào)。

Ramp: 斜坡信號(hào)。

3 Simulink的仿真配置

選擇模型窗口工具欄中的【Simulation】菜單下的【Configuration Parameters】就會(huì)彈出配置參數(shù)界面，如圖A-11所示。在此界面中允許用戶設(shè)置仿真控制參數(shù)。

用戶可以在【Simulation time】中可以仿真開始時(shí)間和最大結(jié)束時(shí)間，在【Solver option】中可以選擇和設(shè)置解算器。解算器有兩種類型（Type）：變步長類型和固定步長類型。為了保證精度，一般建議選擇變步長類型。在不同類型下對應(yīng)有不同的算法（Solver），如ode45、ode23等，用戶可以選擇不同的算法進(jìn)行仿真分析。對于不同的解算器類型都對應(yīng)有不同的參數(shù)設(shè)置，如變步長類型模式下的最大步長、最小步長、相對誤差和絕對誤差等。

Simulink系統(tǒng)建模示例

【例1】觀察單位階躍函數(shù)經(jīng)慣性環(huán)節(jié)后的仿真曲線，傳遞函數(shù)模型為

打開Simulink，新建空白模型窗口。

在信號(hào)源模塊庫（Sources）中選擇階躍輸入模塊（Step），在輸出模塊庫（Sinks）中選擇示波器模塊（Scope），在連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Continuous）中選擇傳遞函數(shù)模塊（Transfer Fcn），并逐個(gè)拖入模型窗口。雙擊Step模塊，設(shè)置其屬性如圖A-12。

雙擊Scope模塊，彈出如圖A-13，點(diǎn)擊左上方的屬性按鈕 Parameters，彈出對話框，設(shè)置屬性如圖A-14。

點(diǎn)擊模型窗口工具欄中的開始仿真按鈕，即可按默認(rèn)仿真參數(shù)仿真。雙擊Scope模塊查看仿真曲線，如圖A-16所示。

可以根據(jù)需要修改各模塊屬性，再次仿真運(yùn)行，觀察仿真結(jié)果與上圖仿真結(jié)果的區(qū)別。

【例2】滑翔飛行器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可簡化為：

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