SIMULINK基础(全)

1SIMULINK基础2概述在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。1990年，MathWorks软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名为SIMULINK。SIMULINK的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。该软件的名称表明了该系统的两个主要功能：Simu(仿真)和Link(连接)，即该软件可以利用鼠标在模型窗口上绘制出所需要的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真和分析。3SIMULINK简介一、什么是SIMULINKSIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。4主要内容Simulink建模的基础知识Simulink建模与仿真线性/非线性系统分析与仿真子系统与模块封装技术5SIMULINK简介二、SIMULINK的启动1.在MATLAB的命令窗口直接键入“Simulink”并回车；2.单击MATLAB工具条上的Simulink图标；3.在MATLAB菜单上选File→New→Model。三、SIMULINK的模块库介绍常用的SIMILINK模块库按功能可分为以下几类：–Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）–User-definedFunction（函数模块）LookupTables(查表模块)–Discontinuities（非线性模块）Ports&Subsystem(端口&子系统模块)–Signalrouting（信号路由模块）Math（数学模块）–Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）–LogicandBitoperations（逻辑&位操作）61、连续模块（Continuous）–Integrator：输入信号积分–Derivative：输入信号微分–State-Space：线性状态空间系统模型–Transfer-Fcn：线性传递函数模型–Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型–TransportDelay：输入信号延时一个固定时间再输出–VariableTransportDelay：输入信号延时一个可变时间再输出–Memory:一个积分步骤的延迟72、离散模块（Discrete）–Discrete-timeIntegrator：离散时间积分器–DiscreteFilter：离散滤波器–DiscreteState-Space：离散状态空间系统模型–DiscreteTransfer-Fcn：离散传递函数模型–DiscreteZero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型–First-OrderHold：一阶采样和保持器–Zero-OrderHold：零阶采样和保持器–UnitDelay：一个采样周期的延时83、User-definedFunction（函数模块）–Fcn：用自定义的函数（表达式）进行运算–MATLABFcn：利用matlab的现有函数进行运算–S-Function：调用自编的S函数的程序进行运算94、LookupTables（查表模块）–Look-UpTable：建立输入信号的查询表–Look-UpTable(2-D)：建立两个输入信号的查询表105、Discontinuities（非线性模块）–Saturation：饱和输出，让输出超过某一值时能够饱和。–Relay：滞环比较器，限制输出值在某一范围内变化。–DeadZone：死区，在某一范围内的输入其输出值为0–Backlash:磁滞回环模块–Ratelimiter:变化率限幅模块116、Signalrouting（信号路由模块）–Mux：将多个单一输入转化为一个复合输出–Demux：将一个复合输入转化为多个单一输出–Switch：开关选择，当第二个输入端大于临界值时，输出由第一个输入端而来，否则输出由第三个输入端而来–ManualSwitch：手动选择开关127、Math（数学模块）–Sum：加减运算Gain：比例运算DotProduct：点乘运算–MinMax：最值运算Abs：取绝对值–Sign：符号函数Product：乘运算MathFunction：包括指数、对数、求平方、开根号等常用数学函数–TrigonometricFunction：三角函数，包括正弦、余弦、正切等–ComplextoMagnitude-Angle：由复数输入转为幅值和相角输出–Magnitude-AngletoComplex：由幅值和相角输入合成复数输出–ComplextoReal-Imag：由复数输入转为实部和虚部输出–Real-ImagtoComplex：由实部和虚部输入合成复数输出138、Sinks（接收器模块）–Scope：示波器–XYGraph：显示二维图形–ToWorkspace：将输出写入MATLAB的工作空间–ToFile(.mat)：将输出写入数据文件–Terminator：连接到没有连接的输出端149、Sources（输入源模块）–Constant：常数信号–Clock：时钟信号–FromWorkspace：来自MATLAB的工作空间–FromFile(.mat)：来自数据文件–PulseGenerator：脉冲发生器–RepeatingSequence：重复信号–SignalGenerator：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿波及随意波–SineWave：正弦波信号–Step：阶跃波信号1510、Ports&Subsystem(端口&子系统模块)–In1：输入端–Out1：输出端–SubSystem：建立新的封装（Mask）功能模块1611、LogicandBitoperations（逻辑&位操作）Comparetoconstant:与常数比较Comparetozero：与零比较logicaloperator：逻辑操作算子detectchange:监测变化detectdecrease:监测减少17SIMULINK仿真的运行启动仿真设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿真而运行。选择Simulink菜单下的start选项来启动仿真，如果模型中有些参数没有定义，则会出现错误信息提示框。如果一切设置无误，则开始仿真运行。除了直接在SIMULINK环境下启动仿真外，还可以在MATLAB命令窗口中通过函数进行，格式如下[t,x,y]=sim(‘模型文件名’,[totf],simset(‘参数1’,参数值1,‘参数2’,参数值2,…))其中to为仿真起始时间，tf为仿真终止时间。[t,x,y]为返回值，t为返回的时间向量值，x为返回的状态值，y为返回的输出向量值。–simset定义了仿真参数，包括以下一些主要参数：18AbsTol：默认值为1e-6设定绝对误差范围。Decimation：默认值为1，决定隔多少个点返回状态和输出值。Solver：解法器的选择MaxRows：默认值为0，表示不限制。若为大于零的值，则表示限制输出和状态的规模，使其最大行数等于该数值。InitialState：一个向量值，用于设定初始状态。FixedStep：用一个正数表示步阶的大小，仅用于固定步长模式。MaxStep：默认值为auto。用于变步长模式，表示最大的步阶大小。如果知道模型文件名称，可以用以下命令得到该模型的仿真参数：simget(‘模型文件名’）19Simulink建模方法简介考虑图中给出的典型非线性反馈系统框图，其中控制器为PI控制器，其模型为:20Simulink是解决这样问题的最有效的方法，可以用下面的步骤搭建此系统的仿真模型：①打开模型编辑窗口;首先打开一个模型编辑窗口，这可以单击Simulink工具栏中新模型的图标或选择菜单项实现。②复制相关模块;将相关的模块组中的模块拖动到此窗口中③修改模块参数;④模块连接;⑤系统仿真研究;c5mblk3.mdl215.2.2仿真算法与控制参数选择选中Simulink模型窗口的Simulation菜单项，其中的ConfigurationParameters菜单项允许用户设置仿真控制参数。22仿真算法与控制参数选择1、Solver页此页可以进行的设置有：选择仿真开始和结束的时间；选择解法器，并设定它的参数；仿真时间：注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示，比如10秒的仿真时间，如果采样步长定为0.1，则需要执行100步，若把步长减小，则采样点数增加，那么实际的执行时间就会增加。一般仿真开始时间设为0，而结束时间视不同的因素而选择。总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。仿真精度控制有RelativeTolerance选项、AbsoluteTolerance等，其中相对误差限的默认值设置为1e-3，该值在实际仿真中显得偏大，建议选择1e-6和1e-7。值得指出的是，由于采用的变步长仿真算法，所以将误差限设置到这样小的值也不会增加太大的运算量。23仿真算法与控制参数选择1、Solver页仿真步长模式：用户在Type后面的第一个下拉选项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的有Variable-step（变步长）和Fixed-step（固定步长）方式。变步长模式可以在仿真的过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测。在仿真时还可以选定最大允许的步长和最小允许的步长，这可以通过填写Maxstepsize栏目和Minstepsize的值来实现，如果变步长选择的步长超过这个限制则将弹出警告对话框。用户还可以在solver下拉选项框中选择对应模式下仿真所采用的算法。24(1)ode45：缺省值，四/五阶龙格－库塔法，适用于大多数连续或离散系统，但不适用于刚性（stiff）系统。它是单步解法器，也就是，在计算y(tn)时，它仅需要最近处理时刻的结果y(tn-1)。一般来说，面对一个仿真问题最好是首先试试ode45。(2)ode23：二/三阶龙格－库塔法，它在误差限要求不高和求解的问题不太难的情况下，可能会比ode45更有效。也是一个单步解法器。(3)ode113：是一种阶数可变的解法器，它在误差容许要求严格的情况下通常比ode45有效。ode113是一种多步解法器，也就是在计算当前时刻输出时，它需要以前多个时刻的解。(4)ode15s：是一种基于数字微分公式的解法器（NDFs）。也是一种多步解法器。适用于刚性系统，当用户估计要解决的问题是比较困难的，或者不能使用ode45，或者即使使用效果也不好，就可以用ode15s。变步长模式解法器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb,discrete。25(5)ode23s：它是一种单步解法器，专门应用于刚性系统，在弱误差允许下的效果好于ode15s。它能解决某些ode15s所不能有效解决的stiff问题。(6)ode23t：是梯形规则的一种自由插值实现。这种解法器适用于求解适度stiff的问题而用户又需要一个无数字振荡的解法器的情况。(7)ode23tb：是TR-BDF2的一种实现，