MATLAB中Simulink基础应用

安庆师范学院物理与电气工程学院第七章Simulink基础Simulink是实现动态系统建模和仿真的集成环境,可以实现数字信号仿真、自动控制仿真等第1节Simulink初步一、Simulink简介Simulink提供了图形化用户界面，可以轻易地完成模型的创建、调试和仿真工作。它提供了大量的系统模块，包括了信号、运算、显示和系统等方面的功能。Simulink模块分层树形排列，便于用户查找、使用Simulink内置的分析工具：仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等。安庆师范学院物理与电气工程学院2Simulink仿真结果可以显示也可以保存。模型建构和定义+模型的分析显示修正Simulink可以仿真线性或非线性系统；能创建连续时间、离散时间或者混合的系统。Simulink支持多采样频率系统，即可以以不同的采样频率进行组合，可以仿真较大的复杂系统Simulink操作框图安庆师范学院物理与电气工程学院二、运行Simulink三、Simulink帮助右键单击模块，选择help菜单\DEMOS\双击子项，打开示范模块四、退出Simulink关闭所有模型编辑窗口和Simulink模块库浏览器窗口在启动Simulink模块库浏览器后再单击其工具栏中的Createanewmodel命令按钮，会弹出模型编辑窗口。利用模型编辑窗口，可以通过鼠标的拖放操作创建一个模型。在MATLAB的命令窗口输入simulink或单击MATLAB主窗口工具栏上的Simulink命令按钮即可启动Simulink。Simulink启动后会显示Simulink模块库浏览器(SimulinkLibraryBrowser)窗口。安庆师范学院物理与电气工程学院第2节Simulink的基本模块Simulink有大量的模块，可以在SimulinkLibraryBrow左侧窗口的选定模块单击右键，打开对应选项的子模型，也可以直接在右侧窗口选择子模型。一、信号源模型库Source17种信号源模块，有各种信号输入方法In1输入端Constant常量Pulse脉冲发生器Sine正弦波Step阶跃信号Clock当前时间Signalgenerator信号发生器FromWorkspace从工作空间读取数据RandomNumber随机信号UniformRandomNumber均匀随机信号Band_LimitedRandomNumber带限白噪声安庆师范学院物理与电气工程学院基于时间(timebased),且采样时间sampletime=0为连续信号波形幅值角频率初始相位每点采样时间非信源模块：Sampletime=-1,则继承前面的信号采样时间偏置基于采样点(samplebased)离散信号时,为sampleperperiod,每个周期的采样点基于采样点(samplebased),且采样时间sampletime=n时,该信号为离散信号:周期=sampletime*sampleperperiod安庆师范学院物理与电气工程学院二、信宿模型库Sinks1Out输出端Scope示波器XYGraphXY关系图Display实时数值显示ToWorkspace输出到工作空间Terminate通用终端，用于端口无输出时，避免系统提示错误信息StopSimulation输入非0时停止仿真,一般情况下接“关系算子模块”安庆师范学院物理与电气工程学院属性设置缩放按钮自动满刻度显示坐标轴1坐标轴2坐标轴3浮动示波器选择信号来源安庆师范学院物理与电气工程学院三、连续系统模块库ContinuousIntegrator积分器Derivative微分器Memory延时输出，用以切断代数环，提高计算速度Zero-pole零极点，State-Space状态方程TransferFcn传递函数TransferDelay传输延时TransferFcn可变传输延时安庆师范学院物理与电气工程学院四、离散系统模块库DiscreteZero-OrderHold零阶保持器,保持sampletimeUnitDelay单位延迟采样保持Discrete-Timeintegerator离散时间积分器DiscreteState-Space离散状态方程DiscreteTransferFcn离散传递函数DiscreteZero-Pole离散零极点安庆师范学院物理与电气工程学院五、数学运算模块库MathSum求和Roundingfunction取整CombinatorialLogic逻辑真值表LogicalOperator逻辑算子RelationalOperator关系算子Gain常数增益SliderGain可变增益Sign符号函数TrigonometricFunction三角函数Abs求绝对值安庆师范学院物理与电气工程学院六、信号与系统模块库Signal&SystemsMux多路复合器Demux多路分离器Datatypeconversion数据类型转换安庆师范学院物理与电气工程学院第3节Simulink建模一、模块的创建与操作1、创建模块浏览列表中选择模块→左键拖至模块窗口适当位置→双击模块设置参数→双击模块名修改模块名→…2、模块操作模块选择：单击模块移动：选择并拖动模块缩放：拖动四个标记点复制模块：copy→paste模块旋转：format→rotateblock顺时针900/次模块翻转：format→flipblock顺时针1800/次安庆师范学院物理与电气工程学院模块连接：输出处至输入处,十字形状为连线状态连接分支线：鼠标右键拖动；或用Ctrl+左键斜线连接：Shift+左键连线标识：双击鼠标左键添加或修改信号线宽度显示：fomat→widevectorlines信号线频率颜色：fomat→sampletimecolor黑色表示连续信号线，其他颜色依次表示离散信号的采样频率高低安庆师范学院物理与电气工程学院3、简单模型举例信号发生器生成幅值值为1，频率为0.2Hz的正弦信号，信号分两路，一路去示波器，另一路放大5倍后送至另一个示波器。SignalGeneratorScope1Scope5Gain正弦波形信号幅值信号频率频率单位常数增益示波器安庆师范学院物理与电气工程学院二、模块的修饰1、模块阴影fomat→showdropshadow2、模块颜色前景fomat→foregroundcolor背景fomat→backgroundcolor屏幕颜色fomat→screencolor3、改变模块名的显示位置对称位置对调：fomat→flipname隐藏模块名：fomat→hidename安庆师范学院物理与电气工程学院1s+1TransferFcnsimout1ToWorkspace1simoutToWorkspaceSignalGeneratorScope2Scope1RandomNumber4、模块修饰简例安庆师范学院物理与电气工程学院第4节仿真计算与分析方法一、连续系统建模1、用积分模块创建求解微分方程的模型【例9-1】使用Simulink的积分模块求解二阶微分方程：x’’+0.2x’+0.4x=0.2u(t)，u(t)是单位阶跃函数思路:利用连续系统模块库中的积分器Integrator，解微分方程。改写微分方程，使最高阶微分移至等式左端:建模仿真：阶跃信号Step，求和sum,常数增益gain,积分器,示波器scope，工作空间模块Toworkspace等x’’=0.2u(t)-0.2x’-0.4x安庆师范学院物理与电气工程学院0.2u(t)x''x'x0.2x'0.4xu(t)simyToWorkspaceScope1sIntegrator11sIntegrator0.2Gain20.4Gain10.2GainClock输出带时间的模型输出单端输入示波器积分器矩形加法器常数增益阶跃信号外部复位设置容差设置初始条件初始条件来源输出范围限制输出上限输出下限状态输出安庆师范学院物理与电气工程学院2、用传递函数求微分方程【例9-2】使用Simulink的传递函数模块求解二阶微分方程：x’’+0.2x’+0.4x=0.2u(t)，u(t)是单位阶跃函数思路:对微分方程作laplace变换，移项整理后求得传递函数，利用连续系统模块库中的传递函数模块TransferFcn，解微分方程。作laplace变换移项整理建模仿真：阶跃信号Step，示波器scope，传递函数模块TransferFcn等安庆师范学院物理与电气工程学院u(t)0.2s+0.2s+0.42TransferFcnScope阶跃信号传递函数示波器阶跃时间阶跃初始值阶跃终值传递函数分子式传递函数分母式容差安庆师范学院物理与电气工程学院二、Simulink仿真结果分析1、仿真参数的认识与设置解算器设置solver仿真终止时间解算器参数设置：根据具体对象设置，主要分为变步长和定步长两种容差通信仿真时应设为离散参数每步长采样数安庆师范学院物理与电气工程学院输入、输出参数输入设置仿真输出变量输出时间变量设置记录最后的指定数据长度保存频度:每隔多少点保存一次数据记录格式：structurewithtime;structure;array安庆师范学院物理与电气工程学院2、输出信号的观察输出到显示模块示波器：scope135246Display[3x2]ConstantXYGraphSineWaveClockXY图形：XYGraph数字显示：display可以单行或多行显示安庆师范学院物理与电气工程学院仿真结果存储到工作空间仿真参数设置:Simulinkparametre输出变量名取结束时刻以前指定数据长度取值频度采样间隔,-1为继承前面信号频率输出变量类型示波器Toworkspace模块安庆师范学院物理与电气工程学院时间范围坐标轴数采样和显示频度采样和显示频度：当为0时，则采用系统默认频率安庆师范学院物理与电气工程学院输出到工作空间变量数据记录长度变量名数据记录类型安庆师范学院物理与电气工程学院3、一般性分析[ABCD]=linmod（‘模型名称’）获取非线性系统的近似线性模型【例9-3】对于下面的模型lmod，使用Simulink获取线性系统的状态空间矩阵2Out21Out12s+1TransferFcn12s+s+12TransferFcn1In1[ABCD]=linmod(‘lmod’)输入端口数1系统状态数3输出端口数2推导对于一线性系统:输入参数向量um,状态参数向量xn;输出参数向量yk。状态方程A,B,C和D表示:对于A、B、C和D由右式计算所得：)()()()(mkDnkCmnBnnA状态空间矩阵安庆师范学院物理与电气工程学院输入端口:1输出端口:2系统状态:3输入端口数:m系统状态数:n输出端口数:k下面是lmod模型的用传递函数之前的原始模型lmod_intializtion由状态方程A、B、C和D，可得微分方程如下x1'x2'x2x3'x32Out21Out11sIntegrator31sIntegrator11sIntegrator2Gain22Gain12Gain1In1输入端口数1系统状态数3输出端口数2安庆师范学院物理与电气工程学院【例9-4】使用ss（state-space）函数将状态空间矩阵形式化,转化为LTI对象(LTI:lineartime-invariant线性时不变系统)sys=ss(A,B,C,D)a=x1x2x3x1-102x2-2-1-1x3010b=u1x10x21x30c=x1x2x3y1-200y2002d=u1y11y20Continuous-timemodel【例9-5】使用Simulink绘制波德频响图形bode(A,B,C,D)-20020To:Out(1)-360-1800To:Out(1)-1000100To:Out(2)10-210-1100101102-360-1800To:Out(2)BodeDiagramFrequency(rad/sec