第7章Simulink动态仿真集成环境

第7章SIMULINK动态仿真集成环境主要内容•Simulink操作基础•系统仿真模型•系统的仿真•子系统及其封装技术•使用命令操作对系统进行仿真•S函数的设计与应用7.1Simulink操作基础7.1.1Simulink简介Simulink是MatLab的重要组成部分，提供建立系统模型、选择仿真参数和数值算法、启动仿真程序对该系统进行仿真、设置不同的输出方式来观察仿真结果等功能。Simulink是MatLab的仿真工具箱，可以用来对动态系统进行建模与仿真分析，支持离散、连续以及线性和非线性的系统，也支持具有多种采样速率的系统。Simulink是面向框图的仿真软件，具有以下功能：•（1）用绘制方框图代替编写程序。•（2）智能化地建立和运行仿真。•（3）适应面广，包括线性、非线性系统；连续、离散及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。7.1.2Simulink的启动与退出1．Simulink的启动在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。Simulink的文件操作方式非常灵活，常用的文件操作有新建文件、打开文件和保存文件三种。新建仿真模型文件有以下三种方法：•1）在MATLAB的命令窗口选择菜单FileNewModel。•2）在Simulink模块库浏览器窗口选择菜单FileNewModel，或者单击工具栏的图标。•3）在Simulink模型窗口选择菜单FileNewModel，或者单击工具栏的图标。打开仿真模型文件有以下四种方法：•1）在MATLAB的命令窗口直接输入不加扩展名的文件名，该文件必须在当前搜索路径中。•2）在MATLAB的命令窗口选择菜单FileOpen…或者单击工具栏的图标打开文件。•3）在Simulink模块库浏览器窗口选择菜单FileOpen…或者单击工具栏的图标打开.mdl文件。•4）在Simulink模型窗口中选择菜单FileOpen…或者单击工具栏的图标打开文件。保存文件模型创建修改编辑完成后，从模型编辑窗口的File菜单项中选择Save或SaveAs命令，可以将模型以模型文件的格式(扩展名为.mdl)存入磁盘。2．Simulink的退出为了退出Simulink，只要关闭所有模型编辑窗口和Simulink模块库浏览器窗口即可。7.2系统仿真模型7.2.1Simulink的基本模块Simulink的模块库提供了大量模块。单击模块库浏览器中Simulink前面的“+”号，将看到Simulink模块库中包含的子模块库，单击所需要的子模块库，在右边的窗口中将看到相应的基本模块，选择所需基本模块，可用鼠标将其拖到模型编辑窗口。同样，在模块库浏览器左侧的Simulink栏上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中单击Openthe‘Simulink’Libray命令，将打开Simulink基本模块库窗口。单击其中的子模块库图标，打开子模块库，找到仿真所需要的基本模块。Simulink6.5的基本模块库包括16个子模块库，常用的模块库:•常用的模块子库（CommonlyUsedBlocks）•连续模块子库（Continuous）•离散模块子库（Discrete）•逻辑和位操作模块子库（logicandbitoperation）•查表函数模块子库（lookupTables）•一般数学函数子库（Math）•信宿模块子库（Sinks）•信源模块子库(Sources)•用户定义的函数模块子库(User_definedFunctions)•端口与子系统(Ports&Subsystems)一个典型的Simulink仿真模型由以下3种类型的模块构成。1.信号源模块信号源为系统的输入，包括常数信号源、函数信号发生器（如正弦波和阶跃函数等）查看表7.2。2.被模拟的系统模块系统模块作为仿真的中心模块，是仿真建模所要解决的主要问题。3.输出显示模块系统的输出由显示模块接收。输出显示的形式包括图形、示波器和输出到文件3种，具体见表7.3。7.2.2模块的编辑1．添加模块2．选取模块3．复制与删除模块4．模块外形的调整5．模块名的处理7.2.3模块的连接1．连接两个模块2．模块间连线的调整3．连线的分支4．标注连线5．删除连线7.2.4模块的参数和属性设置1．模块的参数设置Simulink中几乎所有模块的参数都允许用户进行设置，只要双击要设置的模块或在模块上按鼠标右键并在弹出的快捷菜单中选择相应模块的参数设置命令就会弹出模块参数对话框。该对话框分为两部分，上面一部分是模块功能说明，下面一部分用来进行模块参数设置。同样，先选择要设置的模块，再在模型编辑窗口Edit菜单下选择相应模块的参数设置命令也可以打开模块参数对话框。2．模块的属性设置选定要设置属性的模块，然后在模块上按鼠标右键并在弹出的快捷菜单中选择Blockproperties，或先选择要设置的模块，再在模型编辑窗口的Edit菜单下选择Blockproperties命令，将打开模块属性对话框。该对话框包括General、Blockannotation和Callbacks3个可以相互切换的选项卡。其中选项卡中可以设置3个基本属性：Description(说明)、Priority(优先级)、Tag(标记)。例7-1有系统的模块，试建立系统仿真模型。操作过程如下：(1)在MATLAB主菜单中，选择File菜单中New菜单项的Model命令，打开一个模型编辑窗口。(2)将所需模块添加到模型中。(3)设置模块参数并连接各个模块组成仿真模型。设置模块参数后，用连线将各个模块连接起来组成系统仿真模型。模型建好后，从模型编辑窗口的File菜单中选择Save或Saveas命令将它存盘。7.3系统的仿真7.3.1设置仿真参数打开系统仿真模型，从模型编辑窗口的Simulation菜单中选择Simulationparameters命令设置仿真参数。仿真参数包含7个可以相互切换的选项卡：(1)Solver选项卡：用于设置仿真起始和停止时间，选择微分方程求解算法并为其规定参数，以及选择某些输出选项。(2)DataImport/Export选项卡：用于设置Simulink与MATLAB工作空间交换数据的有关选项。(3)Optimization:用于设置仿真的优化参数。(4)Diagnostics选项卡：用于设置在仿真过程中出现各类错误时发出警告的等级。(5)HardwareImplementation选项卡：用于设置仿真硬件特性。(6)ModelReferencing：用于设置模型引用的有关参数。(7)Real-timeWorkshop选项卡：用于设置若干实时工具中的参数。如果没有安装实时工具箱，则将不出现该选项卡。7.3.2启动系统仿真与仿真结果分析设置完仿真参数之后，从Simulation中选择Start菜单项或单击模型编辑窗口中的StartSimulation命令按钮，便可启动对当前模型的仿真。此时，Start菜单项变成不可选,而Stop菜单项变成可选,以供中途停止仿真使用。从Simulation菜单中选择Stop项停止仿真后，Start项又变成可选。为了观察仿真结果的变化轨迹可以采用3种方法：(1)把输出结果送给Scope模块或者XYGraph模块。(2)把仿真结果送到输出端口并作为返回变量，然后使用MATLAB命令画出该变量的变化曲线。(3)把输出结果送到ToWorkspace模块，从而将结果直接存入工作空间，然后用MATLAB命令画出该变量的变化曲线。例7-2利用Simulink仿真曲线。仿真过程如下：(1)启动Simulink并打开模型编辑窗口。(2)将所需模块添加到模型中。(3)设置模块参数并连接各个模块组成仿真模型。设置模块参数后，用连线将各个模块连接起来组成仿真模型。(4)设置系统仿真参数。(5)开始系统仿真。(6)观察仿真结果。例7-3利用Simulink仿真求定积分。仿真过程如下：(1)打开一个模型编辑窗口。(2)将所需模块添加到模型中。(3)设置模块参数并连接各个模块组成仿真模型。(4)设置系统仿真参数。(5)开始系统仿真。(6)观察仿真结果。7.3.3系统仿真实例至此，可以总结出利用Simulink进行系统仿真的步骤如下：(1)建立系统仿真模型，这包括添加模块、设置模块参数以及进行模块连接等操作。(2)设置仿真参数。(3)启动仿真并分析仿真结果。例7-4使用simulink产生一个5s时出现的单位阶跃输入信号，并在示波器中显示出来。例7-5产生一个6sin(t)和sin(6t)叠加的信号，而且还叠加了功率谱为1的限带宽白噪声。另外，课本例7.3和7.47.4子系统及其封装技术7.4.1子系统的建立建立子系统有两种方法：通过Subsystem模块建立子系统和直接生成子系统即是对已有的模块建立子系统。两者的区别是：前者先建立子系统，再为其添加功能模块；后者先建立好系统模型，再创建子系统。1．通过Subsystem模块建立子系统操作步骤为：(1)先打开Simulink模块库浏览器，新建一个仿真模型。(2)打开Simulink模块库中的Ports&Subsystems模块库，将Subsystem模块添加到模型编辑窗口中。(3)双击Subsystem模块打开一个空白的Subsystem窗口，将要组合的模块添加到该窗口中，另外还要根据需要添加输入模块和输出模块，表示子系统的输入端口和输出端口。这样，一个子系统就建好了。2．通过已有的模块建立子系统操作步骤为：(1)先选择要建立子系统的模块，不包括输入端口和输出端口。(2)选择模型编辑窗口Edit菜单中的CreateSubsystem命令，这样，子系统就建好了。在这种情况下，系统会自动把输入模块和输出模块添加到子系统中，并把原来的模块变为子系统的图标。7.4.2子系统的条件执行1．使能子系统建立使能子系统的方法是：打开Simulink模块库中的Ports&Subsystems模块库，将Enable模块复制到子系统模型中，则系统的图标发生了变化。例7-6利用使能子系统构成一个正弦半波整流器。操作步骤如下：(1)打开Simulink模块库浏览器并新建一个仿真模型。(2)将SineWave、EnabledSubsystem、Scope3个模块拖至新打开的模型编辑窗口，连接各模块并存盘。其中使能信号端接SineWave模块。为了便于比较，除显示半波整流波形外，还显示正弦波，故在示波器属性窗口将Numberofaxes设置为2。使能子系统建立好后，可对Enable模块进行参数设置。(3)选择Simulink菜单中的Start命令，就可看到半波整流波形和正弦波形。2．触发子系统触发子系统是指当触发事件发生时开始执行子系统。与使能子系统相类似，触发子系统的建立要把Ports&Subsystems模块库中的Trigger模块添加到子系统中或直接选择TriggeredSubsystem模块来建立触发子系统。例7-7利用触发子系统将一锯齿波转换成方波。操作步骤如下：(1)用SignalGenerator、TriggeredSubsystem和Scope模块构成子系统。(2)选择Simulink菜单中的Start命令，就可看到波形。3．使能加触发子系统所谓使能加触发子系统就是把Enable和Tirgger模块都加到子系统中，使能控制信号和触发控制信号共同作用子系统的执行，也就是前两种子系统的综合。该系统的行为方式与触发子系统相似，但只有当使能信号为正时，触发事件才起作用。7.4.3子系统的封装所谓子系统的封装(Masking)，就是为子系统定制对话框和图标，使子系统本身有一个独立的操作界面，把子系统中的各模块的参数对话框合成一个参数设置对话框，在使用时不必打开每个模块进行参数设置，这样使子系统的使用更加方便。子系统的封装过程很简单，先选中所要封装的子系