计算机控制与仿真-第8章SIMULINK交互式仿真环境.ppt

第8章 SIMULINK交互式仿真环境 8.1 SMULINK仿真工具简介 8.1.1 SIMULINK仿真工具概述 SIMULINK是Mathworks开发的MATLAB里的工具箱之一，主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析，从而可以在实际系统制作出来之前，预先对系统进行仿真与分析，并可以对系统做适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少设计系统过程中反复修改的时间，实现高效率地开发系统的目标。Mathworks从MATLAB 4.0版开始应用SIMULINK，当时它放在MATLAB 4.0版的核心执行文件中。在MATLAB 4.2及以后的版本中，SIMULINK则以MATLAB里的工具包形式单独出现，即需单独安装。在MATLAB 6.1版中，SIMULINK则升级为4.1版。,SIMULINK是用来建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境，包括连续系统、离散系统和混杂系统。SIMULINK提供了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交互界面。通过SIMULINK提供的丰富的功能块，可以迅速地创建系统的模型，不需要书写一行代码。1交互建模 SIMULINK提供了大量的功能模块以方便用户快速地建立动态系统模型。建模时只需使用鼠标拖动库中的功能模块并将它们连接起来。使用者可以通过将模块组成子系统来建立多级模型。SIMULINK对模块和连接的数目没有限制。2交互仿真 SIMULINK框图提供了交互性很强的非线性仿真环境。可以通过下拉菜单执行仿真，或使用命令行进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口显示。,3扩充和定制SIMULINK的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能：（1）用MATLAB、FORTRAN和C代码生成自定义块库，并拥有自己的图标和界面。（2）将用户原有FORTRAN或C语言编写的代码连接进来。4与MATLAB和工具箱的集成 由于SIMULINK可以直接利用MATLAB的数学、图形和编程功能，用户可以直接在SIMULINK下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级的设计和分析能力可以通过SIMULINK的屏蔽手段在仿真过程中执行。5专用模型库（Blocksets）SIMULINK的模型库可以通过专用元件集进一步扩展。DSP Blockset可以用于DSP算法的开发。Fixed-Point Blockset扩展了SIMULINK，用于建立和模拟数字控制系统和数字滤波器。,8.1.2 SIMULINK启动与界面说明 1启动 启动SIMULINK有如下两种方法：在MATLAB的命令窗口中键入simulinkEnter，就可以打开SIMULINK的库浏览器。在MATLAB的工具栏中，按下Simulink按钮，也可以打开SIMULINK的库浏览器。2界面说明 在SIMULINK界面的上方是标题栏和菜单栏。菜单栏的下面是常用按钮及待查关键字填写栏，在关键字填写栏输入要查找的关键字并回车，就可以查到相应功能模块。常用按钮的下面是对所选模块对象的文字说明。在界面的下面分为两部分，左边部分显示的是全部模块库，在这里可以选择需要的模块库；右边部分显示选中的模块库中所有的模块。,3SIMULINK的功能模块 SIMULINK 4.1提供了9个基本模块库，即Continuous（连续系统模块库）、Discrete（离散系统模块库）、Function&Table（函数与表模块库）、Math（数学运算模块库）、Nonlinear（非线性模块库）、Signals&System（信号与系统模块库）、Sinks（输出模块库）、Sources（输入源模块库）、Subsystem（子系统模块库）等标准模块库。关于这些模块的名称与功能可参见教材的表8-1表8-6。8.2 SMULINK基本操作 8.2.1 模型窗口“untitled”窗口即无标题的空白窗口，是SIMULINK仿真工具用来绘制控制系统结构图模型的空白设计区。模型窗口中有7个主菜单项，每个主菜单项都有下拉菜单，菜单项的下面是工具栏，工具栏的下面空白处就是模型编辑窗口，使用者可以在此处编辑系统的仿真模型。,通常，打开“untitled”模型窗口通常有四种方法：（1）直接从命令窗中选取“File”|“New”|“Model”命令，MATLAB会打开一个新的“untitled”模型窗口。（2）在MATLAB命令窗口下输入simulink命令，打开SIMULINK模块库浏览器窗口，然后再按“新建”按钮创建一个新“untitled”模型窗口。（3）在指令窗口下左键单击“New Simulink Model”按钮，再按“新建”按钮创建一个新的“untitled”模型窗口。（4）如果方框图模型已经存在，那么在MATLAB指令窗下直接键入模型文件名字，便会直接打开该模型方框图的模型窗口。用户可以对它直接进行编辑、修改和仿真。还可以在已打开的模型窗口里按按钮创建一个新“untitled”模型窗口。8.2.2 模块的处理 每个模块库中的功能模块，都可以直接用鼠标拖曳到设计区域中，再用线将其连接后执行，此外，还可以对模块进行处理，如模块的移动、复制、转向、改变大小、模块命名、颜色设定等等,1选中模块 在MATLAB中，选中模块的方法有两种：（1）用鼠标左键单击待选模块，模块四个角处出现小黑块，表示已经选中。（2）如果选择一组模块，可以按住鼠标左键拉出一个矩形虚线框，将所有待选模块框在其中，然后松开左键，则矩形里所有的模块，每个模块四个角处都出现小黑块，表示所有模块同时被选中。当要选中多个模块时，也可以按住shift键，单击鼠标左键，逐个选取。2复制模块 模块的拷贝包括两种情况，即：从模块库中将标准模块拷贝到模型窗口“untitled”里；在“untitled”模型窗口里拷贝模块。从模块库中拷贝标准模块的操作方法是：在模块库用鼠标左键选中模块，按住鼠标左键不放将所选模块拖曳到“untitled”模型窗口里的目标位置，松手放开鼠标左键，即完成模块从库中的拷贝。,对于同一标准模块或者不同的模块均可以多次重复这样的拷贝操作。在“untitled”模型窗口里拷贝模块的有如下三种方法：（1）首先选中待拷贝模块，运行“Edit”|“Copy”命令；然后将光标移到将粘贴的地方，按一下鼠标左键；看到选定的模块恢复原状，在选定的位置上再运行“Edit”|“Paste”命令即可。新复制的模块和原装模块的名称也会自动编号，以资区别。（2）另一种简单的复制操作是：先按下“Ctrl”键不放，然后将鼠标移到模块对象上，注意看鼠标指针，如果多了一个小小的“加号”，表示可以复制了。用鼠标拖曳到目的位置后，松开鼠标左键，便完成拷贝工作。（3）还有一种更为特别的简单复制操作：用鼠标指向待拷贝模块对象，按住鼠标右键不放，将鼠标拖曳到目的地，放开鼠标右键，即可复制一个功能模块。,3模块的移动 模块移动操作非常简单：将光标置于待移动模块图标上，然后按住鼠标左键不放，将模块图标拖曳到目的地，放开鼠标左键，模块移动完成。注意，移动模块时，与其相连的连线也随之移动。4模块的删除和粘贴 对选中的模块的删除和粘贴可以操作：（1）按“Delete”键，把选定模块删除。（2）选择“Edit”|“Cut”命令后，便将选定模块移到Windows的剪粘贴板上，再用“Paste”命令重新粘贴。5改变模块对象的大小 用鼠标选择对象模块图标，再将鼠标移到模块对象四周的控制小块处，鼠标指针将会变成或形状，此时按住鼠标左键不放，拖曳鼠标，待对象图标大小符合要求时即放开鼠标左键，这样就可改变模块对象图标的大小。,6改变模块对象的方向 选择“Format”|“Flip Block”或者直接按“Ctrl+I”键，可将功能模块旋转180；如果选择“Format”|“Rotate Block”或者直接按“Ctrl+R”键，即可将功能模块顺时针旋转90。7模块命名 用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改名称即可。名称在功能模块上的位置也可以改变，选择“Format”|“Flip Name”命令，可以使模块名称在模块的上方、下方切换；若要隐藏模块名称可用“Format”|“Hide Name”命令来实现。8模块颜色设定 模块的前景和背景颜色也可以改变，选择“Format”|“Foreground Color”命令可以改变模块的前景颜色；选择“Format”|“Background Color”命令可以改变模块的背景颜色。,8.2.3 模块的连接 将构成一个控制系统的所有环节模块拷贝到“untitled”模型窗口里，这些模块图标在没有用信号线将其连接之前，并不描述一个控制系统，即不代表任何系统模型。必须用信号线将各个模块图标连接成能够描述一个控制系统的所谓系统模型。1信号线的使用 信号线具有连接功能模块的作用。用鼠标箭头在“untitled”模型窗口里拖动，可以在模块的输入与输出之间直接连信号线。前面已经介绍过，为了连接两个模块，按住鼠标的左键，点击输入或输出端口，看到光标变为十字形以后，拖曳十字图形符号到另外一个端口，鼠标指针将变为双十字形状，然后放开鼠标左键。于是一根最简单的信号线即将两模块连接起来，连线的箭头方向表示信号的流向。,2向量信号线与线型设定 对于向量信号线，在“untitled”模型窗口里，选中“Format”|“Wide Nonscalar Lines”命令，线的粗细会根据在线上传输的数据是数值（scalar）还是向量（vector）而改变。如果是数值则用细线，如果是向量则用粗线。3信号线设置标签 只要在信号线上双击鼠标左键，即可在该信号线的下部拉出一个矩形框，在矩形框内的光标处即可输入该信号线的说明标签，既可输入西文字符也可以输入汉字字符。标签的信息内容如果很多，还可以按回车键换行输入。如果标签信息有错或者不妥也可以重新选中再编辑修改。4信号线折弯 对选中的信号线，将鼠标指到线段端点的小黑块上，直到箭头指针变为“”，按住鼠标左键，拖曳线段，即可将线段以转直角的方式折弯。如果不想以直角的方式折弯，则可以在线段的任一位置，按住“shift”键与鼠标左键，将线段以任意角度折弯。,5信号线分支 对选中的信号线，按住“Ctrl”键，并在要建立分支的地方按住鼠标左键拉出即可。另外一种方法是：将鼠标指到要引出分支的信号线段上，如果按住鼠标右键拖曳鼠标，还可拉出分支线段。6信号线的平行移动 将鼠标指到要平行移动的信号线段上，按住鼠标左键不放，鼠标指针变为十字箭头形状，水平或者垂直方向拖曳鼠标移到目的位置，放开鼠标左键，信号线的平行移动即完成。7信号线与模块分离 将鼠标指针放在想要分离的模块上，按住“Shift”键不放，再用鼠标把模块拖曳到别处，即可以把模块与连接线分离。8信号线的删除 对选中的信号线的删除操作非常简单，按“Delete”键，即可把选中的信号线删除。,8.2.4 创建系统模型图 以上对模块及连线的操作进行了介绍，掌握了这些基本技能，就可以很方便的创建仿真系统的模型了。通常，创建仿真系统模型的具体步骤为：激活SIMULINK；选择所需要的模块；用连线连接各模块；双击各模块，完成对模块的参数设置和修改。8.2.5 自定义模块库和子系统 在创建一个新的系统模型时，许多常用的模型要不断地重新建立，这样非常不方便；或者觉得SIMULINK原有的9类基本模块库太多，常常有许多门类模块或者某一类里的很多标准功能模块，对于解决一个特定的问题时根本用不到。基于这些原因，SIMULINK提供了自定义模块库的功能。根据解决问题的不同需要，自定义模块库既可以由9类基本模块库中的几类构成，也可以由9类基本模块库里多个标准功能模块构成。,8.2.5 自定义模块库和子系统 SIMULINK 4.1提供了自定义模块库与自定义子系统的功能，这两项功能都有实际意义与实用价值。1SIMULINK窗口下自定义模块库 当进行了许多系统模型的建立与分析以后，会发现每次创建一个新的系统模型时，许多常用的模型要不断地重新建立，这样非常不方便；或者觉得SIMULINK原有的9类基本模块库太多，常常有许多门类模块或者某一类里的很多标准功能模块，对于解决一个特定的问题时根本用不到。基于这些原因，SIMULINK提供了自定义模块库的功能。根据解决问题的不同需要，自定义模块库既可以由9类基本模块库中的几类构成，也可以由9类基本模块库里多个标准功能模块构成。当启动SIMULINK 4.1时，打开的模块库都是“只读性”的，无法修改其中的内容，因此要先将其解锁。可以选择“Edit”|“Library unlock”命令，执行后就可以修改其中的内容了。为了说明自定义函数模块库的过程，请看【例8.2】。,2SIMULINK窗口下自定义子系统 SIMULINK窗口下自定义子系统可以采用两种方法，其一是采用SIMULINK 4.1库浏览器“Subsystem”模块库中的“Subsystem”标准功能模块，其二是在模型窗口中执行“Edit”|“Create Subsystem”命令的方法，无论那一种方法都可以自定义子系统。关于自定义子系统的方法，详见【例8.3】。8.2.6 模型文件的保存与打开 编辑好一个模型后，可以在“untitled”模型窗口中选择“File”|“Save”命令将模型以原文件名存盘。模型是以ASCII码形式存储的.mdl文件。动态结构图模型文件名可以省略扩展名，系统会自动添加上去。文件包含了该模型的所有信息，既有这个数学模型的内涵，又有其外部方框图的可见形式。也可以在“untitled”模型窗口中选择“File”|“Save As”命令将模型文件在设定的路径与设定的子目录下（最好的路径是MATLAB6p1work），以一个新命名的文件名称存盘。,必须特别指出的是，如果某个文件名的.mdl文件已经存在，再次以该文件名保存内容不同的文件时，新的文件内容将覆盖原文件内容，原文件内容是不能恢复的。已经保存在计算机磁盘上的模型文件（.mdl文件）可以用多种方法打开。可以点击库浏览器里或模型窗口里的图标；也可以在模型窗口选择“File”|“Open”命令；还可以在MATLAB命令窗口里直接输入欲打开模型文件的名字（要注意：一是不要带文件扩展名；二是必须注明模型文件所在的路径与子目录），这些方法都能够打开模型文件。,