SIMULINK仿真基础新版本(新母板).ppt

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1、第一节 SIMULINK简介,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。,一、什么是SIMULINK,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。,2、在MATLAB命令窗

2、口中点击图标,二、SIMULINK的启动,1、在MATLAB命令窗口中输入simulink 结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。,3、打开simulink模型编辑窗口,simulink模型库浏览器,标题栏,菜单栏,工具栏,模块说明框,基本模块库,专用模块集,模块查找器,模块库中的模块,SIMULINK模型编辑窗口,菜单,工具栏,模块编辑处,当前状态,仿真进程,仿真解法,一个简单的例子（simulink）,例：对一个正弦波信号进行积分处理，然后将原始正弦信号和积分后的信号送到示波器中同时显示出来。,三、常

3、用的SIMULINK模块介绍,SIMILINK模块库按功能进行分类，介绍几类常用的子库：Sources（输入源模块）Sinks（接收器模块）Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）,Math Operations（数学模块）Signal routing（信号路由）Ports&Subsystems（端口和子系统模块）,1、Sources（输入源模块）sources.mdl,Constant：常数信号。,Clock：时钟信号。,From Workspace：来自MATLAB的工作空间。,From File(.mat)：来自数据文件。,Pulse Generator：脉冲发生器。

4、,Repeating Sequence：重复信号。,Signal Generator：通用信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿波及随意波。,Sine Wave：正弦波信号。,Step：阶跃信号。,2、Sinks（接收器模块）sinks.mdl,将输出写入MATLAB的工作空间。,将输出写入数据文件。,输出端,输出到终端,示波器,显示二维图形,将信号的值直接显示模块窗口中,游离示波器,游离示波器说明,注：工作在游离状态的示波器能够对模型中的一条或多条信号线上的信号进行观察，而不用将示波器与信号线相连。观察具体的信号时可以在工具栏中单击图标，在打开的信号选择器进行选择。,停止仿真模块：输入信号任意

5、分量非零时，结束仿真。,3、连续模块（Continuous）continuous.mdl,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,Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出,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,Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出,4、离散模块（Discrete）discrete.mdl,离散传递函数模型,以零极点表示的离散传递函数模型,IIR与FIR滤波器,离散状态空间系统模型,一

6、阶采样和保持器,零阶采样和保持器,一个采样周期的延时,离散时间积分器,对输入信号进行采样保持，在下一步输出,5、Math（数学模块）,Sum：加减运算,Product：乘运算,Dot Product：点乘运算,Gain：比例运算(初始值是1),Matrix Gain：比例运算(初始值是3的矩阵),Math Function：包括指数函数、对数函数、求平方、开根号等常用数学函数,Trigonometric Function：三角函数，包括正弦、余弦、正切等,MinMax：最值运算,Abs：取绝对值,Sign：符号函数,Complex to Magnitude-Angle：由复数输入转为幅值和相角

7、输出,Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角输入合成复数输出,Complex to Real-Imag：由复数输入转为实部和虚部输出,Real-Imag to Complex：由实部和虚部输入合成复数输出,Logical Operator：逻辑运算,Relational Operator：关系运算,Rounding function：对输入信号取整,Combinatorial logic：根据指定的真值表，对输入信号进行组合逻辑运算,Polynomial：根据模块指定的多项式计算输出信号,Bitwise logical operator：对输入信号进行位逻辑运算,6

8、、Signal routing（信号路由）,Mux：复路器,Demux：分路器,Bus creator：总线复用,Bus selector：总线选择,手动选择器,条件选择器,多路选择器,7、Ports&Subsystems（端口和子系统模块）,输入端口,输出端口,触发模块,使能模块,子系统,触发子系统,使能子系统,四、SIMULINK简单模型的建立及模型特点,1、简单模型的建立 exp5_1.mdl（1）建立模型窗口（2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口（3）对模块进行连接，从而构成需要的系统模型,2、模型的特点在SIMULINK里提供了许多如Scope的接收器模块，这使得用SIMULNK

9、进行仿真具有像做实验一般的图形化显示效果。SIMULINK的模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统。SIMULINK提供了对子系统进行封装的功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。,3、建立模型时注意的问题 最主要的问题是：由于matlab/simulink对中文支持不是很好，在程序文件或simulink模块中若出现中文时有时会出现错误。一般在注释，说明，命名时会使用中文 另外：有时当文件所在的路径，目录含有中文时也会出错。,第二节 SIMULINK功能模块的处理,功能模块的基本操作，包括模块的移动、复制、删除、转向、改变大小、模块命名、颜色设定、参数设定、属性设定、模块输

10、入输出信号等。模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖放到模型窗口中进行处理。在模型窗口中，选中模块，则其4个角会出现黑色标记。此时可以对模块进行以下的基本操作。,移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖到所需的位置即可。若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳。复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块。删除：选中模块，按Delete键即可。,转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。在菜单Format中选择Flip Block旋转180度，选择Rotate Block顺时针旋转90度。或者直接按Ctrl+F键执行Flip Block，按Ctrl

11、+R键执行Rotate Block。改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳即可。,注意：在实际的操作过程中发现不太一致，具体是：ctrl+r键让其顺时针转90度后翻转,注意：在实际的操作过程中发现不太一致，具体是：ctrl+r键让其顺时针转90度后翻转,6）模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单 击一下，然后直接更改即可。Hide Name可以 隐藏模块名称。7）颜色设定：Format菜单中的Foreground Color可以改变模块的前景颜色，Background Color可以改变模块的背景颜色；而模型窗口 的颜色可以通过Screen Color来改变。,参数设定：用鼠标双

12、击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进行参数设定。参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助，为获得更详尽的帮助，可以点击其上的help按钮。通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。,例exp5_2.mdl exp5_3.mdl,9）属性设定：选中模块，打开Edit菜单的Block Properties可以对模块进行属性设定。包括Description属性、Priority优先级属性、Tag属性、Open function属性、Attributes format string属性。其中Open function属性是一个很有用的属性，通过它指定一个函数名，则当该模块被双击之后，

13、Simulink就会调用该函数执行，这种函数在MATLAB中称为回调函数。,10）模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一种单一信号，而向量信号为一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输入信号，模块都具有一种“智能”的识别功能，能自动进行匹配。某些模块通过对参数的设定，可以使模块输出向量信号。,第三节 SIMULINK线的处理,SIMULINK模型的构建是通过用线将各种功能模块进行连接而构成的。用鼠标可以在功能模块的输入与输出端之间直接连线。所画的线可以改变粗细、设定标签，也可以把线折弯、分支。

14、,exp5_4.mdl,1）设定标签：只要在线上双击鼠标，即可输入 该线的说明标签。也可以通过选中线，然后 打开Edit菜单下的Signal Properties进行设 定，其中signal name属性的作用是标明信 号的名称，设置这个名称反映在模型上的直 接效果就是与该信号有关的端口相连的所有 直线附近都会出现写有信号名称的标签。,2）线的折弯：按住Shift键，再用鼠标在要折弯 的线处单击一下，就会出现圆圈，表示折 点，利用折点就可以改变线的形状。3）线的分支：按住鼠标右键，在需要分支的地 方拉出即可以。或者按住Ctrl键，并在要建 立分支的地方用鼠标拉出即可。,第四节 SIMULINK

15、自定义功能模块（封装子系统）,自定义功能模块有两种方法，一种方法是采用Ports&Subsystems 模块库中的Subsystem功能模块，利用其编辑区设计组合新的功能模块；另一种方法是将现有的多个功能模块组合起来，形成新的功能模块。对于很大的SIMULINK模型，通过自定义功能模块可以简化图形，减少功能模块的个数，有利于模型的分层构建。,一、方法1 exp5_5.mdl将Ports&Subsystems 模块库中的Subsystem功能模块复制到打开的模型窗口中。双击Subsystem功能模块，进入自定义功能模块窗口，从而可以利用已有的基本功能模块设计出新的功能模块。,二、方法2 exp5

16、_6.mdl在模型窗口中建立所定义功能模块的子模块。用鼠标将这些需要组合的功能模块框住，然后选择Edit菜单下的Create Subsystem即可。,三、自定义功能模块的封装 上面提到的两种方法都只是创建一个功能模块而已，如果要命名该自定义功能模块、对功能模块进行说明、选定模块外观、设定输入数据窗口，则需要对其进行封装处理。首先选中Subsystem功能模块，再打开Edit菜单中的Mask Subsystem进入mask的编辑窗口，可以看出有4个选项卡。,exp5_7.mdl exp5_8.mdl exp5_9.mdl exp5_10.mdl,1、Parameters:定义封装子系统的参数设

17、置。2、Icon：设定功能模块的外观。3、Initialization：设定输入数据窗口（Prompt List）。4、Documentation：设计该功能模块的文字 说明。,1、Icon选项卡-定义封装子系统的外观,I、用户可以在Icon页左边的下拉式列表设置一些参数来控制图标的属性。,说明1,说明6,说明2,说明5,说明3,说明4,（设置图标是否能旋）：旋转模块。,（设置图标边框是否可见）：Visible 显示外框线；Invisible：隐藏外框线。,（设置图标是否透明）：Opaque 隐藏输入输出的标签；Transparent：显示输入输出的标签。,画图时的坐标系,说明1：,说明2：,

18、说明3：,说明4：,返回上一层,说明5：,举例,II、在Drawing Commands文本框中可以填入具体的画图命令。,Drawing Commands文本框：在该区域内可以用disp指令设定功能模块的文字名称，用plot指令画线，用dpoly指令画转换函数。,说明6：,注意，尽管这些命令在名字上和以前讲的MATLAB函数相同，但它们在功能上却不完全相同，因此不能随便套用以前所讲的格式。具体格式见下页,1、plot(x1 x2 xn,y1 y2 yn)指令会在功能模块上画出由x1 y1经x2 y2经x3 y3 直到xn,yn为止的直线。功能模块的左下角会根据目前的坐标刻度被正规化为0,0，右

19、上角则会依据目前的坐标刻度被正规化为1,1。,2、dpoly(num,den)：按s次数的降幂排序，在功能模块上显示连续的传递函数。3、dpoly(num,den,z)：按z次数的降幂排 序，在功能模块上显示离散的传递函数。4、disp(text)可以在功能模块上显示设定的 文字内容。disp(text1ntext2)分行显示 文字text1和text2。,例：设计一个系统：将正弦信号分别进行微分运算和加上直流信号，并同时显示出来。再把它封装成一个子系统。,封装要求：1、命名为display sin2、在模块上显示正弦曲线3、在模块上显示连续的传递函数4、在模块上显示文字“a good ide

20、al”,步骤：,1、在sources模块库中选sinc wave模块和 constant模块2、在continuous模块库中选Derivative（微 分）模块3、在math operations模块库中选sum模块4、在singnal routing模块库中选mux模块,5、在sinks模块库中选scope模块6、连线7、运行8、全选，然后选择Edit菜单下的Create Subsystem9、对子系统模块单击右键，选mask subsystem（或edit mask），弹出对话 框10、开始设置,2、Parameters选项卡-定义封装子系统的参数 设置,参数设置提示符,对应参数所对应的

21、变量名,控件类型,对表达式进行估值,设置仿真过程中参数是否可调,添加参数,删除参数,参数上移,参数下移,对选中的参数进行设置,若控件类型是popup，则设置具体的值,该参数所对应的回调命令,该参数在子系统的参数设置对话框中出现,该参数在参数设置中可以由用户设定,3、Initialization选项卡-对子系统进行初始化,列出与子系统参数关联的变量，用户可以编辑变量名,对变量进行初始化，这些命令在下列情况下被执行：1、加载模型2、开始仿真3、旋转模块若命令行没有分号，可以在Command窗口中显示,4、Documentation选项卡,此页主要用来针对完成的功能模块来编写相应的说明文字和Help

22、。,说明1,说明2,说明3,封装模块的标注性说明，在模型窗口下，将鼠标指向模块，则会显示该文字。当然必须先在View菜单中选择Block Data TipsShow Block Data Tips。,说明1：,返回,在Block help中输入的文字则会显示在单击参数窗口中的help按钮后浏览器所加载的HTML文件中。,在Block description中输入的文字，会出现在参数窗口的说明部分。,说明2：,说明3：,返回,举例,第五节 SIMULINK仿真的运行（仿真参数配置）,构建好一个系统的模型之后，接下来的事情就是运行模型，得出仿真结果。运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：设置仿真参数

23、，启动仿真和仿真结果分析。,一、设置仿真参数和选择解法器,设置仿真参数和选择解法器，选择Simulation菜单下的Parameters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面来管理仿真的参数。,在Matlab7.0.1中，是通过simulation/configuration simulation 来调用仿真参数的配置。对话框也与以前版本不同，见下图：,1、Solver页，它允许用户设置仿真的开始和 结束时间，选择解法器，说明解法器参数 及选择一些输出选项。2、Workspace I/O页，作用是管理模型从 MATLAB工作空间的输入和对它的输出。3、Diagnostics页，允许

24、用户选择Simulink 在仿真中显示的警告信息的等级。,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；选择输出项。,1）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。,2）仿真步长模式：用户在Type后面的第一个下拉选

25、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。用户还可以在第二个下拉选项框中选择对应模式下仿真所采用的算法。,变步长模式解法器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。a）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。一般来说，面对一个仿真问题最好是首先试试ode45

26、。,b）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。,c）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。,d）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。,e）ode23s：它是一种单步解法器，固定阶次，专门应用于刚性系统，在弱误差允

27、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。,f）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。g）ode23tb：是TR-BDF2的一种实现，TR-BDF2 是具有两个阶段的隐式龙格库塔公式。h）discrtet：当Simulink检查到模型没有连续状态时使用它。,固定步长模式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete。ode5：缺省值，是ode45的固定步长版本，适用于大多数连续或离散系统，不适用于刚性系统。ode4：四阶龙格库塔法，

28、具有一定的计算精度。,c）ode3：固定步长的二/三阶龙格库塔法。d）ode2：改进的欧拉法。e）ode1：欧拉法。f）discrete：是一个实现积分的固定步长解法 器，它适合于离散无连续状态的系统。,步长参数：对于变步长模式，用户可以设置最大的和推荐的初始步长参数，缺省情况下，步长自动地确定，它由值auto表示。Initial step size（初始步长参数）：一般建议使用“auto”默认值即可。,b）Maximum step size（最大步长参数）：它决定了解法器能够使用的最大时间步长，它的缺省值为“仿真时间/50”，即整个仿真 过程中至少取50个取样点，但这样的取法对 于仿真时间较

29、长的系统则可能带来取样点过 于稀疏，而使仿真结果失真。一般建议对于 仿真时间不超过15s的采用默认值即可，对 于超过15s的每秒至少保证5个采样点，对于 超过100s的，每秒至少保证3个采样点。,4）仿真精度的定义（对于变步长模式）Relative tolerance（相对误差）：它是指误差相对于状态的值，是一个百分比，缺省值为1e-3，表示状态的计算值要精确到0.1%。Absolute tolerance（绝对误差）：表示误差值的门限，或者是说在状态值为零的情况下，可以接受的误差。如果它被设成了auto，那么simulink为每一个状态设置初始绝对误差为1e-6。,5）输出选项Refine

30、output：这个选项可以理解成精细输出，其意义是在仿真输出太稀松时，simulink会产生额外的精细输出，这一点就像插值处理一样。用户可以在refine factor设置仿真时间步间插入的输出点数。产生更光滑的输出曲线，改变精细因子比减小仿真步长更有效。精细输出只能在变步长模式中才能使用，并且在ode45效果最好。,b）Produce additional output：它允许用户 直接指定产生输出的时间点。一旦选择了该 项，则在它的右边出现一个output times编 辑框，在这里用户指定额外的仿真输出点，它既可以是一个时间向量，也可以是表达 式。与精细因子相比，这个选项会改变仿真 的步

31、长。,c）Produce specified output only：它的意 思是让simulink只在指定的时间点上产生输 出。为此解法器要调整仿真步长以使之和指定 的时间点重合。这个选项在比较不同的仿真时 可以确保它们在相同的时间输出。,2、Workspace I/O页,此页主要用来设置SIMULINK与MATLAB工作空间交换数值的有关选项。Load from workspace：选中前面的复选框即可从MATLAB工作空间获取时间和输入变量，一般时间变量定义为t，输入变量定义为u。Initial state用来定义从MATLAB工作空间获得的状态初始值的变量名。,2）Save to wo

32、rkspace：用来设置存往 MATLAB工作空间的变量类型和变量名，选中 变量类型前的复选框使相应的变量有效。一般 存往工作空间的变量包括输出时间向量（Time）、状态向量（States）和输出变量（Output）。Final state用来定义将系统稳 态值存往工作空间所使用的变量名。,3）Save option：用来设置存往工作空间的有关选项。Limit rows to last用来设定SIMULINK仿真结果最终可存往MATLAB工作空间的变量的规模，对于向量而言即其维数，对于矩阵而言即其秩；Decimation设定了一个亚采样因子，它的缺省值为1，也就是对每一个仿真时间点产生值都保存

33、，而若为2，则是每隔一个仿真时刻才保存一个值。Format用来说明返回数据的格式，包括矩阵matrix、结构struct及带时间的结构struct with time、数组array。,3、Diagnostics页,此页分成两个部分：仿真选项和配置选项。1)Simulink options选项区域可配置两种参数。默认关闭。使用时会降低仿真性能。A）consistency checking:连续检测。B）bounds checking:边界检测。,2）configuration options选项区域可设置仿真时遇到异常时的处理办法。,配置选项下的列表框主要列举了一些常见的事件类型，以及当SIM

34、ULINK检查到这些事件时给予的处理。仿真选项options主要包括是否进行一致性检验、是否禁用过零检测、是否禁止复用缓存、是否进行不同版本的SIMULINK的检验等几项。,除了上述3个主要的页外，仿真参数设置窗口还 包括advanced、real-time workshop页，主 要用于与C语言编辑器的交换，通过它可以直接 从SIMULINK模型生成代码并且自动建立可以在 不同环境下运行的程序，这些环境包括实时系统 和单机仿真。,二、启动仿真1、设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿真而运行。2、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

35、误信息提示框。如果一切设置无误，则开始仿真运行，结束时系统会发出一鸣叫声。,12.6 S函数的设计与应用S函数称为系统函数(System Function)，它有固定的程序格式。用MATLAB语言可以编写S函数，此外还可以采用C、C+、FORTRAN和Ada等语言编写。12.6.1 用MATLAB语言编写S函数编写S函数有一套固定的规则，为此，Simulink提供了一个用M文件编写S函数的模板。该模板程序存放在toolboxsimulinkblocks目录下，文件名为sfuntmpl.m。用户可以从这个模板出发构建自己的S函数。,1主程序S函数主程序的引导语句为：function sys,x0,str,ts=fname(t,x,u,flag)2子程序S函数M文件共有6个子程序，供Simulink在仿真的不同阶段调用。,12.6.2 S函数的应用例12-8 采用S函数实现模块y=nx，即模块的功能是把一个输入信号n倍以后再输出。(1)利用MATLAB语言M文件。(2)模块的封装与测试。,