《MATLAB基础教程》第11章simulink建模与仿真.ppt

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1、2023年11月9日,第1页,第11 章 Simulink的建模与仿真,MATLAB R2010a 基础教程 清华大学出版社,教学目标教学重点教学内容,2023年11月9日,第2页,教学目标,掌握Simulink的基本建模方法熟悉Simulink模块库熟悉常见Simulink模型了解S函数的设计和调用,2023年11月9日,第3页,教学重点,掌握Simulink的基本建模方法熟悉Simulink模块库熟悉常见Simulink模型,2023年11月9日,第4页,教学内容,掌握Simulink的基本建模方法掌握Simulink模块库熟悉常见Simulink模型S函数的设计和调用Simulink建模

2、的工程应用,2023年11月9日,第5页,Simulink简介,Simulink的启动Simulink模型窗口的建立 Simulink模块的操作,2023年11月9日,第6页,Simulink启动,Simulink的启动主要有以下两种方法：在MATLAB的命令窗口中输入simulink,结果是在桌面上出现一个Simulink Library Browser的窗口，如图11-1，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。单击MATLAB主窗口的快捷按钮，打开Simulink Library Browser窗口。,2023年11月9日,第7页,Simulink模型窗口的建立,在Simulink

3、中打开一个空白的模型窗口的方法：选中Simulink菜单系统中的File|New|Model菜单项后，会生成一个Simulink窗口；单击Simulink工具栏中的“新建模型”图标；在MATLAB的命令窗口中选择File|New|New Model菜单项；,2023年11月9日,第8页,Simulink 模块的操作(1/2),在Simulink的空白模型窗口中，搭建Simulink的模型主要是通过用线将各种功能模块连接构成的。在Simulink中，将两个模块相接非常简单，在每个允许输出的模块口都有一个输出的符号表示离开该模块，而输入端也有一个表示输入的符号表示进入该模块。假如想将一个输入模块和

4、一个输出模块连接起来，那么只需要在前一个模块的输出口处鼠标左键单击，然后拖动鼠标至另外一个模块的输入口，松开鼠标左键，Simulink会自动将两个模块用线连接起来。,2023年11月9日,第9页,Simulink 模块的操作(2/2),模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖拽（用鼠标左键选中模块，并按住左键不放），然后放到模型窗口中处理。在模型窗口中，选中该模块，然后四个角都有黑色标记，这时可以对该模块进行复制、删除、移动、命名、转向、设置模块属性等操作。,2023年11月9日,第10页,Simulink模块库（1/2）,Simulink的模块库是建立好仿真模型的基础，模块库主要包括：（1）连续模

5、块；（2）非连续模块；（3）离散模块；（4）逻辑和位操作模块；（5）查找表模块；（6）数学模块；,2023年11月9日,第11页,Simulink模块库（2/2）,（7）模型检测模块；（8）模型扩充模块；（9）端口和子系统模块；（10）信号属性模块；（11）信号线路模块；（12）接收模块；（13）输入模块；（14）用户自定义函数模块；,2023年11月9日,第12页,Simulink基本仿真建模实例（1/3）,现有如下微分-代数混合方程：初始条件为x1=20,x2=3,x3=0.5，根据以上方程构造出Simulink模型，其中积分器Integrator、Integrator1、Integrat

6、or2的初始值设定分别是2、3、0.5。,2023年11月9日,第13页,Simulink基本仿真建模实例（2/3）,的结构图,2023年11月9日,第14页,Simulink基本仿真建模实例（3/3）,仿真模型图,仿真结果,2023年11月9日,第15页,常见Simulink模型,线性状态-变量模型分段线性模型传递-函数模型非线性状态-变量模型子系统,2023年11月9日,第16页,S函数的设计和调用,S函数的介绍S函数的调用 S函数设计,2023年11月9日,第17页,S函数的介绍,S函数就是S-Functions，是system-Functions的缩写。当MATLAB所提供的模型不能完

7、全满足用户要求时，就可以通过S函数提供给用户自己编写程序来满足自己要求模型的接口。S函数可以用MATLAB，C，C+，Ada和Fortan.编写。C，C+，Ada，and Fortan S-Functions需要编译为Mex文件，就和其它MEX文件一样，Simulink可以随时动态的调用这些文件。S函数使用的是一种比较特殊的调用格式，可以和Simulink求解器交互式操作，这种交互式就是与Simulink求解器和内置固有模块交互式操作相同。S-Functions功能非常全面，适用于连续、离散以及混合系统。S函数允许用户向模型中添加自己编写的模块，只要按照一些简单的规制，就可以在S-Functi

8、ons添加设计算法。在编写好S-Functions之后就可以在S-Functions莫窥阿中添加相应得函数名，也可以通过封装技术来订制自己的交互界面。,2023年11月9日,第18页,S函数的调用,在Simulink使用S-Functions的方法就是从Simulink中的User-Defined Functions模块库中向Simulink模型文件窗口中拖放S-Function模块。然后在S-Functions模块的对话框中的S-Functions Name框中输入S函数的文件名，在S-Functions Parameters框中输入S函数的参数值。在点击edit的选项后可以编辑S函数的代码

9、部分，利用S函数实现需要的功能主要是代码部分的修改。,2023年11月9日,第19页,S函数设计（1/6）,对于代码部分的修改，可以使用MATLAB语言按照S-Functions的格式来编写代码。MATLAB提供了一个模板文件，方便S-Function的编写，该模板文件位于MATLAB根目录toolbox/Simulink/blocks下,2023年11月9日,第20页,S函数设计（2/6）,模板函数的代码如下：function sys,x0,str,ts=sfuntmpl(t,x,u,flag)switch flag,case 0,sys,x0,str,ts=mdlInitializeSiz

10、es;case 1,sys=mdlDerivatives(t,x,u);case 2,sys=mdlUpdate(t,x,u);case 3,sys=mdlOutputs(t,x,u);case 4,sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);case 9,sys=mdlTerminate(t,x,u);otherwise error(Unhandled flag=,num2str(flag);end,2023年11月9日,第21页,S函数设计（3/6）,function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizessizes=simsizes;si

11、zes.NumContStates=0;sizes.NumDiscStates=0;sizes.NumOutputs=0;sizes.NumInputs=0;sizes.DirFeedthrough=1;sizes.NumSampleTimes=1;sys=simsizes(sizes);x0=;str=;ts=0 0;,function sys=mdlDerivatives(t,x,u)sys=;function sys=mdlUpdate(t,x,u)sys=;function sys=mdlOutputs(t,x,u)sys=;function sys=mdlGetTimeOfNextV

12、arHit(t,x,u)sampleTime=1;sys=t+sampleTime;function sys=mdlTerminate(t,x,u)sys=;,2023年11月9日,第22页,S函数设计（4/6）,M文件S-Functions可用的子函数说明如下：（1）mdlInitializeSizes：定义S-Function模块的基本特性，包括采样时间、连续或者离散状态的初始条件和sizes数组。（2）mdlDerivatives：计算连续状态变量的微分方程。（3）mdlUpdate：更新离散状态、采样时间和主时间同步的要求。（4）mdlOutputs：计算S-Function的输出。（

13、5）mdlGetTimeOfNextVarHit:计算下一个采样时间点的绝对时间。（6）mdlTerminate：结束仿真任务。,2023年11月9日,第23页,S函数设计（5/6）,S-function默认的4个输入参数t、x、u和flag，他们的次序不能变动，各自代表的意义是：t：表示当前仿真时刻，是采用绝对计量的时间值，是从仿真开始模型运行时间的计量值。x：模块的状态向量，包括连续状态向量和离散状态向量。u：模块的输入向量。flag：执行不同操作的标记变量。,2023年11月9日,第24页,S函数设计（6/6）,S-Function默认的4个返回参数为sys、x0、str和ts，他们的次序也不能改变，代表的意义为：sys：通用返回函数；x0：初始状态值，当flag的值为0时才有效；str：没有明确定义，是Math Works为将来应用所作的保留。ts：一个m2矩阵，它的两列分别表示采样时间间隔和偏移。,2023年11月9日,第25页,工程实例:车辆悬挂的仿真（1/3）,由牛顿定律而得到的系统模型是：车辆悬挂模型的仿真框图,工程实例:车辆悬挂的仿真（2/3）,车辆悬挂系统的Simulink模型,2023年11月9日,第26页,实例中Simulink模型仿真输出,2023年11月9日,第27页,工程实例:车辆悬挂的仿真（3/3）,