第7章-simulink仿真環(huán)境

1、第7章 Simulink仿真環(huán)境,,,,,7 . 1 演示1個Simulink的簡單程序,7 . 2 Simulink文件操作和模型窗口,7 . 3 模型創(chuàng)建,7 . 4 Simulink基本模塊,,7 . 5 復(fù)雜系統(tǒng)仿真與分析,,7 . 6 子系統(tǒng)與封裝,,7 . 7 用MATLAB命令創(chuàng)建和運(yùn)行Simulink模型,,7 . 8 S函數(shù),,7 . 9 以Simulink為基礎(chǔ)的模塊工具箱,7 . 1 演示1個S

2、imulink的簡單程序,【例7.1】 創(chuàng)建一個正弦信號的仿真模型，步驟如下。（1）在MATLAB的命令窗口輸入“simulink”，或單擊工具欄中的 圖標(biāo)，就可以打開Simulink模塊庫瀏覽器（Simulink Library Browser）窗口，如圖7.1所示。,7 . 1 演示1個Simulink的簡單程序,（2）單擊工具欄上的 圖標(biāo)或選擇菜單“File”→“New”→“Model”命令，新建1個名為

3、“untitled”的空白模型窗口。（3）在如圖7.1所示的右側(cè)子模塊窗口中，單擊“Source”子模塊庫前的“+”按鈕（或雙擊“Source”子模塊庫），或者直接在左側(cè)模塊和工具欄單擊“Simulink”下的“Source”子模塊庫，便可看到各種輸入源模塊。,7 . 1 演示1個Simulink的簡單程序,（4）若用鼠標(biāo)單擊所需的輸入信號源模塊“Sine Wave”（正弦信號），將其拖曳到空白模型窗口“untitled”，則“Si

4、ne Wave”模塊就被添加到untitled窗口；也可以用鼠標(biāo)選擇“Sine Wave”模塊，單擊鼠標(biāo)右鍵，在快捷菜單中選擇“add to 'untitled'”命令，就可以將“Sine Wave”模塊添加到untitled窗口，如圖7.2所示。,7 . 1 演示1個Simulink的簡單程序,（5）用同樣的方法打開接收模塊庫“Sinks”，選擇其中的“Scope”模塊（示波器）拖曳到“untitled”窗口中。（

5、6）在“untitled”窗口中，用鼠標(biāo)指向“Sine Wave”右側(cè)的輸出端，當(dāng)光標(biāo)變?yōu)槭中螘r，按住鼠標(biāo)拖曳到“Scope”模塊的輸入端，松開鼠標(biāo)按鍵，就完成了2個模塊間的信號線連接，1個簡單的模型便建成，如圖7.3所示為Simulink模型窗口。,7 . 1 演示1個Simulink的簡單程序,（7）開始仿真。單擊“untitled”模型窗口中的“開始仿真”圖標(biāo) ，或者選擇菜單“Simulink”→“Start”命令，則仿

6、真開始。雙擊“Scope”模塊出現(xiàn)示波器顯示屏，可以看到黃色的正弦波形，如圖7.4所示。（8）保存模型，單擊工具欄的 圖標(biāo)，將該模型保存為“Ex0701.mdl”文件。1個簡單的仿真模型就建立了。,7 . 2 Simulink文件操作和模型窗口,7.2.1 Simulink文件操作以下幾種操作可以新建仿真模型文件。（1）在MATLAB的命令窗口選擇菜單“File”→“New”→“Model”命令。（2）在如圖7.1

7、所示的Simulink模塊庫瀏覽器窗口選擇菜單“File”→“New”→“Model”命令，或者單擊工具欄的 圖標(biāo)。（3）在如圖7.3所示的Simulink模型窗口選擇菜單“File”→“New”→“Model”命令，或者單擊工具欄的 圖標(biāo)。,7.2.2 Simulink模型窗口,1．狀態(tài)欄狀態(tài)欄用來顯示仿真的狀態(tài)。當(dāng)鼠標(biāo)指向菜單項和工具欄時，在狀態(tài)欄顯示其定義；“Ready”表示模型已準(zhǔn)備就緒而等待仿真命令；“

8、100%”表示編輯窗模型的顯示比例；“ode45”表示仿真所選用的積分算法。在仿真過程中，狀態(tài)欄還會出現(xiàn)動態(tài)信息。2．工具欄模型窗口工具欄如圖7.5所示。,7 . 3 模型創(chuàng)建,7.3.1 模塊操作1．模塊的復(fù)制在不同模型窗口（包括模型庫窗口）之間的模塊復(fù)制很簡單，只要選定模塊，用鼠標(biāo)將其拖曳到另一個模型窗口即可；而在同一模型窗口內(nèi)復(fù)制模塊則需要按住【Ctrl】鍵，再用鼠標(biāo)拖曳對象到合適的地方，釋放鼠標(biāo)。或者使用菜單和工具欄

9、中的“Copy”和“Paste”按鈕。2．模塊的移動模塊的移動有兩種方式。（1）若在同一模型窗口中移動模塊，則需要選定移動的模塊，用鼠標(biāo)將模塊拖曳到合適的地方。（2）若在不同模型窗口之間移動模塊，則要在鼠標(biāo)移動的同時按下【Shift】鍵。3．模塊的刪除若要刪除模塊，應(yīng)選定待刪除的模塊，按下【Delete】鍵；或者選擇菜單“Edit”→“Clear”命令或者“Cut”命令；或者單擊工具欄的“Cut”按鈕。,7.3.1 模塊操

10、作,4．模塊的翻轉(zhuǎn)（1）模塊翻轉(zhuǎn)180°。選定模塊，選擇菜單“Format”→“Flip Block”命令可以將模塊旋轉(zhuǎn)180°，如圖7.6所示，中間為翻轉(zhuǎn)180°示波器模塊。（2）模塊翻轉(zhuǎn)90°。選定模塊，選擇菜單“Format”→“Rotate Block”命令可以將模塊旋轉(zhuǎn)90°，如圖7.6右邊示波器所示。如果1次翻轉(zhuǎn)不能達(dá)到要求，可以通過多次翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)。,7.3.1 模塊操作

11、,5．模塊名的編輯模塊名的編輯方法有如下幾種。（1）修改模塊名。單擊模塊下面或旁邊的模塊名，若出現(xiàn)虛線編輯框則可對該模塊名進(jìn)行修改。（2）模塊名字體設(shè)置。選定模塊，選擇菜單“Format”→“Font”命令，打開字體對話框設(shè)置字體。（3）模塊名的顯示和隱藏。選定模塊，選擇菜單“Format”→“Hide /Show name”命令，可以隱藏或顯示模塊名。（4）模塊名的翻轉(zhuǎn)。選定模塊，選擇菜單“Format”→“Flip nam

12、e”命令，可以翻轉(zhuǎn)模塊名。,7.3.2 信號線操作,1．模塊間連線若要將2個模塊用信號線連接，則先將光標(biāo)指向1個模塊的輸出端，待光標(biāo)變?yōu)槭中魏?，按下鼠?biāo)左鍵并拖動，直到另1個模塊的輸入端。如果2個端口同時都是輸入端或輸出端，則不能產(chǎn)生連線。2．信號線的分支和折線（1）分支的產(chǎn)生方式。在模型框圖中，1個信號往往需要分送到不同模塊，需要繪制分支線，此時信號線中就會出現(xiàn)分支點。（2）信號線的折線。在用信號線連接模型時，經(jīng)常需要將

13、信號線轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生折線。,7.3.2 信號線操作,3．信號線文本注釋（label）信號線文本注釋有以下幾種。（1）添加文本注釋。雙擊需要添加文本注釋的信號線，出現(xiàn)一個空的文字填寫框，在其中可以輸入文本。（2）修改文本注釋。單擊需要修改的文本注釋，出現(xiàn)虛線編輯框后即可修改文本。（3）移動文本注釋。單擊標(biāo)識，出現(xiàn)編輯框后，就可以移動編輯框。（4）復(fù)制文本注釋。單擊需要復(fù)制的文本注釋，按下【Ctrl】鍵的同時移動文本注釋，或者使用菜

14、單和工具欄的復(fù)制操作。4．在信號線中插入模塊若模塊只有1個輸入端口和1個輸出端口，則該模塊可以直接被插入到1條信號線中。5．給模型添加文本注釋添加模型的文本注釋。在需要當(dāng)做注釋區(qū)的中心位置，若雙擊鼠標(biāo)左鍵，則會出現(xiàn)編輯框，在編輯框中可以輸入文字注釋。,7 . 4 Simulink基本模塊,7.4.1 基本模塊Simulink的基本模塊包括多個子模塊庫，如圖7.9所示。,7.4.1 基本模塊,1．輸入信號源模塊庫（Sour

15、ces）輸入信號源模塊用來向模型提供輸入信號，沒有輸入口，但至少有1個輸出口。常用的輸入信號源模塊如表7.1所示。,7.4.1 基本模塊,2．接收模塊庫（Sinks）接收模塊用來接收模塊信號，常用的接收模塊如表7.2所示。,7.4.1 基本模塊,3．連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Continuous）連續(xù)系統(tǒng)模塊是構(gòu)成連續(xù)系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，常用的連續(xù)系統(tǒng)模塊如表7.3所示。,7.4.1 基本模塊,4．離散系統(tǒng)模塊庫（Discrete）離散系統(tǒng)

16、模塊用來構(gòu)成離散系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，常用的離散系統(tǒng)模塊如表7.4所示。,7.4.2 常用模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置,1．模塊參數(shù)設(shè)置（1）正弦信號源（Sine Wave）。雙擊正弦信號源模塊，會出現(xiàn)如圖7.10所示的“參數(shù)設(shè)置”對話框。,7.4.2 常用模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置,（2）階躍信號源（Step）。階躍信號模塊是輸入信號源，其模塊參數(shù)對話框如圖7.11所示。,,7.4.2 常用模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置,（3）從工作空間獲取數(shù)據(jù)（From W

17、orkspace）。從工作空間獲取數(shù)據(jù)模塊的輸入信號源?！纠?.2】 在工作空間計算變量t和y，將其運(yùn)算的結(jié)果作為系統(tǒng)的輸入。>> t=0:0.1:10;>> y=sin(t);>> t=t';>> y=y';,7.4.2 常用模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置,將“From Workspace”模塊的“參數(shù)設(shè)置”對話框打開，如圖7.12（a）所示，在“Data”欄填寫“[

18、t,y]”，單擊“OK”按鈕，則在模型窗口中該模塊顯示如圖7.12（b）所示。用示波器作為接收模塊，可以查看輸出波形為正弦波。,,7.4.2 常用模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置,（4）從文件獲取數(shù)據(jù)（From file）。從文件獲取數(shù)據(jù)是指從mat數(shù)據(jù)文件中獲取數(shù)據(jù)。將【例7.2】中的數(shù)據(jù)保存到.mat文件。>> t=0:0.1:2*pi;>> y=sin(t);>> y1=[t;y];>&g

19、t; save Ex0702 y1 %保存在“Ex0702.mat”文件中將“From File”模塊的“參數(shù)設(shè)置”對話框打開，如圖7.13所示，在“File name”欄填寫“Ex0702.mat”，單擊“OK”按鈕。用示波器作為接收模塊，可以查看輸出波形。,7.4.2 常用模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置,（5）傳遞函數(shù)（Transfer function）。傳遞函數(shù)模塊是用來構(gòu)成連續(xù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模塊，其模塊參數(shù)對話框如圖7.14所示。

20、,7.4.2 常用模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置,若在圖7.14中設(shè)置“Denominator”為“[1 1.414 1]”，則在模型窗口中的顯示如圖7.15所示。,7.4.2 常用模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置,（6）示波器（Scope）。示波器模塊用來接收輸入信號并實時顯示信號波形曲線，還可以把數(shù)據(jù)送入工作空間。示波器窗口的工具欄可以調(diào)整顯示的波形。顯示正弦信號的示波器，如圖7.16所示。,7.4.2 常用模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置,示波器的參數(shù)設(shè)置如

21、下。① 示波器的y坐標(biāo)設(shè)置如圖7.17（a）所示。通過用鼠標(biāo)右鍵單擊坐標(biāo)框，在快捷菜單中選擇“Axes properties”，就會出現(xiàn)“y坐標(biāo)設(shè)置”對話框，在“Y-min”和“Y-max”中設(shè)置坐標(biāo)上下限，在“Title”中設(shè)置坐標(biāo)的文字標(biāo)注。② 示波器的參數(shù)設(shè)置可以通過單擊圖7.16中工具欄上的Parameters選項卡中“打開參數(shù)對話框”按鈕，出現(xiàn)如圖7.17（b）所示的“參數(shù)設(shè)置”對話框，在“Time range”欄中設(shè)置顯

22、示信號范圍，默認(rèn)auto時為仿真時間范圍，用戶可以設(shè)置，如果信號實際持續(xù)時間超過該范圍，則超出范圍的信號在示波器中不顯示。,,7.4.2 常用模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置,③ “Sampling”區(qū)包含2個下拉菜單：“Decimation”表示頻度，默認(rèn)值為1，表示每隔1個數(shù)據(jù)點顯示；“Sample time”表示顯示點的采樣時間步長，默認(rèn)值為0，表示連續(xù)信號，大于0表示離散信號的時間間隔，?1表示由輸入信號決定。④ 如圖7.17（b）中的

23、“Number of axes”欄表示示波器的輸入端口個數(shù)，默認(rèn)值為1，表示只有1個輸入，如果設(shè)置為2則表示有2個輸入端口，如圖7.18（a）所示。⑤ “參數(shù)設(shè)置”對話框中的“Data history”圖標(biāo)如圖7.18（b）所示，“Limit data points to last”欄表示緩沖區(qū)接受數(shù)據(jù)的長度，默認(rèn)為5 000，不管示波器是否打開，只要仿真啟動，緩沖區(qū)就接受信號數(shù)據(jù)。,,,,7.4.2 常用模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置,2．

24、模塊屬性設(shè)置每個模塊的屬性對話框的內(nèi)容都相同，選中模塊后單擊鼠標(biāo)右鍵打開快捷菜單，選擇“Block Properties…”菜單項就可以打開“模塊屬性”對話框，如圖7.19所示，包括3個選項卡：“General”、“Block Annotation”和“Callbacks”。,7 . 5 復(fù)雜系統(tǒng)仿真與分析,7.5.1 仿真設(shè)置Simulink的仿真參數(shù)都有默認(rèn)的設(shè)置，但如果需要修改仿真參數(shù)，則可以在仿真運(yùn)行前對仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置

25、。在模型窗口選擇菜單“Simulation”→“Configuration parameters…”命令，則會打開“參數(shù)設(shè)置”對話框，如圖7.20所示。,7.5.1 仿真設(shè)置,1．Solver頁的參數(shù)設(shè)置Solver頁的參數(shù)設(shè)置有如下幾項。（1）Simulation time。① 仿真的起始時間（Start time）：默認(rèn)為0，單位為s。② 仿真的結(jié)束時間（Stop time）：默認(rèn)為10，單位為s。（2）Solver o

26、ptions。仿真的過程一般是求解微分方程組，“Solve options”的內(nèi)容是針對解微分方程組的設(shè)置。當(dāng)求解類型為變步長時，有以下設(shè)置。 “Max step size”：設(shè)置最大步長，默認(rèn)為auto，最大步長為（Stop time-Start time）/50。② “Min step size”：設(shè)置最小步長，默認(rèn)為auto。③ “Initial step size”：設(shè)置初始步長，默認(rèn)為auto。④ “Relative

27、 tolerance”：設(shè)置相對容許誤差限。⑤ “Absolute tolerance”：設(shè)置絕對容許誤差限。,7.5.1 仿真設(shè)置,當(dāng)求解類型為定步長時，有以下設(shè)置。① “Fixed step size”：設(shè)置固定步長，默認(rèn)為auto，不能設(shè)置誤差限。② “Mode”：設(shè)置模型類型，有“MuliTasking”、“Single Tasking”和“Auto”3種。③ “Solver”：設(shè)置仿真解法的具體算法類型。變步長的算

28、法有：discrete、ode45、ode23、ode113、ode15s、ode23s、ode23t和ode23tb，默認(rèn)使用ode45算法。定步長的算法有：discrete、ode5、ode4、ode3、ode2和ode1。（3）Solver diagnostic controls。根據(jù)需要設(shè)置仿真診斷參數(shù)，可以達(dá)到不同的輸出效果。,7.5.1 仿真設(shè)置,2．Data Import/Outport（數(shù)據(jù)輸入/輸出）頁的設(shè)置在

29、Simulink“參數(shù)設(shè)置”對話框左側(cè)選擇“Data Import/Extport”，如圖7.21所示。,7.5.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真,【例7.3】 建立二階系統(tǒng)的仿真模型。（1）在“Sources”模塊庫選擇“Step”模塊，在“Continuous”模塊庫選擇“Transfer Fcn”模塊，在“Math Operations”模塊庫選擇“Sum”模塊，在“Sinks”模塊庫選擇“Scope”模塊。（2）連接各模塊，從信號線引出

30、分支點，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。（3）設(shè)置模塊參數(shù)，打開“Sum”模塊“參數(shù)設(shè)置”對話框，如圖7.22所示。將“Icon shape”設(shè)置為“rectangular”，將“List of signs”設(shè)置為“|+?”，其中“|”表示上面的入口為空。,7.5.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真,（4）添加信號線文本注釋。雙擊信號線，出現(xiàn)編輯框后，輸入文本，其模型如圖7.23所示。,7.5.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真,（5）仿真并分析。單擊工具欄的“Start simul

31、ation”按鈕開始仿真，在示波器上顯示出階躍響應(yīng)。在Simulink模型窗口，選擇菜單“Simulation”→“Simulation parameters…”命令，在“Solver”頁將“Stop time”設(shè)置為15，單擊“Start simulation”按鈕，示波器顯示的時間為15 s。,7.5.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真,再單擊示波器工具欄的自動刻度按鈕（Autoscale），波形將以窗口的最大值、最小值為縱坐標(biāo)的上、下限?；蛘?/p>

32、將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)修改成為使用積分模塊（Integrator）和零極點模塊（Zero-Pole）串聯(lián)，反饋使用“Math Operations”模塊庫中的“Gain”模塊構(gòu)成反饋環(huán)的增益為?1，二階系統(tǒng)模型如圖7.25所示。,7.5.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真,如果將示波器換成“Sinks”模塊庫中的“Out”模塊 ；然后在仿真參數(shù)設(shè)置對話框的“Workspace I/O”頁（工作空間輸入/輸出），勾選“Time”和“Ou

33、tput”欄，并分別設(shè)置保存在工作空間的時間量和輸出變量為“tout”和“yout”，則仿真后在工作空間就可以使用這2個變量繪制曲線，如圖7.26所示。>> plot(tout,yout),7.5.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真,【例7.4】 建立控制系統(tǒng)，控制環(huán)節(jié)采用PID控制，并使用simulink進(jìn)行PID的參數(shù)整定。Simulink的“Continuous”模塊庫中有“PID Controller”模塊，可以作為PID控制

34、器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7.27所示。,7.5.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真,（1）先整定比例環(huán)節(jié)Kp的值，將Ki和Kd都設(shè)置為0，調(diào)整Kp在示波器使輸出波形達(dá)到臨界穩(wěn)定即等幅振蕩波形。Kp從大到小不斷調(diào)整同時查看示波器波形直到等幅振蕩，得出Kp=12.5，示波器波形如圖7.28所示。,,7.5.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真,（2）調(diào)整Ki和Kd，使波形達(dá)到合適的輸出。從上圖得出等幅振蕩周期T=15S，K=12.5。>> K=12.5;>&

35、gt; T=15;>> Kp=0.6*KKp = 7.5000>> Ki=1.2*K/TKi = 1>> Kd=0.072*K*TKd = 13.5000,7.5.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真,設(shè)置PID模塊的參數(shù)為變量，如圖7.29所示，在命令窗口設(shè)置參數(shù)值。,7.5.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真,查看示波器波形，如果不滿足超調(diào)量和過渡時間則再進(jìn)行調(diào)整。如圖7.30（a）為示波器Ki

36、=1時的顯示波形，圖7.30（b）為調(diào)整Ki=0.5時的波形，超調(diào)量比較小。,,,7.5.3 離散系統(tǒng)仿真,【例7.5】 控制部分為離散環(huán)節(jié)，被控對象為2個連續(xù)環(huán)節(jié)，其中1個有反饋環(huán)。反饋環(huán)引入了零階保持器，輸入為階躍信號。創(chuàng)建模型并仿真的方法如下。（1）選擇1個“Step”模塊，2個“Transfer Fcn”模塊，2個“Sum”模塊，2個“Scope”模塊，1個“Gain”模塊，在“Discrete”模塊庫選擇1個“Disc

37、rete Filter”和1個“Zero-Order Hold”模塊。（2）連接模塊。將反饋環(huán)的“Gain”模塊和“Zero-Order Hold”模塊翻轉(zhuǎn)。（3）設(shè)置參數(shù)。將“Discrete Filter”和“Zero-Order Hold”模塊的“Sample time”都設(shè)置為0.1s。,7.5.3 離散系統(tǒng)仿真,（4）添加文本注釋，離散系統(tǒng)框圖如圖7.31所示。（5）設(shè)置顏色。Simulink為幫助用戶方便地跟蹤不同

38、采樣頻率的運(yùn)作范圍和信號流向，可以采用不同的顏色表示不同的采樣頻率，選擇菜單“Format”→“Sample time color”命令，就可以看到不同采樣頻率的模塊顏色不同。,7.5.3 離散系統(tǒng)仿真,（6）開始仿真。在Simulink模型窗口，選擇菜單“Simulation”→“Simulation parameters…”命令，將“Max step size”設(shè)置為0.05s，則2個示波器“Scope”（d(k)示波器）和“Sc

39、ope1”（y(t)示波器）的顯示如圖7.32所示。,,,7.5.3 離散系統(tǒng)仿真,（7）修改參數(shù)，將“Discrete Filter”模塊的“Sample time”設(shè)置為0.6s，“Zero-Order Hold”模塊的“Sample time”不變；選擇菜單“Edit”→“Update diagram”命令修改顏色，就可以看到“Discrete Filter”模塊的顏色變化了；然后開始仿真，可以看出當(dāng)T=0.6，Tk=0.1時，

40、系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。示波器顯示如圖7.33所示。,,,,7.5.3 離散系統(tǒng)仿真,（8）修改參數(shù)，將“Discrete Filter”和“Zero-Order Hold”模塊的“Sample time”都設(shè)置為0.6s，更新框圖顏色，開始仿真。當(dāng)T=Tk=0.6時，系統(tǒng)出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩。示波器顯示如圖7.34所示。,,,7.5.4 仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)化,【例7.6】 將【例7.5】中的模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)用變量表示，離散系統(tǒng)框圖如圖7.35所示。,,,

41、7.5.4 仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)化,將參數(shù)設(shè)置放在Ex0705_1.m文件中。% Ex0705_1 參數(shù)設(shè)置T=0.1; %控制環(huán)節(jié)采樣時間Tk=0.6; %零階保持器采樣時間k=0.03; %Gain增益zt1=1.44;zt2=?1.26;zt3=1;zt4=?1;tf11=6.7;tf12=0.1;tf13=1;tf21=1;tf22=3;tf23=1在MATLAB工作空間運(yùn)行該

42、文件。>> Ex0705_1,7 . 6 子系統(tǒng)與封裝,7.6.1 建立子系統(tǒng)1．在已建立的模型中新建子系統(tǒng)（1）先打開或新建1個模型，建立模型中的各模塊并用信號線連接。（2）在模型窗口中，用鼠標(biāo)拖曳1個虛線框以將需要建立子系統(tǒng)的部分框起來，然后選擇菜單“Edit”→“Create subsystem”命令，這時原來虛線框中的部分就被1個“Subsystem”模塊代替。（3）更改子系統(tǒng)名。如新建的子系統(tǒng)名默認(rèn)為

43、“Subsystem”，以后建立的子系統(tǒng)則在名稱后面加數(shù)字，可以更改為有一定含義的名稱，以便于分析時查看。（4）重命名輸入、輸出端口名稱，如新建的子系統(tǒng)中的默認(rèn)輸入端口名為“In1”、“In2”、…，輸出端口名為“Out1”、“Out2”、…。,7.6.1 建立子系統(tǒng),【例7.7】 打開【例7.5】建立的模型，將控制對象中的第1個連續(xù)環(huán)節(jié)中的反饋環(huán)建立為1個子系統(tǒng)。在模型窗口中，將控制對象中的第1個連續(xù)環(huán)節(jié)的反饋環(huán)用鼠標(biāo)拖出的虛

44、線框框住，選擇菜單“Edit”→“Create subsystem”命令，則子系統(tǒng)如圖7.36所示。,7.6.1 建立子系統(tǒng),2．在已有的子系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立如果要在已有的子系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立1個子系統(tǒng)，可以按以下步驟。（1）將已有的子系統(tǒng)復(fù)制到新窗口。（2）雙擊打開子系統(tǒng)模型窗口，重新放置模塊，建立連接和輸入、輸出端口。（3）將子系統(tǒng)與其他模塊連接。（4）修改子系統(tǒng)名和其他參數(shù)。,7.6.1 建立子系統(tǒng),【例7.8】 在【例7

45、.7】的基礎(chǔ)上建立新子系統(tǒng)，將【例7.7】模型的控制對象中的第1個對象環(huán)節(jié)作為1個完整的子系統(tǒng)。將圖7.36中的所有對象都復(fù)制到新的空白模型窗口中，雙擊打開子系統(tǒng)“Subsystem”，則出現(xiàn)如圖7.37所示的子系統(tǒng)模型窗口，添加模型構(gòu)成反饋環(huán)形成閉環(huán)系統(tǒng)，如圖7.38所示。,,,7.6.1 建立子系統(tǒng),將系統(tǒng)模型修改為如圖7.39所示的包含子系統(tǒng)的模型。,7.6.2 條件執(zhí)行子系統(tǒng),1．使能子系統(tǒng)（Enabled Subsyst

46、em）建立使能子系統(tǒng)的步驟如下。（1）建立1個新模型。（2）在“Ports & Subsystems”子模塊庫選擇“Enabled Subsystem” 模塊，放在子系統(tǒng)模型窗口中。（3）將“Enabled Subsystem”模塊的“In1”、“Out1”和“Enable”（ ）3個端口與其他模塊連接。其中“Enable”端口為使能的條件控制信號。（4）設(shè)置“Enabled Subsystem”模塊的參數(shù)。雙擊

47、打開該模塊的模型窗口，如圖7.40所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為“In1”和“Out1”連接，“Enable”單獨。,7.6.2 條件執(zhí)行子系統(tǒng),在圖7.40中雙擊“Enable”模塊，出現(xiàn)如圖7.41（a）所示的對話框，“States when enabling”欄有2個下拉選項：“held”表示當(dāng)使能系統(tǒng)再次執(zhí)行時，保持上一次執(zhí)行后的狀態(tài)，“reset”表示再次執(zhí)行時復(fù)位到初始狀態(tài)。在圖7.40中雙擊“Out1”模塊，出現(xiàn)如圖7.41（b）

48、所示的對話框，“Output when disabled”欄有2個下拉選項：“held”表示當(dāng)子系統(tǒng)停止執(zhí)行后，輸出端口的值保持輸出值；“reset”表示停止執(zhí)行后輸出端口復(fù)位到初始值。,,,,7.6.2 條件執(zhí)行子系統(tǒng),【例7.9】 建立一個用使能子系統(tǒng)控制正弦信號為半波整流信號的模型。模型由正弦信號“Sine Wave”為輸入信號源，示波器“Scope”為接收模塊，使能子系統(tǒng)“Enabled Subsystem”為控制模塊，連

49、接模塊，將“Sine Wave”模塊的輸出作為“Enabled Subsystem”的控制信號，其模型如圖7.42（a）所示。開始仿真，由于“Enabled Subsystem”的控制為正弦信號，大于0時執(zhí)行輸出，小于0時就停止，則示波器顯示為半波整流信號，如圖7.42（b）所示。,,,7.6.2 條件執(zhí)行子系統(tǒng),2．觸發(fā)子系統(tǒng)（Triggered Subsystem）建立觸發(fā)子系統(tǒng)的步驟如下。（1）建立1個新模型。（2）在“

50、Ports & Subsystems”子模塊庫選擇“Triggered Subsystem”模塊 ，放在子系統(tǒng)模型窗口中。（3）將“Triggered Subsystem”模塊的“In1”、“Out1”和“Triggered ”( )3個端口與其他模塊連接，其中“Triggered ”端口為觸發(fā)條件控制信號。（4）設(shè)置“Triggered Subsystem”模塊的參數(shù)。雙擊打開該模塊的模型窗口，

51、其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為“In1”和“Out1”連接，“Trigger”單獨。,7.6.2 條件執(zhí)行子系統(tǒng),【例7.10】 建立1個用觸發(fā)子系統(tǒng)控制正弦信號輸出階梯波形的模型。連接模塊，將“Pulse Generator”模塊的輸出作為“Triggered Subsystem”的控制信號，其模型如圖7.43（a）所示。開始仿真，由于“Triggered Subsystem”的控制為“Pulse Generator”模塊的輸出，示波器顯示如圖

52、7.43（b）所示。,,7.6.2 條件執(zhí)行子系統(tǒng),3．使能觸發(fā)子系統(tǒng)（Enabled and Triggered Subsystem）使能觸發(fā)子系統(tǒng)是觸發(fā)子系統(tǒng)和使能子系統(tǒng)的組合，含有觸發(fā)信號和使能信號2個控制信號輸入端，觸發(fā)事件發(fā)生后，Simulink檢查使能信號是否大于0，大于0就開始執(zhí)行。,7.6.3 子系統(tǒng)的封裝,1．封裝子系統(tǒng)的步驟封裝子系統(tǒng)的步驟如下。（1）選中子系統(tǒng)雙擊打開，給需要進(jìn)行賦值的參數(shù)指定1個變量名。

53、（2）選擇菜單“Edit”→“Mask subsystem”命令，出現(xiàn)封裝對話框。（3）在封裝對話框中的設(shè)置參數(shù)，主要有“Icon”、“Parameters”、“Initialization”和“Documentation”4個選項卡。2．Icon選項卡Icon選項卡用于設(shè)定封裝模塊的名字和外觀，其參數(shù)設(shè)置如圖7.44所示。,7.6.3 子系統(tǒng)的封裝,3．Parameters選項卡Parameters選項卡用于輸入變量名稱和

54、相應(yīng)的提示，其參數(shù)設(shè)置如圖7.45所示。,7.6.3 子系統(tǒng)的封裝,4．Initialization選項卡Initialization選項卡用于初始化封裝子系統(tǒng)，在“Initialization commands ”中輸入MATLAB命令，當(dāng)裝載模塊，開始仿真或更新模塊框圖時運(yùn)行初始化命令。5．Documentation選項卡Documentation選項卡用于編寫與該封裝模塊對應(yīng)的Help和說明文字，分別有“Mask type

55、”、“Mask Description”和“Mask help”欄。（1）Mask type欄：用于設(shè)置模塊顯示的封裝類型。（2）Mask Description欄：用于輸入描述文本。（3）Mask help欄：用于輸入幫助文本，即當(dāng)在所顯示的封裝子系統(tǒng)“參數(shù)設(shè)置”對話框中單擊“Help”按鈕時出現(xiàn)的文本。,7.6.3 子系統(tǒng)的封裝,6．按鈕設(shè)置參數(shù)設(shè)置對話框中的“Apply”按鈕用于將修改的設(shè)置應(yīng)用于封裝模塊；“Unmask

56、”按鈕用于將封裝撤銷，則雙擊該模塊就不會出現(xiàn)定制的對話框。【例7.11】 創(chuàng)建1個二階系統(tǒng)，并將子系統(tǒng)進(jìn)行封裝。創(chuàng)建1個二階系統(tǒng)，將其閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成子系統(tǒng)并封裝，將阻尼系數(shù)zeta和無阻尼頻率wn作為輸入?yún)?shù)。（1）創(chuàng)建模型，并將系統(tǒng)的阻尼系數(shù)用變量zeta表示，無阻尼頻率用變量wn表示。二階系統(tǒng)模型如圖7.46所示。,7.6.3 子系統(tǒng)的封裝,（2）用虛線框框住反饋環(huán)，若選擇菜單“Edit”→“Create Subsystem

57、”命令，則產(chǎn)生子系統(tǒng)模型，如圖7.47所示。,,7.6.3 子系統(tǒng)的封裝,（3）封裝子系統(tǒng)，若選擇菜單“Edit”→“Mask subsystem”命令，則出現(xiàn)封裝對話框，將zeta和wn作為輸入?yún)?shù)。在Icon選項卡中設(shè)置的“Drawing commands”欄中寫文字并畫曲線，命令如下：disp（'二階系統(tǒng)'）plot([0 1 2 3 10], ?exp(?[0 1 2 3 10])),7.6.3 子系統(tǒng)

58、的封裝,在Parameters選項卡中，單擊“Add” 按鈕添加2個輸入?yún)?shù)，設(shè)置“Prompt”分別為“阻尼系數(shù)”和“無阻尼振蕩頻率”，并設(shè)置“type”欄分別為“popup”和“edit”，對應(yīng)的“Dialog variable”為“zeta”和“wn” ，設(shè)置“Popups”為“0 0.3 0.5 0.707 1 2”，如圖7.48（a）所示。在Initialization選項卡中初始化輸入?yún)?shù)，如圖7.48（b）所示。

59、,,,7.6.3 子系統(tǒng)的封裝,在Documentation選項卡中輸入提示和幫助信息，如圖7.48（c）所示。,7.6.3 子系統(tǒng)的封裝,封裝子系統(tǒng)與其他的模塊一樣，有自己的圖標(biāo)、參數(shù)設(shè)置對話框和工作空間，并獨立于MATLAB的工作空間和其他模塊空間，如圖7.49所示。,,7 . 7 用MATLAB命令創(chuàng)建和運(yùn)行Simulink模型,1．sim命令sim在命令窗口可以方便地對模型分析和仿真。語法：[t,x,y]=sim(&

60、#39;model',timespan,options,ut) %利用輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真，輸出矩陣[t,x,y1,y2, …]=sim('model',timespan,options,ut)%利用輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真，逐個輸出,,,7 . 7 用MATLAB命令創(chuàng)建和運(yùn)行Simulink模型,【例7.12】 根據(jù)方程組 由狀態(tài)方程建立系統(tǒng)模型，輸入u為階躍信號，顯示其輸出波形，系統(tǒng)模型圖如圖7.5

61、0所示。>> k1=4;>> k2=2;>> k3=0.5;>> [t,x,y]=sim('Ex0711',[0,15]);%運(yùn)行模型>> plot(t,x),,,7 . 7 用MATLAB命令創(chuàng)建和運(yùn)行Simulink模型,2．simset命令simset命令用來為sim函數(shù)建立或編輯仿真參數(shù)或規(guī)定算法，并把設(shè)置結(jié)果保存在一個結(jié)構(gòu)變量中。語

62、法：OPTIONS = simset('NAME1',VALUE1,'NAME2',VALUE2,...)%設(shè)置屬性的屬性值【例7.12續(xù)】 修改仿真的參數(shù)，采用ode23解法器仿真。>> opts=simset('solver','ode23');>> [t,x,y]=sim('Ex0711',[0,15]);3．si

63、mget命令simget命令用來獲得模型的參數(shù)設(shè)置值。語法：Value = simget(MODEL,property)%獲取屬性值,,7 . 7 用MATLAB命令創(chuàng)建和運(yùn)行Simulink模型,4．linmod命令linmod命令用來運(yùn)行模型并獲得其狀態(tài)空間的數(shù)學(xué)模型。語法：[A,B,C,D]=linmod('SYS')【例7.12續(xù)】 獲取本系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型參數(shù)，得出傳遞函數(shù)表達(dá)式。>

64、;> [A,B,C,D]=linmod('Ex0711_1');%將mdl模型轉(zhuǎn)換成為狀態(tài)空間模型>> [num,den]=ss2tf(A,B,C,D);%將狀態(tài)空間模型轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)>> G=tf(num,den)Transfer function:s + 2-----s + 1,7 . 7 用MATLAB命令創(chuàng)建和運(yùn)行Simulink模型,獲取系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型需要將該系

65、統(tǒng)的輸入和輸出模塊修改為“In1”和“Out1”，如圖7.51所示。,7 . 8 S函數(shù),7.8.1 S函數(shù)的介紹1．S函數(shù)的作用S函數(shù)的作用如下：? 可以在Simulink中增加一個用戶編寫的通用模塊；? 在Simulink中使用動畫；? 充當(dāng)硬件的驅(qū)動；? 將系統(tǒng)表示成為一系列數(shù)學(xué)方程。2．S函數(shù)的工作原理首先了解一下Simulink模型的結(jié)構(gòu)，如圖7.52所示。,,7.8.1 S函數(shù)的介紹,輸入u、輸出y和狀

66、態(tài)x的數(shù)學(xué)關(guān)系為：,,7.8.1 S函數(shù)的介紹,Simulink的仿真過程如圖7.53所示，仿真過程主要由初始化和運(yùn)行兩個過程。圖中的流程中“計算微分”、“計算輸出”和“更新離散狀態(tài)”對應(yīng)于上面的輸入、輸出和狀態(tài)的數(shù)學(xué)關(guān)系式。,,,7.8.2 S函數(shù)的編寫,（1）sfuntmpl主函數(shù)。function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = sfuntmpl(t,x,u,flag)switch

67、 flag,%flag是S函數(shù)的標(biāo)記，指向不同的子函數(shù) case 0,%初始化子函數(shù) [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes; case 1,%計算微分子函數(shù) sys=mdlDerivatives(t,x,u); case 2,%更新離散狀態(tài)子函數(shù) sys=mdlUpdate(t,x,u);

68、case 3,%計算輸出子函數(shù) sys=mdlOutputs(t,x,u); case 4,%計算下一個采樣時刻點 sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); case 9,%結(jié)束仿真 sys=mdlTerminate(t,x,u); otherwise DAStudio.error('Simulink:blocks:unh

69、andledFlag', num2str(flag)); endflag是標(biāo)識S函數(shù)當(dāng)前所處的仿真階段，以便執(zhí)行相應(yīng)的子函數(shù)；結(jié)合圖7.53可以看出不同的flag在仿真過程中的執(zhí)行時刻。主函數(shù)sfuntmpl的格式：function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = sfuntmpl(t,x,u,flag),,7.8.2 S函數(shù)的編寫,（2）初始化函數(shù)mdlInitializeSi

70、zes。function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizessizes = simsizes;%調(diào)用simsizes函數(shù)，用于設(shè)置模塊參數(shù)的結(jié)構(gòu)sizes.NumContStates = 0;%模塊的連續(xù)變量的個數(shù)sizes.NumDiscStates = 0;%模塊的離散變量的個數(shù)sizes.NumOutputs = 0;%%模塊的輸

71、出變量的個數(shù)sizes.NumInputs = 0;%模塊的輸入變量的個數(shù)sizes.DirFeedthrough = 1;%模塊的直通前向通道數(shù)，默認(rèn)值為1sizes.NumSampleTimes = 1; %模塊的采樣周期個數(shù)，默認(rèn)值為1sys = simsizes(sizes);%給sys賦值x0 = [];%向模塊賦初值，默認(rèn)值為[ ]str = [];%特殊保留變量ts =