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1、第10章Simulink仿真环境,Simulink是一个以MATLAB为基础的软件包，用于对动态系统进行建模和仿真。【本章学习目标】熟悉Simulink的操作环境。掌握绘制系统模型的方法。掌握子系统模块的建立与封装技术。了解S函数的功能与设计方法。,10.1 初识Simulink一个简单的仿真实例,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启动后会显示如图10.1所示的Simulink模块库浏览器（Simulink Library Browser）窗口。,1模型元素一个典型的Simuli
2、nnk模型包括以下3种元素。信号源（Source）被模拟的系统模块信号输出（Sink）2仿真步骤（1）建立系统仿真模型，包括添加模块、设置模块参数、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。,3仿真实例【例10.1】利用Simulink仿真曲线。正弦信号由信号源模块库（Sources）中的Sine Wave模块提供，求和用数学运算模块库（Math Operations）中的数学函数模块（Add）产生，再用信号输出模块库（Sinks）中的示波器模块（Scope）输出波形（1）打开一个名为untitled的模型编辑窗口（2）将所需模块添加到模型中。（3）用连线将各个模块
3、连接起来组成系统仿真模型（4）设置模块参数并连接各个模块组成仿真模型。,模型建好后，将模型以模型文件的格式（扩展名为.mdl）存盘。,（5）设置系统仿真参数。（6）仿真操作。,10.2 仿真模型的建立,10.2.1 Simulink的基本模块模块是构成系统仿真模型的基本单元。构建系统仿真模型主要涉及Simulink模块的操作。基本模块库专业模块库,10.2.2 模块操作1添加与删除模块 2选取模块3复制模块4模块外形的调整5模块名的处理,10.2.3 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,10.3 系统的仿真与分析,10.2.4 模块的参数和属性设置1模块的参数设置
4、2模块的属性设置 Description：对该模块在模型中的用法进行说明。Priority：规定该模块在模型中相对于其他模块执行的优先顺序。Tag：用户为模块添加的文本格式的标记。“Block Annotation”选项卡中指定在该模块的图标下显示模块的哪个参数。“Callbacks”选项卡中指定当对该模块实施某种操作时需要执行的MATLAB命令或程序。,10.3.1 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“Configuration Parameters”命令，打开一个仿真参数对话框，在其中可以设置仿真参数。在此对话框中，仿真参数设置被分为8类。So
5、lver类：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。Data Import/Export类：用于管理工作空间数据的导入和导出。Optimization类：用于设置仿真优化模式。Diagnostics类：用于设置在仿真过程中出现各类错误时发出警告的等级。Hardware Implementation类：用于设置实现仿真的硬件。Model Referencing类：用于设置参考模型。Simulation Target类：用于设置仿真模型目标。HDL Coder类：用于设置通过自动代码生成技术将设计算法生成HDL代码的方法,1Solver类设置（1）设置
6、仿真起始和停止时间（Simulink time）（2）仿真算法的选择（Solver options）在“Type”编辑框中设定算法类别：固定步长（Fixed-step）和变步长（Variable-step）算法，在“Solver”编辑框中选择具体算法。,2Data Import/Export类设置 矩阵形式。MATLAB把矩阵的第一列默认为时间向量，后面的每一列对应每一个输入端口，矩阵的第一行表示某一时刻各输入端口的输入状态。另外，也可以把矩阵分开来表示，即MATLAB默认的表示方法t，u，其中t是一维时间列向量，表示仿真时间，u是和t长度相等的n维列向量（n表示输入端口的数量），表示状态值。
7、例如，在命令窗口中定义t和u：t=(0:0.1:10);u=sin(t),cos(t).*sin(t),exp(-2*t).*sin(t);,包含时间数据的结构形式。结构变量包含若干个成员，对结构成员的引用格式为：结构变量名.成员名。在结构中必须有成员：time和signals。在time成员中包含一个列向量，表示仿真时间；在signals成员中包含一个数组，数组中的每个元素对应一个输入端口，并且每个元素必须包含一个名字同样不能改变的values成员，values成员也包含一个列向量，对应于输入端口的输入数据。例如，对于上例，若改为包含数据的结构输入，则命令格式如下：t=(0:0.1:10);
8、A.time=t;A.signals(1).values=sin(t);A.signals(2).values=cos(t).*sin(t);A.signals(3).values=exp(-2*t).*sin(t);,（2）保存到工作空间（Save to workspace）在Save to workspace栏中，可以选择的选项有：Time（时钟）、States（状态）、Output（输出端口）、Final state（最终状态）和Signal logging（信号）。同载入数据的形式一样，保存数据也有矩阵、结构和包含时间数据的结构3种形式,（3）保存选项（Save options）在保存
9、选项栏中的“Format”下拉列表中有矩阵、结构和包含时间的结构3种选择。“Limit data points to last”用来限定保存到工作空间中的数据的最大长度。输出选项（Output options）有：Refine output（细化输出）Produce additional output（产生附加输出）Produce specified output only（仅在指定的时刻产生输出）,10.3.2 仿真结果分析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XY Graph模块。Scope模块显示系统输出量对于仿真时间的变化曲线，XY Grap
10、h模块显示送到该模块上的两个信号中的一个对另一个的变化关系。（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To Workspace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10.2】利用Simulink仿真求I=首先打开一个模型编辑窗口，将所需模块添加到模型中。设置模块参数并连接各个模块组成仿真模型。,设置系统仿真停止时间为2s。单击模型编辑窗口中的Start simulation按钮或选择模型编辑窗口Simulation菜单中的Start命令开始系统仿真。系统仿真结束后，显示模块Disp
11、lay，显示仿真结果为4。,10.3.3 系统仿真实例【例10.3】有初始状态为0的二阶微分方程y+1.5y+10y=2u(t)+10u(t)，其中u(t)是单位阶跃函数，试建立系统模型并仿真。方法1：用微分/积分器直接构造求解微分方程的模型。把原微分方程改写为y=2u(t)+10u(t)1.5y10yu经微分作用得u，y经积分作用得y，y再经积分模块作用就得y，而u、u、y和y经代数运算又产生y，据此可以建立系统模型并仿真。（1）利用Simulink模块库中的基本模块建立系统模型,（2）设置系统仿真参数。在模型编辑窗口的Simulation stop time栏把仿真的停止时间设置为5。（3
12、）仿真操作。,10.4 子系统与封装,子系统把功能上有关的一些模块集中到一起保存，能够完成几个模块的功能。10.4.1 子系统的建立1通过Subsystem模块建立子系统新建一个仿真模型，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。双击Subsystem模块打开一个Subsystem窗口，窗口中已经自动添加了一个输入模块和输出模块（表示子系统的输入端口和输出端口）。将要组合的模块插入到输入模块和输出模块中间，一个子系统就建好了。若双击该Subsystem模块，则打开原来的子系统内部结构窗口。2通过已有的模块建立子系统先选择
13、要建立子系统的模块，不包括输入端口和输出端口。选择模型编辑窗口Edit菜单中的Create Subsystem命令，这样，子系统就建好了，原来的模块变为子系统的图标。,先建立PID控制器的模型选中模型中所有模块，使用模型编辑窗口Edit菜单中的Create Subsystem命令建立子系统，模型将被一个Subsystem模块取代,10.4.2 子系统的条件执行子系统的执行可以由输入信号来控制，用于控制子系统执行的信号称为控制信号，而由控制信号控制的子系统称为条件执行子系统。条件执行子系统分为1使能子系统使能子系统表示子系统在由控制信号控制时，控制信号由负变正时子系统开始执行，直到控制信号再次变
14、为负时结束。控制信号可以是标量也可以是向量。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。,2触发子系统图10.27 Trigger模块参数对话框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Triggered Subsystem模块来建立触发子系统。触发形式由Trigger模块参数对话框（见图10.27）中“Trigger type”下拉列表中选择。（1）ris
15、ing（上跳沿触发）（2）falling（下跳沿触发）（3）either（上跳沿或下跳沿触发）（4）funtion-call（函数调用触发）：,【例10.6】利用触发子系统将一锯齿波转换成方波。用Signal Generator、Triggered Subsystem和Scope模块构成如图10.28所示的子系统。,触发事件形式为“either”触发信号端接锯齿波,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
16、才起作用。,10.4.3 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。选中所要封装的子系统，再选择模型编辑窗口Edit菜单中的“Mask Subsystem”命令，这时将出现封装编辑器（Mask Editor）对话框。1Icon选项卡的参数设置主要设置封装模块的图标。（1）“Drawing commands”编辑框该编辑框主要用来建立封装图标，并且可以在封装图标中显示文本、图形、图像或传递函数。显示文本。在封装图标中显示文本的函数有4个
17、：disp、text、fprintf和port_ lable。显示传递函数。在图标中显示传递函数使用dpoly函数，显示零极点模型的传递函数使用droots函数,（2）设置封装图标特性在Drawing commands编辑框左边的下拉式列表中，可以分别对图标的各种特性进行设置。Frame设置图标的边框。Transparency设置图标的透明度。Rotation设置图标是否跟模块一起翻转。Units设置在“Drawing commands”编辑框中使用命令“plot”和“text”时的坐标系。,2Parameters选项卡的参数设置Parameters选项卡主要用来确定被封装子系统的内部变量和对
18、话框中输入量之间的联系。“Prompt”和“Variable”编辑框分别用来指定用户需要设置的变量提示符和变量名。“Type”下拉式列表框用于指定控件类型，即控制封装后的子系统参数设置对话框所提供的设置参数的方式，提供的控件类型有“Edit”、“Checkbox”和“Popup”。,3Initialization选项卡的参数设置Initialization 选项卡用于设置初始化命令。初始化命令的设置在对话框左边的“Initialization commands”编辑框内进行。初始化命令主要用来定义封装子系统的变量。初始化的命令由MATLAB中的表达式组成，其中包括MATLAB函数、操作符和封装
19、子系统工作区中定义的变量。对于封装工作区定义的变量，通过初始化命令和模块的参数相联系，也就是说模块的参数在获取数据时，先读取封装工作区的变量值，再通过初始化命令来取值。4Documentation选项卡的参数设置图10.33 PID控制器子系统参数对话框Documentation选项卡用于设置封装类型、描述文本和帮助文本。“Mask type”编辑框用于表示封装的类型“Block description”编辑框中设置的内容将显示在封装模块参数对话框的上部。,10.5 S函数的设计与应用,S函数用于开发新的Simulink通用功能模块，是一种对模块库进行扩展的工具。S函数称为系统函数（Syste
20、m Function），采用非图形化的方式描述功能块。10.5.1 用MATLAB语言编写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)其中fname是S函数的函数名，t、x、u、flag分别为仿真时间、状态向量、输入向量和子程序调用标志。flag控制在仿真的各阶段调用S函数的哪一个子程序，其含义和有关信息如表10.1所示。Simulink每次调用S函数时，必须给出这4个参数。sys、x0、str和ts是S函数的返回参数。,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，这些子程序的前辍为mdl
21、。每一次调用S函数时，都要给出一个flag值，实际执行S函数中与该flag值对应的那个子程序。Simulink在仿真的不同阶段，需要调用S函数中不同的子程序。（1）初始化子程序mdlInitializeSizes子程序mdlInitializeSizes定义S函数参数，如采样时间、输入量、输出量、状态变量的个数以及其他特征。（2）其他子程序状态的动态更新使用mdlDerivatives和mdlUpdate两个子程序，前者用于连续模块的状态更新，后者用于离散状态的更新。模块输出信号的计算使用mdlOutputs子程序，系统的输出仍由sys变量返回,10.5.2 S函数的应用【例10.7】采用S函
22、数实现y=k(1+x)，即把一个输入信号加1后放大k倍。（1）编写S函数%S函数timek.m，其输出是输入加1的k倍function sys,x0,str,ts=timek(t,x,u,flag,k)switch flag,case 0 sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes;%初始化case 3 sys=mdlOutputs(t,x,u,k);%计算输出量case 1,2,4,9 sys=;otherwise%出错处理 error(Unhandled Flag,num2str(flag);end,%mdlInitializeSizes：当flag为0时进行整个系统
23、的初始化function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes()%调用函数simsizes以创建结构sizessizes=simsizes;%用初始化信息填充结构sizessizes.NumContStates=0;%无连续状态sizes.NumDiscStates=0;%无离散状态sizes.NumOutputs=1;%有一个输出量sizes.NumInputs=1;%有一个输入信号sizes.DirFeedthrough=1;%输出量中含有输入量sizes.NumSampleTimes=1;%单个采样周期%根据上面的设置设定系统初始化参数sys=simsize
24、s(sizes);%给其他返回参数赋值x0=;%设置初始状态为零状态str=;%将str变量设置为空字符串ts=-1,0;%假定继承输入信号的采样周期%mdlOutputs：当flag值为3时，计算输出量function sys=mdlOutputs(t,x,u,k)sys=k*(1+u);,（2）模块的封装与测试将该程序以文件名timek.m存盘。图10.34 S函数仿真模型 建立S-Function模块和编写的S函数文件之间的联系。构建如图10.34所示的仿真模型。设置S-Function模块的参数对话框：在S-function name文本框中填写S函数名“timek”，在“S-function parameters”文本框中填入附加参数“k”。封装设置S函数模块参数,
