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1、第六章 simulink模块库介绍,6.1常用模块库,初学simulink，常用模块（commonly used blocks）使用最为频繁。在Simulink浏览器中，单击左侧“commonly used blocks”节点，可打开常用模块库。,图 1 常用模块库,常用模块库包括：Bus creator（总线信号产生器）,commonly bus selector（常用总线信号选择器）,constant（常数模块）,data type conversation（数据类型转换）,demux（信号分离器）,mux（信号合成器）,gain（增益）等。,1、总线信号生成与总线信号选择模块,Bus c
2、reator用于将多个信号合成为一个总线信号；Bus selector选择总线信号的一个或多个。如图2所示，有三种输入信号：正弦、阶跃、脉冲。为便于观察，设置阶跃信号阶跃时间为1.2s，初始值为0，终止值为0.5（如图3所示）。Bus creator输入信号改为3（图4）。Bus selector选择信号1和3（图5）。双击scope模块，再单击Parameters参数，将坐标数改为2。最终运行效果如图6所示。,图 2,图 3,图 4,图 5,图 6,2、信号合成与信号分离模块,mux和demux功能与总线信号生成和总线信号选择模块近似。但是mux与demux是对所有信号进行合成与分离的。双击
3、mux模块，在参数对话框将number of inputs参数改为3。同样设置demux，将number of outputs参数改为3。仿真结果如图8所示。,图 7,图 8,3、数据类型转换模块,Data type conversion 可将输入数据类型转换为指定输出类型。具体选择有：inherit（与输入数据保持一致）、double、single、int8等。同时可以选择取整方向。Zero:向零取整；nearest：向最接近整数取整；floor:向负无穷取整；ceiling:向正无穷取整。,4、积分模块,Integrator模块为连续时间积分单元。双击图9中该模块，在initial con
4、dition可设置积分其初始值，在limit output可设置输出最大和最小值。仿真运行结果如图10所示。,图 9,图 10,5、离散时间积分模块,Discrete time integrator（离散时间积分），可完成离散系统积分作用。如图11所示，双击离散积分模块，设置gainvalue（积分增益值），改变积分速度。在sample time文本框可设置离散积分采样时间，如设置为-1，表示与输入信号采样时间一致。在limit output可设置积分输出上下限。在图11中设置Discrete time integrator1模块增益值为2，采样时间为0.5,仿真结果如图12所示。,图 11,
5、图 12,6、乘法与加法模块,product乘法器模块用以求输入信号的乘积,双击模块可设置端口数。Sum模块用来求输入信号的加、减。在list of signs可设置加减法符号。在Icon shape列表可修改其外形。,7、关系操作及逻辑操作模块,Relation operator关系操作模块可用来比较两个输入信号的大小关系。Logic operator逻辑操作模块可用来求两输入变量的逻辑操作。,图 13,例：此系统可用如下方程表示 系统的输出只与当前的输入值有关，而且随着仿真时间的继续在两个不同的代数方程之间切换。,图 14,图 15,这里使用Signal Routing模块库中的Switc
6、h模块实现切换功能。Switch模块有三个输入端口，它根据第二个输入端口(中间的输入)的值来判断输出第一个输入端口(最上面的端口)或第三个输入端口(最下面的端口)的值，因此，第一个输入和第三个输入被称为数据输入，而第二个输入则被称为控制输入。图16是Switch模块的参数对话框。,图 16,8、增益、输入、输出及终端模块,Gain可用来设置信号的放大倍数；in1（输入）在建子系统时作为信号的输入接口；out1（输出）在建子系统时作为信号的输出接口；终端(Terminator)可用来连接没有与其它模块连接的输出端口。,6.2连续系统模块库,严格说来，一个具体的物理系统通常都是非线性系统，而且是以
7、分布参数的形式存在的，但是由这样的非线性系统建立的数学模型，在需要求解非线性方程和偏微分方程时，是非常困难的。因此，在误差允许的范围内，可以将非线性模型线性化，或者直接用线性集总参数模型描述物理系统。Simulink中的Continuous模块库提供了适用于建立线性连续系统的模块，包括积分器模块、传递函数模块、状态空间模块和零-极点模块等，这些模块为用户以不同形式建立线性连续系统模型提供了方便，如图17所示。,图 17,连续模块组,传递函数模块状态方程模块零极点增益模块微分器、积分器、延迟、PID控制器,图18所示为弹簧质量阻尼器系统。图中，小车所受外力为F，小车位移为x。设小车质量为m=1，
8、弹簧弹性系数k=3，阻尼系数f=4。设系统的初始状态设为静止平衡点 外力函数为幅值等于1的阶跃量，仿真此小车的运动。,图 18,解法1：构建常微分方程,根据牛顿运动定律，得到小车的运动方程将相关参数代入上式得将上述微分方程改写为式中,利用积分模块构建simulink模块,u(t),x,x,x,图 19,图 20,小车位移随时间的变化,解法2：利用传递函数,利用拉普拉斯变换，弹簧质量阻尼器微分方程可以转化为如下形式的传递函数代入参数值，有,图 21,解法3：零极点表达式,零极点表达式与传递函数相同，由解法2的传递表达式，我们可以得到,图 22,解法4：状态方程,状态空间方程具有如下一般形式：,可
9、以求得：,图 23,例 蹦极跳系统 按照物理规律，自由下落的物体满足牛顿运动定律：F=ma。在这个系统中，假设绳子的弹性系数为k，它的拉伸影响系统的动力响应。如果定义绳索下端的初始位置为0位置，x为拉伸位置，那么用b(x)表示绳子的张力，这个影响可以表示为,设m为人的质量，g是重力加速度，a1、a2是空气阻尼系数，则系统方程可以表示为 在MATLAB中建立这个方程的Simulink模型，这里需要使用两个积分器，因为方程中包含的导数的最高阶数为2，一旦x及其导数模型建立完毕，则可以使用一个增益模块(Gain模块)表示空气阻力比例系数，并使用Function模块表示空气阻力中的非线性部分。因为b(
10、x)是通过门槛为0的x条件式确定的，所以这里使用一个Switch模块来实现判断条件。最终的系统Simulink模型方块图如图24 所示。,图 24,图 25,6.3非连续系统模块库,此模块库在以前版本中也成为非线性模块库，包含一些非线性运算模块。,图 26,1、saturation（饱和度）模块 该模块对一个信号设定上下限。当输入在lower limit和upper limit范围内变化时，输入信号无变化输出。若输入信号超出范围，则信号被限幅（值为上限或下限）。,图 27,2、dead zone（死区模块）模块的输出取决于输入和截止区的大小：（1）若输入落在截止区内，则输出为0（2）若输入大于
11、或等于上限值，则输出等于输入减去上限值。（3）若输入小于或等于上限值，则输出等于输入减去下限值。,图 28,3、wrap to zero（限零）模块 当输入信号超过threshold参数限定值时，模块产生零输出；当输入信号小于或等于限定值时，输入信号无变化输出。,图 29,4、backlash（磁滞回环）模块 该系统可以在三种模式之一：Disengaged 在这种模式下，输入不驱动输出，输出保持不变。Engaged in a positive direction 在这种模式下，输入增加（具有正斜率），输出等于输入减去死区宽度的一半。Engaged in a negative direction
12、 在这种模式下，输入降低（具有负斜率），输出等于输入加上死区宽度的一半。,Backlash块好似两个齿啮合 下面这张图说明当输入在死区宽度内，输入不驱动输出，即处于disengaged模式。第二张图说明输入到达边界时，进入Engaged in a positive direction 模式。,图 30,图 31,最后一张图说明，当进入engaged 模式时，输入如何影响输出。,图 32,上图中backlash模块使用默认设置：deadband width=1，初始输出为0.,图 33,图 34,5、继电器(relay)模块 在两个值中轮流输出。当模块状态为on时，此状态一直保持直到输入下降到比
13、swich off point参数值小；若为off，此状态一直保持直到输入超过swich on point参数值。,图 35,6.4离散系统模块库,离散系统模块主要包括用于建立离散采样系统的模块。该模块库主要包括：,图 36,1、unit delay（单位延迟)模块 该模块延迟一个采样周期。2、integer delay（整数延迟）模块 该模块将输入延迟N个采样周期，N为自然数。,图 37,例：人口的动态变化一年的人口数量依赖于：(1)前一年的人口(2)人口的繁殖速率r，假设r=1.05(3)资源K，假设K=1000000(4)人口的初始值，假设为100000整个系统的动力学模型可由下面的差分
14、方程给出：,图 38,图 39,3、discrete transfer fcn（离散传递函数）模块 Discrete Transfer Fcn模块主要是以z多项式形式描述离散系统。Discrete Transfer Fcn模块可实现如下标准形式的传递函数：num和den包含z按降幂排列的分子和分母系数，分子的阶次必须大于或等于分母的阶次。,例：描述某LTI系统的方程为：求系统的单位序列零状态响应h(k)。解：对方程进行z变换得由上式可得,图 40,图 41,4、Discrete Zero-Pole（零极点传递函数）模块 Discrete Zero-Pole模块用来实现零极点形式的离散系统，对于
15、单输入单输出的系统，传递函数的形式如下：这里，Z是零点向量，P是极点向量，K是零极点增益。极点的数目必须大于等于零点数目，即nm，零点和极点可以为复数。,对方程进行变换得,图 42,4离散滤波器Discrete Filter模块实现IIR和FIR滤波器，用户必须以z-1的降幂排列指定分子和分母系数。Discrete Filter模块通常是信号处理人员以z-1多项式形式描述数字滤波器，即,6.5逻辑与位操作模块库,Logic and bit operation（逻辑与位操作）模块库提供了建立逻辑系统及数字系统simulink建模的基本模块。,图 42,6.6数学操作模块,Math operati
16、on（数学操作）模块库提供了与数学运算相关的simulink仿真模块。,图 43,1、sum,add,subtract,sum of elements 这几个模块通过参数设置，都可以实现加、减操作。2、bias（偏差）模块 该模块用于将输入量加上偏差。所依据公式为：Y=U+Bias式中，U为模块输入；Y为输出；Bias为偏差。3、gain（增益）模块 将模块的输入乘上一个指定的常数、变量或表达式后输出。,4、Product（乘积）模块 该模块对输入进行乘法或除法运算。5、math function（数学函数）模块 该模块可以进行多种常用数学函数运算。6、rounding function模块
17、该模块用于实现常用的数学取整函数。,6.7表格查询模块,Look up（表格查询）模块库可以用来建立一维、二维或多维表格查询的simulink仿真模型。主要模块如下图所示。其中主要包括：一维表格查询模块、二维表格查询模块、多维表格查询模块。,图 44,例：试建立一个二维表格查询的simulink仿真模型 如图45所示。双击sine wave模块，弹出参数对话框，设置如图46所示。对rounding function模块进行设置，如图47所示。双击lookup table(2-D)模块，在row index input value文本框中输入行索引值，在column index input va
18、lues文本框中输入列索引值。在table data文本框中输入表格元素值。,图 45,图 46,图 47,图 48,6.8端口与子系统模块,Port&subsystems（端口与子系统）模块库用于创建各类子系统模型。该模块库所含模块如下图所示。,图 49,8.9信号路由模块,Signal(信号路由)模块库用于控制信号的传递路径。打开信号路由模块库，如下图所示。,图 50,1、bus creator、bus select 它们分别用于生成信号总线或从输入总线上选择信号2、manual switch、multiport switch 这两个模块可在模块输入信号之间进行选择。3、merge(合并)
19、模块 该模块用于合并多重信号到一个信号,例：用信号路由模块及其它模块建立simulink仿真模型,图 51,Pulse generator、sine wave以及step模块设置如下（其它使用默认设置）：,图 52,最后的仿真结果如下：,图 53,6.10接收模块,sinks（接收）模块库中主要包括：,图 54,1、terminator（信号终端）模块 当某输出模块没有与其它模块相连接时，可使用terminator模块；否则将会报警。2、to file模块 将模块输出到文件3、to workspace模块 该模块将数据输出到工作空间。双击该模块弹出参数设置对话框，如图所示。可以在variabl
20、e name中修改工作空间的变量名；还可以在save format里修改数据存储格式（通常选array）。,数据观测模块模块库包括：4、scope模块以simulink仿真时间为横坐标，以示波器输入端口数据绘制纵坐标。5、XY Graph模块 以第一个端口输入为X轴坐标，以第二个端口输入为Y轴坐标6、display模块该模块以数字形式显示当前输入的变量数值,6.11信号源模块库,包含各种信号生成模块。信号生成器主要由step（阶跃信号），constant（恒值信号），sine wavre（正弦波信号），pulse generator（脉冲信号），Clock（时钟信号）组成。,6.12用户自定义功能模块库,Simulink提供了一个扩展功能模块库,1、Fcn（函数功能）模块 这里可对输入变量进行各种数学操作。2、matlab Fun模块 这里可用matlab规定的各种功能函数对输入变量进行操作。如sin,cos等。3、embedded matlab function（嵌入式matlab功能函数）双击该模块，可打开一个M文件，编写M文件可对输入进行各种函数和数学操作。,
