建模與仿真教案課件

1會計學(xué)建模與仿真1會計學(xué)建模與仿真

(1)直接使用MATLAB工作空間中的變量設(shè)置模塊參數(shù)。

(2)使用變量構(gòu)成的表達(dá)式設(shè)置模塊參數(shù)。例如，如果a是定義在MATLAB中的變量，則表達(dá)式a、a^2+5、exp(–a)等均可以作為系統(tǒng)模塊的參數(shù)，如圖3.30所示。(1)直接使用MATLAB工作空間中的變量圖3.30使用MATLAB工作空間變量設(shè)置模塊參數(shù)圖3.30使用MATLAB工作空間變量設(shè)置模塊參數(shù)將信號輸出到MATLAB工作空間中

使用示波器模塊Scope的輸出信號，可以使用戶對輸出的信號進(jìn)行簡單的定性分析。

使用Sinks模塊庫中的ToWorkspace模塊，可以輕易地將信號輸出到MATLAB工作空間中。信號輸出的名稱在ToWorkspace模塊的對話框中設(shè)置，此對話框還可以設(shè)置輸出數(shù)據(jù)的點數(shù)、輸出的間隔，以及輸出數(shù)據(jù)的類型等。其中輸出類型有三種形式：數(shù)組、結(jié)構(gòu)以及帶有時間變量的結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)束或暫停時信號被輸出到工作空間中，如圖3.31所示。將信號輸出到MATLAB工作空間中圖3.31系統(tǒng)模型中信號輸出圖3.31系統(tǒng)模型中信號輸出使用工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號

Simulink與MATLAB的數(shù)據(jù)交互是相互的，除了可以將信號輸出到MATLAB工作空間中之外，用戶還可以使用MATLAB工作空間中的變量作為系統(tǒng)模型的輸入信號。使用Sources模塊庫中的FromWorkspace模塊可以將MATLAB工作空間中的變量作為系統(tǒng)模型的輸入信號。此變量的格式如下所示：使用工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號例如，在MATLAB命令窗口中鍵入如下的語句并運行。>>t=0:0.1:10;>>x=sin(t);>>input=[t',x'];例如，在MATLAB命令窗口中鍵入如下的語句并運行。圖3.32MATLAB工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號圖3.32MATLAB工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號

運行此系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)輸入信號input的作用相當(dāng)于Sources模塊中的SineWave模塊，其結(jié)果如圖3.33所示（Scope1顯示結(jié)果）。

圖3.33使用input信號作為輸入的仿真結(jié)果運行此系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)輸入信號input

向量與矩陣

在前面的系統(tǒng)模型中，Simulink所使用的增益參數(shù)均是標(biāo)量。其實，Simulink也能夠傳遞和使用向量信號和矩陣信號。例如，向量增益可以作用在一個標(biāo)量信號上，產(chǎn)生一個向量輸出。在缺省情況下，模塊對向量中的逐個元素進(jìn)行操作，就像MATLAB中的數(shù)組運算一樣，如圖3.34所示。向量與矩陣圖3.34向量增益示意圖圖3.34向量增益示意圖

Simulink最重要的特性就是支持矩陣形式的信號和運算，它可以區(qū)分行和列向量并傳遞矩陣。通過對模塊做適當(dāng)?shù)呐渲?，可以使模塊能夠接受矩陣作為模塊參數(shù)。在上面的例子中，如果Constant模塊的參數(shù)為一矩陣，并且Gain增益模塊被配置成按矩陣乘的定義從左邊乘上輸入向量，則Display塊能夠感知到輸入信號的尺寸，即1×2行向量，并對邊框做適當(dāng)調(diào)整，如圖3.35所示。Simulink最重要的特性就是支持矩陣形圖3.35矩陣輸入與向量增益示意圖圖3.35矩陣輸入與向量增益示意圖與Function模塊

除了使用上述的方式進(jìn)行Simulink與MATLAB之間的數(shù)據(jù)交互，用戶還可以使用FunctionsandTables模塊庫中的Function模塊（簡稱為Fcn模塊）或FunctionsandTables模塊庫中的MATLABFunction模塊（簡稱為MATLABFcn模塊）進(jìn)行彼此間的數(shù)據(jù)交互。與Function模塊

Fcn模塊一般用來實現(xiàn)簡單的函數(shù)關(guān)系，在Fcn模塊中：

(1)輸入總是表示成u，u可以是一個向量。

(2)Fcn模塊參數(shù)是函數(shù)表達(dá)式，例如2*u+1。

MATLABFcn一般用來調(diào)用MATLAB函數(shù)來實現(xiàn)一定的功能，在MATLABFcn模塊中：

(1)所要調(diào)用的函數(shù)只能有一個輸出（可以是一個向量）。

(2)單輸入函數(shù)只需使用函數(shù)名，多輸入函數(shù)輸入需要引用相應(yīng)的元素，如mean、sqrt、myfunc(u(1),u(2))。使用Fcn模塊與MATLABFcn模塊進(jìn)行Simulink與MATLAB之間的數(shù)據(jù)交互如圖3.36所示。Fcn模塊一般用來實現(xiàn)簡單的函數(shù)關(guān)系，在Fcn模塊中：圖3.36使用Fcn與MATLABFcn模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互圖3.36使用Fcn與MATLABFcn模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交3.5使用Simulink進(jìn)行簡單的仿真

【例3.1】信號平方運算。系統(tǒng)的功能是對輸入的信號進(jìn)行平方運算?，F(xiàn)要求建立系統(tǒng)的Simulink模型并進(jìn)行簡單的仿真分析。具體要求如下：

(1)系統(tǒng)輸入信號源：幅值為2的正弦波

(2)使用Scope顯示原始信號和結(jié)果信號

(3)生成系統(tǒng)運算部分的子系統(tǒng)

(4)添加信號標(biāo)簽3.5使用Simulink進(jìn)行簡單的仿真

解：首先選擇系統(tǒng)所需的如下模塊（組件）：

(1)Sources庫中的SineWave塊

(2)Math庫中的Product塊（或Userdefinedfunctions庫中的Fcn模塊）

(3)SignalsandSystems庫中的Mux塊

(4)Sinks庫中的Scope塊

解：首先選擇系統(tǒng)所需的如下模塊（組件）：然后進(jìn)行如下的操作：

(1)連接系統(tǒng)模塊

(2)設(shè)置參數(shù)

(3)生成子系統(tǒng)

(4)添加標(biāo)簽

(6)保存模型

(6)運行、調(diào)試然后進(jìn)行如下的操作：圖3.37平方運算系統(tǒng)模型圖3.37平方運算系統(tǒng)模型

最后，進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置并使用默認(rèn)的仿真參數(shù)進(jìn)行仿真。在本例中，只需要對系統(tǒng)輸入信號源SineWave模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置即可（雙擊SineWave模塊），設(shè)置正弦信號的幅值為2，如圖3.38所示。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖3.39所示。最后，進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置并使用默認(rèn)的仿真參數(shù)圖3.38SineWave模塊參數(shù)設(shè)置圖3.38SineWave模塊參數(shù)設(shè)置圖3.39系統(tǒng)仿真結(jié)果圖3.39系統(tǒng)仿真結(jié)果3.6Simulink的調(diào)試技術(shù)

圖形調(diào)試器啟動

Simulink的圖形調(diào)試器具有優(yōu)秀的用戶界面，使用菜單Tools下的Simulinkdebugger命令或是使用調(diào)試器按鈕啟動調(diào)試器，如圖3.40所示。圖3.40Simulink調(diào)試器窗口

3.6Simulink的調(diào)試技術(shù)圖形調(diào)試器啟調(diào)試器的操作設(shè)置與功能啟動Simulink調(diào)試器，設(shè)置合適的調(diào)試斷點之后，便可以對系統(tǒng)模型中指定的模塊或信號進(jìn)行調(diào)試了。在設(shè)置斷點進(jìn)行調(diào)試之前，首先對Simulink圖形調(diào)試器中的操作設(shè)置與功能做一個簡單的介紹。

1．

Simulink調(diào)試器工具欄

Simulink調(diào)試器工具欄命令功能介紹如圖3.41所示。調(diào)試器的操作設(shè)置與功能圖3.41Simulink調(diào)試器工具欄命令介紹

圖3.41Simulink調(diào)試器工具欄命令介紹2.斷點顯示及斷點條件設(shè)置

Simulink提供了友好的調(diào)試界面，用戶可以在斷點顯示框中了解到當(dāng)前斷點的信息，如斷點位置、斷點模塊的輸入輸出等，如圖3.42所示。

圖3.42斷點顯示框

2.斷點顯示及斷點條件設(shè)置圖3.42

一般說來，用戶可以在調(diào)試之前在指定的模塊之前設(shè)置斷點。但是多數(shù)情況下，用戶需要在一定的條件下設(shè)置系統(tǒng)斷點以進(jìn)行調(diào)試。Simulink調(diào)試器提供了五種斷點條件設(shè)置，如圖3.43所示。

圖3.43斷點條件設(shè)置

一般說來，用戶可以在調(diào)試之前在指定的模塊之前

3．

調(diào)試器輸出窗口在對指定的系統(tǒng)模型進(jìn)行調(diào)試時，調(diào)試結(jié)果均在Simulink的輸出窗口顯示。圖3.44所示為Simulink的調(diào)試器輸出窗口：

圖3.44調(diào)試器輸出窗口

3．

調(diào)試器輸出窗口

下面對其進(jìn)行簡單的介紹：（1）Outputs：輸出調(diào)試結(jié)果，如調(diào)試時刻、調(diào)試的模塊以及模塊輸入輸出等。（2）ExecutionOrder：輸出調(diào)試順序，即調(diào)試過程中各模塊的執(zhí)行順序。（3）Status：輸出調(diào)試狀態(tài)，如當(dāng)前仿真時間、缺省調(diào)試命令（執(zhí)行至下一模塊或是執(zhí)行至下一時間步）、調(diào)試斷點設(shè)置以及斷點數(shù)等狀態(tài)信息。下面對其進(jìn)行簡單的介紹：

本章對Simulink的模型構(gòu)建作了一個比較全面的介紹，對于不同領(lǐng)域的工程技術(shù)人員，都可以利用本章介紹的基本知識對大部分的系統(tǒng)進(jìn)行建模與簡單分析。至此，用戶應(yīng)該能夠熟練快速地建立自己的系統(tǒng)模型。Simulink的功能非常強大，它可以大大提高系統(tǒng)設(shè)計、仿真與分析的效率。本章是Simulink最基礎(chǔ)的知識。后面的章節(jié)將詳細(xì)介紹使用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真的高級技術(shù)，以及Simulink系統(tǒng)仿真的原理。本章對Simulink的模型構(gòu)建作了一個使用工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號

Simulink與MATLAB的數(shù)據(jù)交互是相互的，除了可以將信號輸出到MATLAB工作空間中之外，用戶還可以使用MATLAB工作空間中的變量作為系統(tǒng)模型的輸入信號。使用Sources模塊庫中的FromWorkspace模塊可以將MATLAB工作空間中的變量作為系統(tǒng)模型的輸入信號。此變量的格式如下所示：使用工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號例如，在MATLAB命令窗口中鍵入如下的語句并運行。>>t=0:0.1:10;>>x=sin(t);>>input=[t',x'];例如，在MATLAB命令窗口中鍵入如下的語句并運行。圖3.36使用Fcn與MATLABFcn模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互圖3.36使用Fcn與MATLABFcn模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交圖3.36使用Fcn與MATLABFcn模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互圖3.36使用Fcn與MATLABFcn模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交

解：首先選擇系統(tǒng)所需的如下模塊（組件）：

(1)Sources庫中的SineWave塊

(2)Math庫中的Product塊（或Userdefinedfunctions庫中的Fcn模塊）

(3)SignalsandSystems庫中的Mux塊

(4)Sinks庫中的Scope塊

解：首先選擇系統(tǒng)所需的如下模塊（組件）：37會計學(xué)建模與仿真1會計學(xué)建模與仿真

(1)直接使用MATLAB工作空間中的變量設(shè)置模塊參數(shù)。

(2)使用變量構(gòu)成的表達(dá)式設(shè)置模塊參數(shù)。例如，如果a是定義在MATLAB中的變量，則表達(dá)式a、a^2+5、exp(–a)等均可以作為系統(tǒng)模塊的參數(shù)，如圖3.30所示。(1)直接使用MATLAB工作空間中的變量圖3.30使用MATLAB工作空間變量設(shè)置模塊參數(shù)圖3.30使用MATLAB工作空間變量設(shè)置模塊參數(shù)將信號輸出到MATLAB工作空間中

使用示波器模塊Scope的輸出信號，可以使用戶對輸出的信號進(jìn)行簡單的定性分析。

使用Sinks模塊庫中的ToWorkspace模塊，可以輕易地將信號輸出到MATLAB工作空間中。信號輸出的名稱在ToWorkspace模塊的對話框中設(shè)置，此對話框還可以設(shè)置輸出數(shù)據(jù)的點數(shù)、輸出的間隔，以及輸出數(shù)據(jù)的類型等。其中輸出類型有三種形式：數(shù)組、結(jié)構(gòu)以及帶有時間變量的結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)束或暫停時信號被輸出到工作空間中，如圖3.31所示。將信號輸出到MATLAB工作空間中圖3.31系統(tǒng)模型中信號輸出圖3.31系統(tǒng)模型中信號輸出使用工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號

Simulink與MATLAB的數(shù)據(jù)交互是相互的，除了可以將信號輸出到MATLAB工作空間中之外，用戶還可以使用MATLAB工作空間中的變量作為系統(tǒng)模型的輸入信號。使用Sources模塊庫中的FromWorkspace模塊可以將MATLAB工作空間中的變量作為系統(tǒng)模型的輸入信號。此變量的格式如下所示：使用工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號例如，在MATLAB命令窗口中鍵入如下的語句并運行。>>t=0:0.1:10;>>x=sin(t);>>input=[t',x'];例如，在MATLAB命令窗口中鍵入如下的語句并運行。圖3.32MATLAB工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號圖3.32MATLAB工作空間變量作為系統(tǒng)輸入信號

運行此系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)輸入信號input的作用相當(dāng)于Sources模塊中的SineWave模塊，其結(jié)果如圖3.33所示（Scope1顯示結(jié)果）。

圖3.33使用input信號作為輸入的仿真結(jié)果運行此系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)輸入信號input

向量與矩陣

在前面的系統(tǒng)模型中，Simulink所使用的增益參數(shù)均是標(biāo)量。其實，Simulink也能夠傳遞和使用向量信號和矩陣信號。例如，向量增益可以作用在一個標(biāo)量信號上，產(chǎn)生一個向量輸出。在缺省情況下，模塊對向量中的逐個元素進(jìn)行操作，就像MATLAB中的數(shù)組運算一樣，如圖3.34所示。向量與矩陣圖3.34向量增益示意圖圖3.34向量增益示意圖

Simulink最重要的特性就是支持矩陣形式的信號和運算，它可以區(qū)分行和列向量并傳遞矩陣。通過對模塊做適當(dāng)?shù)呐渲?，可以使模塊能夠接受矩陣作為模塊參數(shù)。在上面的例子中，如果Constant模塊的參數(shù)為一矩陣，并且Gain增益模塊被配置成按矩陣乘的定義從左邊乘上輸入向量，則Display塊能夠感知到輸入信號的尺寸，即1×2行向量，并對邊框做適當(dāng)調(diào)整，如圖3.35所示。Simulink最重要的特性就是支持矩陣形圖3.35矩陣輸入與向量增益示意圖圖3.35矩陣輸入與向量增益示意圖與Function模塊

除了使用上述的方式進(jìn)行Simulink與MATLAB之間的數(shù)據(jù)交互，用戶還可以使用FunctionsandTables模塊庫中的Function模塊（簡稱為Fcn模塊）或FunctionsandTables模塊庫中的MATLABFunction模塊（簡稱為MATLABFcn模塊）進(jìn)行彼此間的數(shù)據(jù)交互。與Function模塊

Fcn模塊一般用來實現(xiàn)簡單的函數(shù)關(guān)系，在Fcn模塊中：

(1)輸入總是表示成u，u可以是一個向量。

(2)Fcn模塊參數(shù)是函數(shù)表達(dá)式，例如2*u+1。

MATLABFcn一般用來調(diào)用MATLAB函數(shù)來實現(xiàn)一定的功能，在MATLABFcn模塊中：

(1)所要調(diào)用的函數(shù)只能有一個輸出（可以是一個向量）。

(2)單輸入函數(shù)只需使用函數(shù)名，多輸入函數(shù)輸入需要引用相應(yīng)的元素，如mean、sqrt、myfunc(u(1),u(2))。使用Fcn模塊與MATLABFcn模塊進(jìn)行Simulink與MATLAB之間的數(shù)據(jù)交互如圖3.36所示。Fcn模塊一般用來實現(xiàn)簡單的函數(shù)關(guān)系，在Fcn模塊中：圖3.36使用Fcn與MATLABFcn模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互圖3.36使用Fcn與MATLABFcn模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交3.5使用Simulink進(jìn)行簡單的仿真

【例3.1】信號平方運算。系統(tǒng)的功能是對輸入的信號進(jìn)行平方運算?，F(xiàn)要求建立系統(tǒng)的Simulink模型并進(jìn)行簡單的仿真分析。具體要求如下：

(1)系統(tǒng)輸入信號源：幅值為2的正弦波

(2)使用Scope顯示原始信號和結(jié)果信號

(3)生成系統(tǒng)運算部分的子系統(tǒng)

(4)添加信號標(biāo)簽3.5使用Simulink進(jìn)行簡單的仿真

解：首先選擇系統(tǒng)所需的如下模塊（組件）：

(1)Sources庫中的SineWave塊

(2)Math庫中的Product塊（或Userdefinedfunctions庫中的Fcn模塊）

(3)SignalsandSystems庫中的Mux塊

(4)Sinks庫中的Scope塊

解：首先選擇系統(tǒng)所需的如下模塊（組件）：然后進(jìn)行如下的操作：

(1)連接系統(tǒng)模塊

(2)設(shè)置參數(shù)

(3)生成子系統(tǒng)

(4)添加標(biāo)簽

(6)保存模型

(6)運行、調(diào)試然后進(jìn)行如下的操作：圖3.37平方運算系統(tǒng)模型圖3.37平方運算系統(tǒng)模型

最后，進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置并使用默認(rèn)的仿真參數(shù)進(jìn)行仿真。在本例中，只需要對系統(tǒng)輸入信號源SineWave模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置即可（雙擊SineWave模塊），設(shè)置正弦信號的幅值為2，如圖3.38所示。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖3.39所示。最后，進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置并使用默認(rèn)的仿真參數(shù)圖3.38SineWave模塊參數(shù)設(shè)置圖3.38SineWave模塊參數(shù)設(shè)置圖3.39系統(tǒng)仿真結(jié)果圖3.39系統(tǒng)仿真結(jié)果3.6Simulink的調(diào)試技術(shù)

圖形調(diào)試器啟動

Simulink的圖形調(diào)試器具有優(yōu)秀的用戶界面，使用菜單Tools下的Simulinkdebugger命令或是使用調(diào)試器按鈕啟動調(diào)試器，如圖3.40所示。圖3.40Simulink調(diào)試器窗口

3.6Simulink的調(diào)試技術(shù)圖形調(diào)試器啟調(diào)試器的操作設(shè)置與功能啟動Simulink調(diào)試器，設(shè)置合適的調(diào)試斷點之后，便可以對系統(tǒng)模型中指定的模塊或信號進(jìn)行調(diào)試了。在設(shè)置斷點進(jìn)行調(diào)試之前，首先對Simulink圖形調(diào)試器中的操作設(shè)置與功能做一個簡單的介紹。

1．

Simulink調(diào)試器工具欄

Simulink調(diào)試器工具欄命令功能介紹如圖3.41所示。調(diào)試器的操作設(shè)置與功能圖3.41Simulink調(diào)試器工具欄命令介紹

圖3.41Simulink調(diào)試器工具欄命令介紹2.斷點顯示及斷點條件設(shè)置

Simulink提供了友好的調(diào)試界面，用戶可以在斷點顯示框中了解到當(dāng)前斷點的信息，如斷點位置、斷點模塊的輸入輸出等，如圖3.42所示。

圖3.42斷點顯示框

2.斷點顯示及斷點條件設(shè)置圖3.42

一般說來，用戶可以在調(diào)試之前在指定的模塊之前設(shè)置斷點。但是多數(shù)情況下，用戶需要在一定的條件下設(shè)置系統(tǒng)斷點以進(jìn)行調(diào)試。Simulink調(diào)試器提供了五種斷點條件設(shè)置，如圖3.43所示。

圖3.43斷點條件設(shè)置

一般說來，用戶可以在調(diào)試之前在指定的模塊之前

3．

調(diào)試器輸出窗口在對指定的系統(tǒng)模型進(jìn)行調(diào)試時，調(diào)試結(jié)果均在Simulink的輸出窗口顯示。圖3.44所示為Simulink的調(diào)試器輸出窗口：

圖3.44調(diào)試器輸出窗口

3．

調(diào)試器輸出窗口

下面對其進(jìn)行簡單的介紹：（1）Outputs：輸出調(diào)試結(jié)果，如調(diào)試時刻、調(diào)試的模塊以及模塊輸入輸出等。（2）ExecutionOrder：輸出調(diào)試順序，即調(diào)試過