控制系統(tǒng)仿真與CAD chapter 5

第5章

Simulink

在系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用薛定宇著《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)—MATLAB語言與應(yīng)用》第二版，清華大學(xué)出版社2006CAI課件開發(fā)：鄂大志、薛定宇2023/2/61高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用主要內(nèi)容Simulink

建模的基礎(chǔ)知識Simulink

建模與仿真非線性系統(tǒng)分析與仿真子系統(tǒng)與模塊封裝技術(shù)M-函數(shù)、S-函數(shù)編寫及其應(yīng)用本章要點(diǎn)小結(jié)2023/2/62高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.1

Simulink建模的基礎(chǔ)知識Simulink簡介Simulink下常用模塊簡介Simulink下其他工具箱的模塊組2023/2/63高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.1.1Simulink簡介

控制系統(tǒng)仿真研究的一種很常見的要求是通過計(jì)算機(jī)得出系統(tǒng)在某信號驅(qū)動(dòng)下的時(shí)間響應(yīng)，從中得出期望的結(jié)論。對線性系統(tǒng)來說，可以按照第4章介紹的方法，對于更復(fù)雜的系統(tǒng)來說，Simulink環(huán)境就是解決這樣問題的理想工具，它提供了各種各樣的模塊，允許用戶用框圖的形式搭建起任意復(fù)雜的系統(tǒng)，從而對之進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真。2023/2/64高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用輸入open_system(‘simulink’)命令將打開模型庫，庫中還有下一級的模塊組，如連續(xù)模塊組、離散模塊組和輸入輸出模塊組等，用戶可以用雙擊的方式打開下一級的模塊組，尋找及使用所需要的模塊。單擊MATLAB命令窗口工具欄中的Simulink圖標(biāo)，也可以打開Simulink模塊瀏覽器窗口。2023/2/65高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.1.2Simulink下常用模塊簡介1.輸入模塊組Sources2.輸出池模塊組sbfSinks3.連續(xù)系統(tǒng)模塊組Continuous4.離散系統(tǒng)模塊組Discrete5.非線性模塊組Discontinuities6.數(shù)學(xué)函數(shù)模塊組MathOperations7.查表模組塊Look-upTables8.用戶自定義函數(shù)模塊組User-definedFunctions9.信號模塊組SignalRouting10.信號屬性模塊組SignalAttributes2023/2/66高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.1.3

Simulink下其他工具箱的模塊組

除了上述的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊組之外，隨著MATLAB工具箱安裝的不同，還有若干工具箱模塊組和模塊集(blockset)，其他模塊組如下圖所示。2023/2/67高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/68高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.2

Simulink

建模與仿真Simulink

建模方法簡介仿真算法與控制參數(shù)選擇Simulink

在控制系統(tǒng)仿真研究中的應(yīng)用舉例2023/2/69高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.2.1Simulink建模方法簡介【例5-1】考慮圖5-16中給出的典型非線性反饋系統(tǒng)框圖，其中控制器為PI控制器，其模型為:2023/2/610高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用

由于系統(tǒng)中含有非線性環(huán)節(jié)，所以這樣的系統(tǒng)不能用第4章中給出的線性系統(tǒng)方法進(jìn)行精確仿真，而建立起系統(tǒng)的微分方程模型，用第2章中介紹的方法去求解也是件很煩瑣的事，如果哪步出現(xiàn)問題，則仿真結(jié)果就可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。圖5-16:2023/2/611高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用

Simulink是解決這樣問題的最有效的方法，可以用下面的步驟搭建此系統(tǒng)的仿真模型：

打開模型編輯窗口；復(fù)制相關(guān)模塊；修改模塊參數(shù)；模塊連接；系統(tǒng)仿真研究。2023/2/612高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.2.2仿真算法與控制參數(shù)選擇

選中Simulink模型窗口的Simulation菜單項(xiàng)，其中的ConfigurationParameters菜單項(xiàng)允許用戶設(shè)置仿真控制參數(shù)：

Starttime和Stoptime欄目分別允許用戶填寫仿真的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

2023/2/613高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用Solveroptions的Type欄目有兩個(gè)選項(xiàng)，允許用戶選擇定步長和變步長算法。仿真精度控制有RelativeTolerance選項(xiàng)、AbsoluteTolerance等，其中相對誤差限的默認(rèn)值設(shè)置為1e-3，該值在實(shí)際仿真中顯得偏大，建議選擇1e-6和1e-7。值得指出的是，由于采用的變步長仿真算法，所以將誤差限設(shè)置到這樣小的值也不會(huì)增加太大的運(yùn)算量。2023/2/614高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用在仿真時(shí)還可以選定最大允許的步長和最小允許的步長，這可以通過填寫Maxstepsize欄目和Minstepsize的值來實(shí)現(xiàn)，如果變步長選擇的步長超過這個(gè)限制則將彈出警告對話框。一些警告信息和警告級別的設(shè)置可以從其中的Diagnostics標(biāo)簽下的對話框來實(shí)現(xiàn)，具體方法在這里就不贅述了。2023/2/615高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用

仿真控制參數(shù)options可以通過simset()函數(shù)來設(shè)置，其調(diào)用格式為:

除了用Simulation菜單啟動(dòng)系統(tǒng)仿真的進(jìn)程外，還可以調(diào)用sim()函數(shù)來進(jìn)行仿真分析，該函數(shù)的調(diào)用格式為:2023/2/616高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.2.3Simulink在控制系統(tǒng)

仿真研究中的應(yīng)用舉例【例5-2】非線性微分方程的框圖求解考慮例2-34中給出的方程，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:2023/2/617高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用

這樣的微分方程在Simulink下也可以搭建相應(yīng)的仿真模型，從而進(jìn)行仿真。如下圖所示：2023/2/618高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用

這樣用下面的語句就可以繪制出各個(gè)狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線，如圖2023/2/619高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/620高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/621高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用【例5-3】考慮例4-19中介紹的多變量系統(tǒng)階躍響

應(yīng)仿真問題。由于含有時(shí)間延遲，所以不可能直接

用feedback()函數(shù)構(gòu)造閉環(huán)系統(tǒng)模型，所以在例

4-19的仿真中采用了近似的方法將時(shí)間延遲近

似為二階傳遞函數(shù)的形式進(jìn)行仿真的，然而仿真的

精度到底如何當(dāng)時(shí)無法驗(yàn)證。

有了Simulink這樣的工具，就可以容易地建立起精確的仿真模型，如圖2023/2/622高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/623高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用回顧例4-19中利用近似得出的結(jié)果，可以利用step()函數(shù)的特殊調(diào)用格式求出其在每一路階躍信號單獨(dú)作用下的階躍響應(yīng)近似解2023/2/624高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/625高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/626高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解2023/2/627高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用直接用Simulink模型進(jìn)行仿真，則可以容易地得出該系統(tǒng)分別在兩路階躍單獨(dú)作用下階躍響應(yīng)的精確解，并將解析解和近似解在同一坐標(biāo)系下繪制出來，如下圖所示。2023/2/628高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用【例5-4】計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真考慮如下圖所示經(jīng)典的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模型，其中，控制器模型是離散模型，采樣周期為秒，ZOH為零階保持器，而受控對象模型為連續(xù)模型，假設(shè)受控對象和控制器都已經(jīng)給定。其中，對這樣的系統(tǒng)來說，直接寫成微分方程形式再進(jìn)行仿真的方法是不可行的，因?yàn)槠渲屑扔羞B續(xù)環(huán)節(jié)，又有離散環(huán)節(jié)，不可能直接寫出系統(tǒng)的微分方程模型。2023/2/629高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用解決這樣的系統(tǒng)仿真問題也是Simulink的強(qiáng)項(xiàng)，由給出的控制系統(tǒng)框圖，可以容易地繪制出系統(tǒng)的Simulink仿真框圖，如下圖所示。2023/2/630高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/631高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/632高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/633高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/634高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用這時(shí)離散控制器的傳遞函數(shù)模型為:這些語句能夠得出和Simulink完全一致的結(jié)果，且分析格式更簡單，但也應(yīng)該注意到其局限性，因?yàn)樵摲椒ㄖ荒芊治鼍€性系統(tǒng)，若含有非線性環(huán)節(jié)則無能為力，而Simulink求解則沒有這樣的限制。2023/2/635高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/636高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/637高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/638高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/639高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/640高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/641高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/642高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用建立了仿真模型之后，就可以給出下面MATLAB命令，對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并得出該時(shí)變系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，如圖所示。2023/2/643高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/644高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/645高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用Simulink仿真框圖如下：2023/2/646高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/647高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/648高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/649高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/650高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/651高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/652高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.3

非線性系統(tǒng)分析與仿真

分段線性的非線性環(huán)節(jié)非線性系統(tǒng)的極限環(huán)研究非線性系統(tǒng)的線性化2023/2/653高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.3.1分段線性的非線性環(huán)節(jié)2023/2/654高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/655高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/656高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/657高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/658高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/659高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/660高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/661高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/662高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/663高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/664高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.3.2非線性系統(tǒng)的極限環(huán)研究2023/2/665高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/666高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/667高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/668高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/669高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/670高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/671高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.3.3非線性系統(tǒng)的線性化2023/2/672高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/673高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/674高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/675高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/676高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/677高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/678高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/679高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/680高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/681高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/682高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/683高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/684高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/685高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.4子系統(tǒng)與模塊封裝技術(shù)

子系統(tǒng)概念及構(gòu)成方法模塊封裝方法模塊集構(gòu)造2023/2/686高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.4.1子系統(tǒng)概念及構(gòu)成方法2023/2/687高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/688高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/689高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/690高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.4.2模塊封裝方法2023/2/691高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/692高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/693高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/694高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/695高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/696高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/697高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/698高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/699高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6100高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6101高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6102高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6103高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6104高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6105高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.4.3模塊集構(gòu)造2023/2/6106高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6107高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6108高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用blkStruct.Name=sprintf('PIDControl\n&Simulation\nBlockset');blkStruct.OpenFcn='pidblock';%這個(gè)變量指向模塊集文件名blkStruct.MaskDisplay='disp(''PID\nBlockset'')';%模塊顯示2023/2/6109高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.5

Simulink中的M-函數(shù)

和S-函數(shù)及其應(yīng)用M-函數(shù)模塊的基本結(jié)構(gòu)S-函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)用MATLAB編寫S-函數(shù)舉例S-函數(shù)的封裝2023/2/6110高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.5.1M-函數(shù)模塊的基本結(jié)構(gòu)2023/2/6111高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用functiony=satur_non(x)ifabs(x)>=3,y=2*sign(x);else,y=2/3*x;end2023/2/6112高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.5.2S-函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)2023/2/6113高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6114高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6115高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6116高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6117高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6118高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6119高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6120高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用5.5.3用MATLAB編寫S-函數(shù)舉例2023/2/6121高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6122高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6123高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MATLAB語言與應(yīng)用2023/2/6124高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解MA