《MATLAB 8.X程序設(shè)計(jì)及典型應(yīng)用》課件第7章

7.1Simulink的啟動(dòng)和模型庫(kù)7.2模型文件的創(chuàng)建和保存7.3仿真的配置7.4子系統(tǒng)及其封裝7.5在MATLAB指令窗中運(yùn)行?Simulink模型第7章Simulink交互式仿真集成環(huán)境

7.1Simulink的啟動(dòng)和模型庫(kù)

如果用戶在安裝MATLAB的過(guò)程中選擇了Simulink組件，則在MATLAB安裝完成后，Simulink也安裝完畢。用戶必須注意，Simulink不能獨(dú)立運(yùn)行，只能在MATLAB環(huán)境中運(yùn)行。7.1.1Simulink的啟動(dòng)與退出

在MATLAB的命令窗口輸入語(yǔ)句simulink并執(zhí)行：

>>simulink圖7.1Simulink模塊庫(kù)瀏覽器圖7.2Simulink按鈕7.1.2Simulink常用模塊

1．信號(hào)源子模塊庫(kù)(Sources)

信號(hào)源子模塊庫(kù)提供的模塊都沒(méi)有輸入端口，而至少有一個(gè)輸出端口。信號(hào)源子模塊庫(kù)中提供了很多標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，各模塊的圖標(biāo)、名稱(chēng)、功能見(jiàn)表7-1。

2．連續(xù)系統(tǒng)子模塊庫(kù)(Continuous)

連續(xù)系統(tǒng)子模塊庫(kù)提供了諸多關(guān)于連續(xù)系統(tǒng)運(yùn)算的模塊，包括微分運(yùn)算、積分運(yùn)算等，其圖標(biāo)、名稱(chēng)和功能見(jiàn)表7-2。

3．離散系統(tǒng)子模塊庫(kù)(Discrete)

離散系統(tǒng)子模塊庫(kù)提供了諸多關(guān)于離散系統(tǒng)運(yùn)算的模

塊，包括濾波器、差分運(yùn)算等，其圖標(biāo)、名稱(chēng)和功能見(jiàn)表

7-3所示。

4．?dāng)?shù)學(xué)運(yùn)算子模塊庫(kù)(Math)

數(shù)學(xué)運(yùn)算子模塊庫(kù)提供了諸多關(guān)于數(shù)學(xué)運(yùn)算的模塊，其中主要運(yùn)算模塊的圖標(biāo)、名稱(chēng)和功能見(jiàn)表7-4所示。

5．提取信號(hào)子模塊庫(kù)(Sinks)

提取信號(hào)子模塊庫(kù)中提供的模塊用來(lái)輸出系統(tǒng)仿真的結(jié)果。它只有輸入端口，用以接收模型傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)。提取信號(hào)子模塊庫(kù)各模塊的圖標(biāo)、名稱(chēng)和功能見(jiàn)表7-5所示。

6．用戶自定義的函數(shù)子模塊庫(kù)(User-DefinedFunctions)

用戶如果自己編寫(xiě)函數(shù)文件來(lái)實(shí)現(xiàn)某一功能，可以使用用戶自定義的函數(shù)子模塊庫(kù)中的模塊。用戶自定義函數(shù)子模塊庫(kù)中的各模塊圖標(biāo)、名稱(chēng)和功能見(jiàn)表7-6所示。圖7.3獲取模塊幫助信息

7.2模型文件的創(chuàng)建和保存

【例7-1】創(chuàng)建模型并分析結(jié)果。

(1)進(jìn)入Simulink環(huán)境。

在MATLAB指令窗內(nèi)執(zhí)行“Simulink”或者單擊MATLAB主窗口工具欄上的圖標(biāo)，打開(kāi)Simulink模塊庫(kù)瀏覽器窗口(如圖7.1所示)，單擊該窗口工具條上的新建圖標(biāo)按鈕，打開(kāi)一個(gè)未命名(untitled)的空白模型窗，如圖7.4所示。圖7.4Simulink新建模型窗

(2)進(jìn)入信號(hào)源子模塊庫(kù)，添加正弦信號(hào)發(fā)生器模塊，查看默認(rèn)參數(shù)或重新設(shè)置參數(shù)。

鼠標(biāo)單擊圖7.1界面上的“Sources”，進(jìn)入信號(hào)源子模塊庫(kù)，選擇正弦信號(hào)圖標(biāo)，鼠標(biāo)右擊，選擇“Addto…”選項(xiàng)，將該框圖添加到模型窗中，如圖7.5所示。圖7.5信號(hào)源子模塊庫(kù)圖7.6正弦信號(hào)發(fā)生器的Simulink仿真參數(shù)設(shè)置界面

(3)進(jìn)入輸出子模塊庫(kù)，選擇輸出方式。

鼠標(biāo)單擊圖7.1界面上的“Sinks”子模塊庫(kù)，選擇示波器(Scope)圖標(biāo)，將其添加到模型窗中。圖7.7示波器及其參數(shù)設(shè)置對(duì)話窗圖7.8雙顯示示波器的參數(shù)設(shè)置

(4)進(jìn)入數(shù)學(xué)運(yùn)算子模塊庫(kù)，選取疊加函數(shù)模塊。

鼠標(biāo)單擊圖7.1界面上的“MathOperations”，選擇“Add”的圖標(biāo)，并將其添加到模型窗中。鼠標(biāo)雙擊該模塊，將其設(shè)置成“+-”形式，如圖7.9所示。圖7.9Add模塊參數(shù)的設(shè)置

(5)搭建模型，完成仿真。

在未命名的模型窗中，用鼠標(biāo)畫(huà)線，將各個(gè)模塊連接成一個(gè)完整的模型。具體連線操作為：先將光標(biāo)指向一個(gè)模塊的輸出端，待光標(biāo)變?yōu)槭址?，按下鼠?biāo)左鍵并拖動(dòng)，直到另一模塊的輸入端。如果需要將連接線分支，則需將光標(biāo)指向信號(hào)線的分支點(diǎn)上，按鼠標(biāo)右鍵，待光標(biāo)變?yōu)槭址?，拖?dòng)鼠標(biāo)直到另一模塊的輸入端即可。連接線的箭頭指向?yàn)樾盘?hào)流動(dòng)方向。模型見(jiàn)圖7.10。圖7.10信號(hào)疊加的Simulink模型圖7.11輸入信號(hào)x1和x2以及輸出信號(hào)x波形圖

(6)仿真結(jié)果的分析。

本例選擇三個(gè)單蹤示波器，分別顯示正弦信號(hào)、余弦信號(hào)和運(yùn)算后的信號(hào)。為了更好地比對(duì)信號(hào)運(yùn)算后的變化，用戶可以將三個(gè)信號(hào)送給基本工作空間(WorkSpace)，變量名稱(chēng)分別為x1，x2，x，并以數(shù)值形式保存。具體設(shè)置為：勾選“Savedatatoworkspace”，變量名改為x1，在“Format”下拉菜單中選擇“Array”，然后點(diǎn)擊“OK”或者“Apply”完成設(shè)置。圖7.12所示為正弦信號(hào)x1的設(shè)置。信號(hào)x2、x的設(shè)置方法同上。圖7.12示波器參數(shù)設(shè)置圖7.13仿真結(jié)果的M文件繪圖若要打開(kāi)該文件，可以通過(guò)以下3種方法實(shí)現(xiàn)：

(1)在MATLAB指令窗中輸入模型文件名。注意：不要帶擴(kuò)展名，但該文件一定要在當(dāng)前目錄或MATLAB的搜索路徑上，否則必須注明路徑目錄。

(2)點(diǎn)擊模塊庫(kù)瀏覽器或某一模型窗中的菜單File→Open，選中該模型文件打開(kāi)。

(3)點(diǎn)擊模塊庫(kù)瀏覽器或某一模型窗中的圖標(biāo)，打開(kāi)該模型文件。

7.3仿?真?的?配?置

Simulink模型實(shí)際上是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，它定義了描寫(xiě)被仿真系統(tǒng)的一組微分方程或差分方程。當(dāng)對(duì)模型窗中的模型進(jìn)行仿真時(shí)，Simulink系統(tǒng)就開(kāi)始用一種數(shù)值解算方法求解方程。用戶在對(duì)模型進(jìn)行仿真時(shí)，如果不做特別設(shè)置(如例7-1)，Simulink總以默認(rèn)的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值解算。圖7.14Simulink仿真參數(shù)配置窗口7.3.1仿真時(shí)間選項(xiàng)

參數(shù)配置窗口中的時(shí)間選項(xiàng)提供了起始時(shí)刻(Starttime)和終止時(shí)刻(Stoptime)的參數(shù)設(shè)置，默認(rèn)時(shí)分別為0和10，表示仿真時(shí)長(zhǎng)為10秒。如果解算器設(shè)置的計(jì)算步長(zhǎng)為0.01，則計(jì)算機(jī)需要執(zhí)行1000步結(jié)束。如果將計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)置得長(zhǎng)一些，比如0.1，則相應(yīng)地計(jì)算機(jī)執(zhí)行次數(shù)就減少，即100步即可完成。因此，這里的時(shí)間概念和計(jì)算機(jī)真實(shí)地執(zhí)行時(shí)間是有差別的。相同的時(shí)間設(shè)置，如果計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)置得越長(zhǎng)，則實(shí)際的執(zhí)行時(shí)間就越短。7.3.2解算器選項(xiàng)

在解算器選項(xiàng)解算類(lèi)型(Tyep)中，有變步長(zhǎng)(Variable-step)和定步長(zhǎng)(Fixed-step)兩種。對(duì)于變步長(zhǎng)選項(xiàng)，在算法(Solver)選項(xiàng)中列出了多種變步長(zhǎng)解算方法，對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，默認(rèn)的算法ode45即為最佳算法，建議其對(duì)應(yīng)的最大步長(zhǎng)(Maxstepsize)、最小步長(zhǎng)(Minstepsize)和初始步長(zhǎng)(Initialstepsize)使用默認(rèn)(auto)值，如圖7.15(a)所示。對(duì)于離散系統(tǒng)，Simulink一般默認(rèn)選擇定步長(zhǎng)算法，如圖7.15(b)所示，其中默認(rèn)算法ode4即為最佳算法。圖7.15Simulink解算器選項(xiàng)圖7.16范德波(VandePol)微分方程的Simulink模型在仿真配置選項(xiàng)里，將圖7.17中的Stoptime設(shè)置為15；在解算器選項(xiàng)中選擇變步長(zhǎng)的ode23算法。啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)束后在MATLAB工作空間產(chǎn)生了變量tout、y1、y2。在MATLAB指令窗中輸入指令并執(zhí)行：

>>plot(tout，y1，‘r-.’，tout，y2，‘LineWidth’，3)

>>legend(‘x(t)’，‘dx(t)/dt’，2)

>>gridon

結(jié)果如圖7.17所示。圖7.17范德波(VandePol)微分方程的Simulink實(shí)現(xiàn)圖7.18范德波(VandePol)微分方程的相軌跡圖7.19關(guān)于模塊操作的子菜單圖7.20數(shù)學(xué)函數(shù)模塊的參數(shù)設(shè)置

【例7-3】某飽和非線性系統(tǒng)如圖7.21所示，求該系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。圖7.21飽和非線性系統(tǒng)創(chuàng)建Simulink模型，如圖7.22所示。圖7.22飽和非線性系統(tǒng)的Simulink模型傳遞函數(shù)(TransferFcn)模塊位于圖7.1界面上的“Continuous”模塊庫(kù)內(nèi)，將該模塊添加到模型窗中，雙擊該模塊，進(jìn)入傳遞函數(shù)(TransferFcn)模塊的參數(shù)設(shè)置界面。輸入設(shè)計(jì)中的參數(shù)值，如圖7.23所示。圖7.23傳遞函數(shù)(TransferFcn)模塊的參數(shù)設(shè)置圖7.24飽和非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

7.4子系統(tǒng)及其封裝

對(duì)于簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，涉及的元件較少，功能簡(jiǎn)單，可以用Simulink系統(tǒng)建模仿真。但對(duì)于大型復(fù)雜系統(tǒng)，由于涉及的模塊比較多，直接由基本模塊構(gòu)成的Simulink模型會(huì)非常龐大和復(fù)雜，模型中的信號(hào)流向也不容易辨認(rèn)，給模型的檢測(cè)和調(diào)試都帶來(lái)了麻煩。因此，針對(duì)龐大的模型，用戶可以將各個(gè)獨(dú)立功能部分封裝成子系統(tǒng)(Subsystem)模塊，這樣整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和層次變得清晰明了，而且由于各獨(dú)立功能子模塊進(jìn)行了封裝，可移植性也大大加強(qiáng)。7.4.1子系統(tǒng)的創(chuàng)建

正如函數(shù)文件中的子函數(shù)，Simulink模型中也存在子系統(tǒng)。創(chuàng)建子系統(tǒng)的方法有兩種：

(1)在已經(jīng)建立好的模型中創(chuàng)建子系統(tǒng)。

【例7-4】(續(xù)例7-3)創(chuàng)建子系統(tǒng)示例。

將上例Simulink模型“MATLABFcn”模塊替換為“CommonlyUsedBlocks”模塊庫(kù)中的“saturation”模塊，將文件命名為exm4并保存。在“exm4.mdl”窗口中，用鼠標(biāo)拖出虛線框，框住需要加入子系統(tǒng)的模塊。然后右擊鼠標(biāo)，在打開(kāi)的菜單選項(xiàng)里選擇“CreatSubsystem”，如圖7.25(a)所示。圖7.25(b)中的模塊名默認(rèn)為“Subsystem”，用戶可以修改模塊名稱(chēng)。圖7.25創(chuàng)建子系統(tǒng)演示圖7.26子系統(tǒng)模型窗

(2)在仿真模型中使用Subsystem模塊建立空白子系統(tǒng)。

選擇Parts&Subsystems子模塊庫(kù)中的Subsystem模塊，雙擊該模塊，可以編輯子系統(tǒng)的模型。在空白的子系統(tǒng)中，只有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口。用戶還可以在該模塊中添加輸入和輸出端口。7.4.2封裝子系統(tǒng)

1．封裝子系統(tǒng)的步驟

封裝子系統(tǒng)的步驟為：

(1)選中需要封裝的子系統(tǒng)，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“Mask”→“CreatMask...”，打開(kāi)如圖7.27所示的封裝編輯器(MaskEditor)對(duì)話窗。圖7.27封裝編輯器對(duì)話窗

(2)設(shè)置封裝編輯器中的各項(xiàng)選項(xiàng)，單擊“OK”、“Apply”即可。

封裝編輯器對(duì)話窗用于創(chuàng)建自定義的子系統(tǒng)圖標(biāo)和參數(shù)選項(xiàng)，完成初始化封裝后的子系統(tǒng)參數(shù)以及為子系統(tǒng)創(chuàng)建在線使用說(shuō)明。

2．封裝編輯器(MaskEditor)

1)圖標(biāo)(Icon&Ports)選項(xiàng)及其設(shè)置

封裝編輯器對(duì)話窗中的圖標(biāo)(Icon)選項(xiàng)如圖7.28所示，它主要用于設(shè)置子系統(tǒng)封裝的圖標(biāo)，還包括創(chuàng)建描述文本、數(shù)學(xué)模型等。圖7.28圖標(biāo)選項(xiàng)設(shè)置窗口

2)參數(shù)(Parameters)選項(xiàng)及其設(shè)置

參數(shù)(Parameters)選項(xiàng)用來(lái)封裝子系統(tǒng)模型中的變量名稱(chēng)以及相應(yīng)的提示，MATLAB7.X和8.X在這個(gè)界面調(diào)整較大。圖7.29分別給出了兩種界面。圖7.29參數(shù)(Parameters)選項(xiàng)

3)初始化(Initialization)選項(xiàng)及其設(shè)置

初始化選項(xiàng)如圖7.30所示。初始化指令(Initializationcommands)用于輸入合法的執(zhí)行指令，用于設(shè)置子系統(tǒng)模塊

的初始化信息，包括變量的初始值設(shè)定、參數(shù)的相關(guān)運(yùn)算含義等。圖7.30初始化(Initialization)選項(xiàng)

4)文檔(D