Simulink建模与仿真.docx

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Simulink建模与仿真

【实验名称】

Simulink建模与仿真

【实验目的】

1．学习SIMULINK软件工具的使用方法；

2．用SIMULINK仿真线性系统；

【实验内容】

1．SIMULINK简介

SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。

所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。

2．SIMULINK的启动

进入SIMULINK界面，只要你在MATLAB命令窗口提示符下键入‘SIMULINK’，按回车键即可启动SIMULINK软件。

在启动SIMULINK软件之后，SIMULINK的主要方块图库将显示在一个新的Windows中。

如图8-1所示：

►在MATLAB命令窗口中输入simulink：

结果是在桌面上出现一个称为SimulinkLibraryBrowser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。

图8-1SIMULINK的主要方块图库

3．SIMULINK的模块库介绍

►SIMILINK模块库按功能进行分为以下8类子库：

Continuous（连续模块）

Discrete（离散模块）

Function&Tables（函数和平台模块）

Math（数学模块）

Nonlinear（非线性模块）

Signals&Systems（信号和系统模块）

Sinks（接收器模块）

Sources（输入源模块）

4．SIMULINK简单模型的建立

（1）建立模型窗口

（2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口

（3）对模块进行连接，从而构成需要的系统模型

5．SIMULINK功能模块的处理

（1）模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳（选中模块，按住鼠标左键不放）而放到模型窗口中进行处理。

（2）在模型窗口中，选中模块，则其4个角会出现黑色标记。

此时可以对模块进行以下的基本操作：

⏹移动：

选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。

若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳；

⏹复制：

选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块；

⏹删除：

选中模块，按Delete键即可。

若要删除多个模块，可以同时按住Shift键，再用鼠标选中多个模块，按Delete键即可。

也可以用鼠标选取某区域，再按Delete键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删除；

⏹转向：

为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。

在菜单Format中选择FlipBlock旋转180度，选择RotateBlock顺时针旋转90度。

或者直接按Ctrl+F键执行FlipBlock，按Ctrl+R键执行RotateBlock。

⏹改变大小：

选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳即可。

⏹模块命名：

先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改即可。

名称在功能模块上的位置也可以变换180度，可以用Format菜单中的FlipName来实现，也可以直接通过鼠标进行拖曳。

HideName可以隐藏模块名称。

⏹颜色设定：

Format菜单中的ForegroundColor可以改变模块的前景颜色，BackgroundColor可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过ScreenColor来改变。

⏹参数设定：

用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进行参数设定。

参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助，为获得更详尽的帮助，可以点击其上的help按钮。

通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。

⏹属性设定：

选中模块，打开Edit菜单的BlockProperties可以对模块进行属性设定。

包括Description属性、Priority优先级属性、Tag属性、Openfunction属性、Attributesformatstring属性。

其中Openfunction属性是一个很有用的属性，通过它指定一个函数名，则当该模块被双击之后，Simulink就会调用该函数执行，这种函数在MATLAB中称为回调函数。

⏹模块的输入输出信号：

模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一种单一信号，而向量信号为一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。

缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输入信号，模块都具有一种“智能”的识别功能，能自动进行匹配。

某些模块通过对参数的设定，可以使模块输出向量信号。

6．SIMULINK应用举例

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以具有双积分环节的系统G（S）为例，该系统的开环是不稳定的，为了使系统稳定，使用超前校正环节K（S）进行串联校正，见图8-2。

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图8-2系统结构框图

在建模之前，你需要创建一个工作区域。

创建一个工作区域的方法为，选择File项，然后再选择New，这将开始一个新的窗口，其窗口名为“Untiledl”，可以在该窗口内构造系统模型，并称这个窗口为工作窗口。

为了得到这个系统的阶跃响应，可以由两个传递函数、一个求和点、一个输入源及两个输出观测点等6个部分组成这个系统。

输入源的元件位于Sources库；传递函数与综合点方块都位于线性部分（Linear）库中。

用同样方法，可将该库中的TransferFcn与Sum图形拖曳到工作空间，然后关闭Linear库；

如何得到其仿真的输出结果。

在Sinks库中有三个功能方块可用于显示或存储输出结果。

Scope功能块可以像一台示波器，实时地显示任何信号的仿真结果。

ToWorkspace功能块可以把输出值以矢量的形式存储在MATLAB工作空间中，这样可以在MATLAB环境下分析与绘制其输出结果。

ToFile功能块可以把数据存储到一个给定名字的文件中。

用同样方法，将Scope拖曳到工作空间，并关闭Sinks库窗口。

打开Sum功能块，在ListofSigns处输入“+”、“—”符号。

如果综合点超过了两个输入点，只要简单地输入其正、负号，即可自动地增加其相应地输入点。

打开StepFcn功能块，有三个空白框可以填入参数。

Steptime是阶跃响应的初始时间。

此项可填0，即零时刻开始阶跃响应。

另外两项为初始值（Initialvalue）和终值（Finalvalue）。

这两项可分别输入0和1。

打开工作空间功能块。

输入y作为变量名（Variablename），对应最大行数项（Maximumnumberofrows），输入100。

每一行对应一个时间间隔。

在系统仿真过程中，可以输入0到9.9，间隔为0.1，生成100个点。

最后，要将这些方块连接起来。

除Sources与Sinks功能块外，所有其他方块中至少有一个输出点，即在方块旁有一个符号﹥指向外面，也至少有一个输入点，即在方块旁有一个符号﹥指向里面，Sources功能块没有输入点，只有输出点，而Sinks功能块没有输出点，因此它仅有一个输入点。

系统的仿真方块图见图8-3。

图8-3系统的仿真方块图

7．SIMULINK仿真的运行

构建好一个系统的模型之后，接下来的事情就是运行模型，得出仿真结果。

运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：

设置仿真参数、启动仿真和仿真结果分析。

（1）设置仿真参数和选择解法器

设置仿真参数和选择解法器，选择Simulation菜单下的Parameters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面来管理仿真的参数。

I．Solver页，它允许用户设置仿真的开始和结束时间，选择解法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。

★仿真时间：

注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示，比如10秒的仿真时间，如果采样步长定为0.1，则需要执行100步，若把步长减小，则采样点数增加，那么实际的执行时间就会增加。

一般仿真开始时间设为0，而结束时间视不同的因素而选择。

总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。

★仿真步长模式：

用户在Type后面的第一个下拉选项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的有Variable-step（变步长）和Fixed-step（固定步长）方式。

变步长模式可以在仿真的过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。

固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测。

用户还可以在第二个下拉选项框中选择对应模式下仿真所采用

II.WorkspaceI/O页，作用是管理模型从MATLAB工作空间的输入和对它的输出。

III．Diagnostics页，允许用户选择Simulink在仿真中显示的警告信息的等级。

（2）、启动仿真

I．设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿真而运行。

选择Simulink菜单下的start选项来启动仿真，如果模型中有些参数没有定义，则会出现错误信息提示框。

如果一切设置无误，则开始仿真运行，结束时系统会发出一鸣叫声。

II．除了直接在SIMULINK环境下启动仿真外，还可以在MATLAB命令窗口中通过函数进行，格式如下：

[t,x,y]=sim（‘模型文件名’,[totf],simset（‘参数1’,参数值1,‘参数2’,参数值2,…））

其中to为仿真起始时间，tf为仿真终止时间。

[t,x,y]为返回值，t为返回的时间向量值，x为返回的状态值，y为返回的输出向量值。

simset定义了仿真参数，包括以下一些主要参数：

AbsTol：

默认值为1e-6设定绝对误差范围。

Decimation：

默认值为1，决定隔多少个点返回状态和输出值。

Solver：

解法器的选择。

最后一步是仿真（Simulation）,可以通过选择仿真菜单（SimulationMenu）执行仿真命令。

有两个可以供选择的项：

Start（开始执行）与Parameters（参数选择）。

在参数选择中，可以有几种积分算法供选择。

对于线性系统，可以选择Linsim算法。

对应项分别输入如下参数：

StartTime0（开始时间）

StopTime9.9（停止时间）

RilativeError0.001（积分一步的相对误差）

MinimumStepSize0.1（最小步长）

MaximumStepSize0.1（最大步长）

在ReturnVariable方框中，还可以输入要返回的变量参数。

如在此方框中填入t,在仿真之后可以在MATLAB工作空间中得到两个变量,即t与y。

参数选择完毕后，关闭该窗口。

此时，你可以选择Start启动仿真程序，在仿真结束时，计算机会用声音给予提示。

阶跃响应图如图8-4所示。

图8-4阶跃响应图

练习8-1在SIMULINK环境下，作T1、T2、T3系统的阶跃响应；

将T1、T2、T3系统的阶跃响应图在同一Scope中显示。

解：

系统图和阶跃响应图如下：

练习8-2典型二阶欠阻尼系统的传递函数为：

极点位置：

式中：

在SIMULINK环境下，作该系统在以下参数时的仿真：

1设ωa=1,σ=0.5,1,5,求阶跃响应，（用同一Scope显示）；

解：

先计算系统在此参数下的传递函数，如下

构造系统框图：

系统阶跃响应：

分析参数变化（增加、减少与不变）对阶跃响应的影响：

设ωa=1,σ=0.5,1,5。

说明ωa一定,σ增大，则系统的响应速度减慢，超调量增加。

2设σ=1,ωa=0.5,1,5，求阶跃响应在（用同一Scope显示）；

先计算系统在此参数下的传递函数，如下

构造系统框图：

系统的节约响应为：

分析参数变化（增加、减少与不变）对阶跃响应的影响：

设σ=1,ωa=0.5,1,5。

说明σ一定,ωa增大，则系统的响应速度不变，但是振荡减弱，超调量减少。

③设：

求阶跃响应（用同一Scope显示）；

根据参数计算系统的传递函数：

构造系统框图：

系统阶跃响应：

分析参数变化（增加、减少与不变）对阶跃响应的影响：

设

。

说明ξ一定,ωn增大，则系统的响应速度减慢，但是超调量不变。

④设

求阶跃响应，（用同一Scope显示）；

阶跃响应的时间：

0≤t≤10，阶跃信号幅值为+2V。

分析参数变化（增加、减少与不变）对阶跃响应的影响。

根据参数计算系统的传递函数：

系统的阶跃响应：

分析参数变化（增加、减少与不变）对阶跃响应的影响：

设

。

说明ωn一定,θ增大，则系统响应时间不变，但是系统的超调量减少。