基于模型的设计——MCU篇.docx

1、第二章Simulink建模与调试Simulink是动态和嵌入式等系统的建模与仿真工具，也是基于模型设计的基础。对于机电、航空航天、信号处理、自动控制、通讯、音视频处理等众多领域，Simulink提供了交互式的可视化开发环境和可定制的模块库，对系统进行建模、仿真与调试等。并可实现与Stateflow有限状态机的无缝连接，扩展对复杂系统的建模能力。通过Simulin模块库自带的1000多个预定义模块，基本上可快速地创建基于MCU器件应用的系统模型。运用层次化建模、数据管理，子系统定制等手段，即使是复杂的嵌入式MCU应用系统，也能轻松完成简明精确的模型描述。大量使用 Embedded MATLAB来

2、创建用户自己的算法模块，可大大加快建模速度。读者在后面的内容中，会经常看到用Embedded MATLAB创建的算法模块，加快MCU器件开发的实例。模型是基于模型设计的起点，同时也最核心的东西。本章将以基于PID控制的直流电机的物理建模与调试为例来介绍Simulink，更详细的内容请读者参考MathWorks公司相关内容的用户手册。Simulink的主要特点如下：l 众多可扩展的模块库 l 利用图形编辑器来组合和管理模块图 l 以系统功能来划分模型，实现对复杂系统的管理 l 利用模型浏览器（Model Explorer）寻找、创建、配置模型组件的参数与属性l 利用API实现与其他仿真程序的连接

3、或集成用户代码l 用图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，评估模型的性能指标 l 在MATLAB命令窗口中，可对仿真结果进行分析与可视化，自定义模型环境、信号参数和测试数据 l 利用模型分析和诊断工具来确保模型的一致性，定位模型中的错误本章主要内容有：l Simulink基本操作l 搭建直流电机模型l Simulink模型调试2.1 Simulink基本操作2.1.1 模块库和编辑窗口打开模型库浏览器在matlab的命令窗口中输入“simulink”指令或单击matlab工具栏上的“simulink”图标就可以打开模型库浏览器。如图2.1.1所示:图2.1.1 模型库浏览器打开模型编辑窗口要建

4、立一个新的模型，首先要打开一个模型编辑窗口。可以通过点击模块库浏览器上的NEW Model按钮，或FileNEWModel来打开窗口，如图2.1.2所示。图2.1.2 打开模型编辑窗口2.1.2 Simulink模块库Simulink模块库是建立模型的基础，其中囊括了大量的基本功能模块，只有当用户熟练的掌握了模块库，才能快速、高效的建立模型。从图2.1.1所示的模型库浏览器可知，在Simulink 模块库中包含有以下子模块库，如表2.1.1所示：表2.1.1 模块库列表常用模块（commonly used block）连续模块（continuous）非连续模块（discontinuous）离散

5、模块（discrete）逻辑和位操作模块（logic and bit operations）查找表模块（lookup tables）数学运算模块（math operations）模型验证模块（model verification）模型实用模块（model-wide utilities）端口与子系统模块（ports & subsystems）信号属性模块（signal attributes）信号路由模块（signal routing）接收器模块（sinks）源模块（sources）用户自定义模块（user-defined functions）附加操作模块（additional math & di

6、screte）下面将详细介绍几种使用频率较高的模块库。1. 常用模块库（commonly used block）常用模块库中的模块是simulink所有模块库中使用频率最高模块的合集，主要是为了方便用户以最快的速度建立模型。常用模块包含如图2.1.3所示的成员，模块功能如表2.1.2所示：图2.1.3 常用模块库表2.1.2常用模块库列表名称功能名称功能Bus Creator生成总线Bus Selector分离总线Constant常量信号Data Type Conversion转换数据类型Demux抽取向量信号中的元素并输出Discrete-Time Integrator时间离散积分Gain放

7、大器Ground接地Inport产生输入口Integrator,Integrator Limited信号积分Logical Operator逻辑运算Mux将输入信号合成为向量Outport产生输出口Product标量和非标量乘除或矩阵乘法和转置Realational Operator对输入做关系运算Saturation饱和Scope and Floating Scope显示仿真信号Subsystem,Atomic Subsystem,Nonvitual Subsystem,CodeReuse Subsystem以子系统表示其他系统Sum,Add,Subtract,Sum ofElements加

8、或减Switch通过第二个输入值来输出第一或第二个输入。Terminator终止未连接的输出口Unit Delay延迟一个采样周期2. 连续模块库（continuous）连续模块库中的模块如2.1.4图所示，它包含了搭建连续系统所涉及到的绝大部分模块，这些模块的功能如2.1.3表所示：图2.1.4 连续模块库表2.1.3连续模块库列表名称功能名称功能Derivative微分Integrator积分Integrator Limited有限积分Integrator 2nd-order二阶积分Integrator 2nd-order Limited二阶有限积分PID Controller比例微积分控

9、制器PID Controller（2DOF）双自由度比例微积分控制器State-Space状态空间Transfer Fcn传递函数Transport Delay时间延迟Variable Time Delay可变时间延迟Variable Transport Delay可变时间延迟Zero-Pole零极点结合本书是讲述基于模型设计的思想开发MCU器件，本章将以Simulink在控制电机中的应用为例，介绍Simulink的建模与调试技术。这里值得一提的是PID控制模块。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。它是在较新版本的Simulink中才新增并逐步完善的一个

10、模块，R2010b版已经具备自动调节功能。具体原理和使用将在后面分析。3. 离散模块库（discontinuous）离散模块在涉及数字信号系统中被广泛使用，基于这种考虑，mathworks公司单独列出了离散系统模块库。离散模块库中的模块和其功能如2.1.5图所列：图2.1.5 离散模块库其中常用模块的功能如表2.1.4所示：表2.1.4离散模块库列表名称功能名称功能Difference差分Discrete Derivative离散微分方程Discrete FIR Filter 离散 FIR滤波器Discrete Filter离散滤波器Discrete PID Controller离散PID控制

11、器Discrete PID Controller (2DOF)离散双自由度PID控制器Discrete State-Space离散状态空间Discrete Transfer Fcn离散传递函数Discrete Zero-Pole离散零极点Discrete Time Integrator离散时间积分1st-order Hold一阶保持器Integer Delay采样保持Memory记忆Tapped Delay采样周期延迟Transfer Fcn 1st-order一阶传递函数Transfer Fcn Lead or Lag传递函数（超前或延迟）Transfer Fcn Real Zero传递函数

12、(有零点无极点)Unit Delay 单位延迟Zero-Order Hold零阶保持器4. 数学运算模块库（math operations）数学运算模块将很多数学运算封装成模块的形式，使数学运算操作大大简化，减少了很多程序设计上的繁琐过程。此模块库所包含的模块如图2.1.6所示：图2.1.6 数学运算模块库其中常用模块的功能如表2.1.5所示：表2.1.5数学运算模块库列表名称功能名称功能Sum对输入求代数和Rounding Function取整Gain常量增益MinMax求最值Slider Gain可用滑动条改变的增益Trigonometric Function三角函数Product 对输入

13、求积或商Algebraic Constraint强制驶入信号为0Dot Product点积Complex to Magnitude-Angle复数的幅值相角Sign取输入的正负符号Magnitude-Angle to Complex根据幅值相角得到复数Abs绝对值（模）Complex to Real-Imag复数的实部虚部Math Function数学运算函数Real-Imag to complex由实部虚部求复数5. 信号源模块库（signal attributes）信号源模块库如2.1.7图所示：图2.1.7 信号源模块库其中常用模块的功能如表2.1.6所示：表2.1.6信号源模块库列表名

14、称功能名称功能Band-Limited White Noise限带白噪声Chirp Signal频率变化的正弦信号Clock时钟信号Constant常数Counter Limited 受限计数器Digital Clock数字时钟Enumerated Constant枚举常数From File从文件读数据From WorkSpace从工作空间读数据Ground接地Inport输入接口Pulse Generator脉冲发生器Ramp线性增或减的信号Random Number随机数Repeating Sequence重复系列Repeating Sequence Interpolated重复序列插值Repeating Sequence Stair阶梯状重复序列Signal Builder 产生分段线性的可交替信号Signal Generator信号发生器Sine Wave正弦信号Step阶跃信号Uniform Random Number平均分布的随机信号6. 信号接收模块库（sinks）信号接收模块库如图2.1.8所示：图2.1.8信号接收模块库其中常用模块的功能如表2.1.7所示：表2.1.7信号接收模块库列表