《MATLAB基础教程》第11章_simulink建模与仿真

MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第1页第11章Simulink的建模与仿真MATLABR2010a基础教程清华大学出版社教学目标教学重点教学内容MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第2页教学目标掌握Simulink的基本建模方法熟悉Simulink模块库熟悉常见Simulink模型了解S函数的设计和调用MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第3页教学重点掌握Simulink的基本建模方法熟悉Simulink模块库熟悉常见Simulink模型MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第4页教学内容掌握Simulink的基本建模方法掌握Simulink模块库熟悉常见Simulink模型S函数的设计和调用Simulink建模的工程应用MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第5页Simulink简介Simulink的启动Simulink模型窗口的建立Simulink模块的操作MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第6页Simulink启动Simulink的启动主要有以下两种方法：在MATLAB的命令窗口中输入simulink,结果是在桌面上出现一个SimulinkLibraryBrowser的窗口，如图11-1，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。单击MATLAB主窗口的快捷按钮，打开SimulinkLibraryBrowser窗口。MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第7页Simulink模型窗口的建立在Simulink中打开一个空白的模型窗口的方法：选中Simulink菜单系统中的File|New|Model菜单项后，会生成一个Simulink窗口；单击Simulink工具栏中的“新建模型”图标；在MATLAB的命令窗口中选择File|New|NewModel菜单项；MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第8页Simulink模块的操作(1/2)在Simulink的空白模型窗口中，搭建Simulink的模型主要是通过用线将各种功能模块连接构成的。在Simulink中，将两个模块相接非常简单，在每个允许输出的模块口都有一个输出的符号表示离开该模块，，而输入端也有一个表示输入的符号表示进入该模块。假如想将一个输入模块和一个输出模块连接起来，那么只需要在前一个模块的输出口处鼠标左键单击，然后拖动鼠标至另外一个模块的输入口，松开鼠标左键，Simulink会自动将两个模块用线连接起来。MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第9页Simulink模块的操作(2/2)模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖拽（用鼠标左键选中模块，并按住左键不放），然后放到模型窗口中处理。在模型窗口中，选中该模块，然后四个角都有黑色标记，这时可以对该模块进行复制、删除、移动、命名、转向、设置模块属性等操作。MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第10页Simulink模块库（1/2）Simulink的模块库是建立好仿真模型的基础，模块库主要包括：（1）连续模块；（2）非连续模块；（3）离散模块；（4）逻辑和位操作模块；（5）查找表模块；（6）数学模块；MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第11页Simulink模块库（2/2）（7）模型检测模块；（8）模型扩充模块；（9）端口和子系统模块；（10）信号属性模块；（11）信号线路模块；（12）接收模块；（13）输入模块；（14）用户自定义函数模块；MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第12页Simulink基本仿真建模实例（1/3）现有如下微分-代数混合方程：初始条件为x1=–20,x2=3,x3=0.5，根据以上方程构造出Simulink模型，其中积分器Integrator、Integrator1、Integrator2的初始值设定分别是2、3、0.5。21122321233122333xxxxxxxxxxxxxxMATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第13页Simulink基本仿真建模实例（2/3）2112233xxxxx的结构图MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第14页Simulink基本仿真建模实例（3/3）仿真模型图仿真结果MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第15页常见Simulink模型线性状态-变量模型分段线性模型传递-函数模型非线性状态-变量模型子系统MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第16页S函数的设计和调用S函数的介绍S函数的调用S函数设计MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第17页S函数的介绍S函数就是S-Functions，是system-Functions的缩写。当MATLAB所提供的模型不能完全满足用户要求时，就可以通过S函数提供给用户自己编写程序来满足自己要求模型的接口。S函数可以用MATLAB，C，C++，Ada和Fortan.编写。C，C++，Ada，andFortanS-Functions需要编译为Mex文件，就和其它MEX文件一样，Simulink可以随时动态的调用这些文件。S函数使用的是一种比较特殊的调用格式，可以和Simulink求解器交互式操作，这种交互式就是与Simulink求解器和内置固有模块交互式操作相同。S-Functions功能非常全面，适用于连续、离散以及混合系统。S函数允许用户向模型中添加自己编写的模块，只要按照一些简单的规制，就可以在S-Functions添加设计算法。在编写好S-Functions之后就可以在S-Functions莫窥阿中添加相应得函数名，也可以通过封装技术来订制自己的交互界面。MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第18页S函数的调用在Simulink使用S-Functions的方法就是从Simulink中的User-DefinedFunctions模块库中向Simulink模型文件窗口中拖放S-Function模块。然后在S-Functions模块的对话框中的S-FunctionsName框中输入S函数的文件名，在S-FunctionsParameters框中输入S函数的参数值。在点击edit的选项后可以编辑S函数的代码部分，利用S函数实现需要的功能主要是代码部分的修改。MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第19页S函数设计（1/6）对于代码部分的修改，可以使用MATLAB语言按照S-Functions的格式来编写代码。MATLAB提供了一个模板文件，方便S-Function的编写，该模板文件位于MATLAB根目录toolbox/Simulink/blocks下MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第20页S函数设计（2/6）模板函数的代码如下：function[sys,x0,str,ts]=sfuntmpl(t,x,u,flag)switchflag,case0,[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;case1,sys=mdlDerivatives(t,x,u);case2,sys=mdlUpdate(t,x,u);case3,sys=mdlOutputs(t,x,u);case4,sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);case9,sys=mdlTerminate(t,x,u);otherwiseerror(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);endMATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第21页S函数设计（3/6）function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizessizes=simsizes;sizes.NumContStates=0;sizes.NumDiscStates=0;sizes.NumOutputs=0;sizes.NumInputs=0;sizes.DirFeedthrough=1;sizes.NumSampleTimes=1;sys=simsizes(sizes);x0=[];str=[];ts=[00];functionsys=mdlDerivatives(t,x,u)sys=[];functionsys=mdlUpdate(t,x,u)sys=[];functionsys=mdlOutputs(t,x,u)sys=[];functionsys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)sampleTime=1;sys=t+sampleTime;functionsys=mdlTerminate(t,x,u)sys=[];MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第22页S函数设计（4/6）M文件S-Functions可用的子函数说明如下：（1）mdlInitializeSizes：定义S-Function模块的基本特性，包括采样时间、连续或者离散状态的初始条件和sizes数组。（2）mdlDerivatives：计算连续状态变量的微分方程。（3）mdlUpdate：更新离散状态、采样时间和主时间同步的要求。（4）mdlOutputs：计算S-Function的输出。（5）mdlGetTimeOfNextVarHit:计算下一个采样时间点的绝对时间。（6）mdlTerminate：结束仿真任务。MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第23页S函数设计（5/6）S-function默认的4个输入参数t、x、u和flag，他们的次序不能变动，各自代表的意义是：t：表示当前仿真时刻，是采用绝对计量的时间值，是从仿真开始模型运行时间的计量值。x：模块的状态向量，包括连续状态向量和离散状态向量。u：模块的输入向量。flag：执行不同操作的标记变量。MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第24页S函数设计（6/6）S-Function默认的4个返回参数为sys、x0、str和ts，他们的次序也不能改变，代表的意义为：sys：通用返回函数；x0：初始状态值，当flag的值为0时才有效；str：没有明确定义，是MathWorks为将来应用所作的保留。ts：一个m×2矩阵，它的两列分别表示采样时间间隔和偏移。MATLABR2010a基础教程清华大学出版社2020年1月10日第25页工程实例:车辆悬挂的仿真（1/3）由牛顿定律而得到的系统模型是：车辆悬挂模型的仿真框图dtdMATLABR2010a基础教程清华大学出版社工程实例:车辆悬挂的仿真（2/3）车辆悬挂系统的Simulink模型2020年1月10日第26页时钟到工作空间积分器积分器1显示器导数查表MATLAB函数信号构建信号MATLABR2010a基础教程清华大学出版社实例中Simulink模型仿真输出2020年1月10日第27页工程实例:车辆悬挂的仿真（3/3）