MATLAB的仿真集成环境-Simulink

MATLAB与控制系统仿真第9章MATLAB的仿真集成环境Simulink引言Simulink是MATLAB里的一个实现动态系统建模、仿真与分析的仿真集成环境软件工具包，是控制系统计算与仿真最先进的高效工具。本章首先对Simulink环境介绍，对功能模块做了说明，并给出一些示例。对如何建立子系统与模块封装、如何编写S函数也做了介绍。主要内容9.1Simulink概述9.2Simulink的基本界面操作9.3Simulink的功能模块及其操作9.3.1Simulink的功能模块9.3.2功能模块的基本操作9.3.3功能模块的连接操作9.4Simulink仿真环境的设置主要内容(续)9.5子系统及其封装技术9.5.1子系统的建立9.5.2子系统的封装9.6用Simulink建立系统模型示例9.7Simulink的高级应用——S—函数的编写本章小结9.1Simulink概述在Simulink帮助文档中，将其概括为ToolforModel-BasedDesign，ToolforSimulation，ToolforAnalysis。Simulink是对动态系统进行建模、仿真和综合分析的图形化软件。它可以处理线性和非线性系统，离散、连续和混合系统。也可以处理单任务和多任务系统，并支持具有多种采样频率的系统。9.1Simulink概述Simulink的图形化仿真方式，使其具有更直观形象、更简单方便与更灵活的优点。比如由Simulink创建的控制系统动态方框图模型，是系统最基本的直觉图形化形式，非常直观，容易理解。并且可以在仿真进行的同时，就看到仿真结果。这样可以大大简化设计流程，减轻设计负担和降低设计成本，提高工作效率。9.1Simulink概述Simulink内置有各种分析工具，如多种仿真算法、系统线性化、寻找平衡点等，都是非常先进而实用的。Simulink仿真的结果能够以变量的形式保存到MATLAB的工作空间，供做进一步的分析、处理和利用。它还可以将MATLAB工作空间中的数据导入到模型中。9.1Simulink概述更为优秀的是，Simulink具有开放的体系结构，允许用户自己开发各种功能的模块，无限制地添加到Simulink中，以满足不同任务的要求。9.2Simulink的基本界面操作Simulink启动命令窗口键入simulink工具栏上选相应图标基本操作在模块库中选择构建系统模型所需的模块直接拖放到所建立的系统模型窗口中按照系统的信号流程将各系统模块正确连接起来9.2Simulink的基本界面操作注：演示例1创建一个正弦信号的仿真模型。9.3Simulink功能模块及操作为便于仿真，Simulink模块库提供了丰富的功能模块。功能模块既可以通过右键点击左侧的子模块库选[Openthe**library]（**代表相应的子模块库名）打开，也可以直接双击右侧的子模块库查看。常用模块组（CommonlyUsedBlocks）CommonlyUsedBlocksOut11UnitDelayz1TerminatorSwitchSumSubsystemIn1Out1ScopeSaturationRelationalOperator=ProductMuxLogicalOperatorANDIntegrator1sGroundGain1Discrete-TimeIntegratorKTsz-1DemuxDataTypeConversionConvertConstant1BusSelectorBusCreatorIn11连续系统模块组（Continuous）Continuous-TimeLinearSystemsContinuous-TimeDelaysZero-Pole(s-1)s(s+1)VariableTransportDelayTiVariableTimeDelayToTransportDelayTransferFcn1s+1State-Spacex'=Ax+Buy=Cx+DuIntegrator1sDerivativedu/dt连续系统模块组（Continuous）Zero-Pole(withinitialstates)(s-1)s(s+1)Zero-Pole(withinitialoutputs)(s-1)s(s+1)TransferFcn(withinitialstates)1s+1TransferFcn(withinitialoutputs)1s+1State-Space(withinitialoutputs)x'=Ax+Buy=Cx+DuPIDController(withApproximateDerivative)PIDPIDControllerPID连续系统模块组（Continuous）Integrator：积分器模块，输出对输入时间积分。Derivative：微分器模块，输出对输入时间微分。State-Space：状态空间表达式模块，实现线性状态空间系统。TransferFcn：传递函数模块，实现线性传递函数。Zero-Pole：零极点函数模块，实现用零极点方式指定传递函数。TransportDelay：传输延迟模块，以固定的时间延迟输入。VariableTransportDelay：可变传输延迟模块，以变化的时间量延迟输入。VariableTimeDelay：可变时间延迟模块。非线性模块组（Discontinuities）DiscontinuitiesWrapToZeroSaturationDynamicupuloySaturationRelayRateLimiterDynamicupuloRateLimiterQuantizerHitCrossingDeadZoneDynamicupuloyDeadZoneCoulomb&ViscousFrictionBacklash非线性模块组（Discontinuities）Backlash：磁滞回环模块。Saturation：饱和非线性模块。SaturationDynamic：动态饱和非线性模块。DeadZone：死区非线性模块。DeadZoneDynamic：动态死区非线性模块。Relay：继电模块。Quantizer：量化模块。Coulomb&ViscousFriction：库伦与黏性摩擦非线性模块。RateLimiter：静态限制信号的变化速率。RateLimiterDynamic：动态限制信号的变化速率。HitCrossing：过零检测非线性模块。WraptoZero：环零非线性模块。离散系统模块组（Discrete）Sample&HoldDelaysDiscrete-TimeLinearSystemsZero-OrderHoldWeightedMovingAverageUnitDelayz1TransferFcnRealZeroz-0.75zTransferFcnLeadorLagz-0.75z-0.95TransferFcnFirstOrder0.05zz-0.95TappedDelay4DelaysMemoryIntegerDelay-4ZFirst-OrderHoldDiscrete-TimeIntegratorKTsz-1DiscreteState-Spacey(n)=Cx(n)+Du(n)x(n+1)=Ax(n)+Bu(n)DiscreteFilter11+0.5z-1DiscreteDerivativeK(z-1)TszDiscreteZero-Pole(z-1)z(z-0.5)DiscreteTransferFcn1z+0.5Differencez-1z离散系统模块组（Discrete）IdealizedADCquantizer(settings:12-bitconverterVmin:0,Vmax:5)AD12bitsDiscreteZero-Pole(withinitialstates)(z-1)z(z-0.5)DiscreteZero-Pole(withinitialoutputs)(z-1)z(z-0.5)DiscreteTransferFcn(withinitialstates)1z+0.5DiscreteTransferFcn(withinitialoutputs)1z+0.5离散系统模块组（Discrete）UnitDelay：单位时间延迟，延迟信号一个采样周期。DiscreteTransferFcn：离散系统的传递函数，实现离散传递函数。DiscreteZero-Pole：离散系统的零极点函数，实现离散零极点模型。DiscreteState-Space：离散系统的状态方程，实现离散状态空间系统。First-OrderHold：一阶保持器，实现一阶采样保持器。Zero-OrderHold：零阶保持器，实现零阶保持器。Memory：记忆模块，用于返回上一时刻值。DiscreteFilter：离散滤波器，实现IIR和FIR离散滤波器。数学运算模块组（MathOperations）Vector/MatrixOperationsMathOperationsComplexVectorConversionsWeightedSampleTimeMathu+TsVectorConcatenateUnaryMinus-uTrigonometricFunctionsinSumofElementsSumSubtractSqueezeSqueezeSliderGain1SineWaveFunctiontSignRoundingFunctionfloorReshapeU(:)Real-ImagtoComplexReImProductofElementsProductPolynomialP(u)O(P)=5PermuteDimensionsP:[2,1]MinMaxRunningResettableuRymin(u,y)MinMaxminMatrixConcatenate2MathFunctioneuMagnitude-AngletoComplex|u|uGain1DotProductDivideComplextoReal-ImagReImComplextoMagnitude-Angle|u|uBiasu+0.0AssignmentY0UYAAlgebraicConstraintf(z)zSolvef(z)=0AddAbs|u|数学运算模块组（MathOperations）Gain：增益函数模块，输入乘以一个常数，执行比例运算。SliderGain：可调增益函数模块。一般数学函数，如Add(求和函数)、Substract(减法函数)、Product(乘法函数)、Divide(除法函数)、Abs(绝对值函数)、Sign(符号函数)、TrigonometricFunction(三角函数)、RoundingFunction(取整函数)、Sum(求和函数)等。数学运算模块组（MathOperations）MathFunction：数据函数模块，包括指数函数，对数函数，求平方，开方等函数。AlgebraicConstraint：代数约束模块，强制输入信号为零。ComplextoReal-Imag：复数的实部虚部提取模块，输出复数输入信号的实数和虚数部分。ComplextoMagnitude-Angle：复数变换成幅值幅角的模块，输出复数输入信号的幅值和相位。输入源模块组（Sources）Model&SubsystemInputsSignalGeneratorsUniformRandomNumberStepSineWaveSignalBuilderSignal1SignalGeneratorRepeatingSequenceStairRepeatingSequenceInterpolatedRepeatingSequenceRando