第4章动态仿真集成环境-Simulink

第4章动态仿真集成环境-Simulink本章内容(1)Simulink简介；(2)模型的构造；(3)连续系统的数字仿真；Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速度的系统仿真。Simulink为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。对于用方框图所表示的系统，通过图形界面，利用鼠标点击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的模型图一样简单，它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。它不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN甚至和硬件之间的数据传递，大大地扩展了它的功能。6.1Simulink简介6.1.1Simulink的启动要启动Simulink必须先启动MATLAB。在MATLAB窗口中，有三种方法启动Simulink：(1)在MATLAB的命令窗口中，直接键入命令：simulink；(2)在MATLAB窗口的工具条中，单击Simulink的快捷启动按钮“”；(3)在MATLAB窗口的左下角“Start”菜单中，单击“Simulink”子菜单中的“LibraryBrowser”选项。启动Simulink后，便可显示如图6-1所示的Simulink库浏览窗口（SimulinkLibraryBrowser），窗口左边列出了该系统中所有安装的一个树状结构的仿真模块集或工具箱，同时右边显示当前左边所选仿真模块集或工具箱中所包含的标准模块库。Simulink库浏览窗口由功能菜单、工具栏和模块集或工具箱三大部分组成，创建系统模型时，将从这些仿真模块集或工具箱中利用鼠标复制标准模块到用户模型编辑窗口中。图6-1Simulink库浏览窗口6.1.2Simulink库浏览窗口的功能菜单为了充分利用仿真模块库(集)中的标准模块对控制系统进行有效的动态仿真，在Simulink库浏览窗口中设计了以下各个功能菜单。*File文件操作菜单New新建用户模型编辑窗口/模块库窗口Open打开用户模型编辑窗口Close关闭用户模型编辑窗口Preferences设置命令窗口的属性*Edit编辑菜单AddtotheCurrentModel增加到当前用户模型编辑窗口中FindBlock查找模块FindNextBlock查找下一个模块*View查看菜单Toolbar显示/关闭工具条开关StatusBar显示/关闭状态条开关Description显示/关闭描述窗口开关StayonTop位于上层Collapseentirebrowser压缩整个树状结构ExpandEntireBrowser展开整个树状结构LargeIcons大图标SmallIcons小图标ShowParametersforSelectedBlock显示所选模块参数Simulink库浏览窗口工具栏中的四个按钮“”分别用来创建一个新用户模型编辑窗口(Createanewmodel)、打开一个模型（Openamodel）、位于上层(StayonTop)和查找模块(FindBlock)。6.1.3仿真模块库（集）在Simulink库浏览窗口中，包含了由众多领域著名专家与学者以MATLAB为基础开发的大量实用模块集或工具箱，本书限于篇幅，仅介绍与动态仿真Simulink有关的几种模块集。1.Simulink模块集（Simulink）在Simulink库浏览窗口的Simulink节点上，通过单击鼠标右键后，便可打开如图6-2所示的Simulink模块集窗口Simulink模块集也由标题、功能菜单和标准模块库三部分组成。图6-2Simulink模块集窗口（1）Simulink的标准模块库在Simulink模块集中包含了以下几种标准模块库，用鼠标左键双击各个标准模块库的图标，便可打开相应的标准模块库，在各标准模块库中均包含一些相应的标准模块。模块名功能模块名功能In1输入接口RepeatingSequence重复序列Ground接地ChipSignal线性调频信号FromFile从文件读数据RandomNumber正态分布的随机数FromWorkspace从工作空间读数据UniformRandomNumber均匀分布的随机数Constant常量Band-limitedWhiteNoise带限白噪声SignalGenerator信号发生器RepeatingSequenceStairs阶梯状重复序列发生器PulseGenerator脉冲信号发生器RepeatingSequenceInterpolated内插式重复序列发生器SignalBuilder信号编译器CounterFree-Running无限计算器Ramp倾斜函数CounterLimited有限计算器SineWave正弦函数Clock时钟Step阶跃函数DigitalClock数字时钟表2-1模型转换函数1）信号源模块库(Sources)Sources库中所包含的各个标准模块及其功能如图6-3和表6-1所示。图6-3Sources标准模块库2）接收模块库(Sinks)Sinks库中所包含的各个标准模块及其功能如图6-4和表6-2所示。图6-4Sinks标准模块库模块名功能模块名功能Out1输出接口FloatingScope游离示波器Terminator接收终端XYGraph显示平面图形ToFile把数据输出到文件中Display数字显示器ToWorkspace把数据输出到工作空间中StopSimulation停止仿真Scope示波器表6-2Sinks标准模块及其功能3)连续系统模块库(Continuous)Continuous库中所包含的各个标准模块及其功能如图6-5和表6-3所示。图6-5Continuous标准模块库模块名功能模块名功能Integrator积分器Zero-Pole零极点函数Derivative微分器TransportTimeDelay传输延迟模块State-Space状态空间表达式VariableTimeDelay可变时间延迟模块TransferFcn传递函数VariableTransportDelay可变传输延迟模块表6-3Continuous标准模块及其功能4)离散系统模块库（Discrete）Discrete库中所包含的各个标准模块及其功能如图6-6和表6-4所示。图6-6Discrete标准模块库模块名功能模块名功能UnitDelay单位延迟DiscreteState-Space离散状态空间表达式IntegerDelay积分延迟TransferFcnFirstOrder一阶传递函数TappedDelay多抽头积分延迟模块TransferFcnRealZero带实零点的传递函数Discrete-TimeIntegrator离散时间积分器TransferFcnLeadorLag带零极点补偿器的传递函数DiscreteTransferFcn离散传递函数WeightedMovingAverage权值移动平均模型DiscreteFilter离散滤波器Memory记忆器DiscreteZero-Pole离散零极点函数First-OrderHold一阶保持器Difference差分环节Zero-OrderHold零阶保持器DiscreteDerivative离散微分环节表6-4Discrete标准模块及其功能5)非连续系统模块库（Discontinuities）Discontinuities库中所包含的各个标准模块及其功能如图6-7和表6-5所示。图6-7Discontinuities标准模块库模块名功能C模块名功能Saturation饱和非线性特性Backlash间隙非线性特性DeadZone死区非线性特性Relay继电器非线性特性RateLimiter限速非线性特性Quantizer量化非线性特性SaturationDynamic动态饱和非线性特性HitCrossing过零检测非线性特性DeadZoneDynamic动态死区非线性特性Coulomb&ViscousFriction库仑和黏性摩擦非线性特性RateLimiterDynamic动态限速非线性特性WrapToZero环零非线性特性表6-5Discontinuities标准模块及其功能6)信号路由模块库(SignalRouting)SignalRouting库中所包含的各个标准模块及其功能如图6-8和表6-6所示。图6-8SignalRouting标准模块库7)信号属性模块库(SignalAttributes)SignalAttributes库中所包含的各个标准模块及其功能如图6-9和表6-7所示。图6-9SignalAttributes标准模块库模块名功能C模块名功能DataTypeConversion数据类型转换SignalConversion信号转换DataTypeDuplicate数据类型复制BustoVector总线到向量DataTypePropagation数据类型继承SignalSpecification信号规范DataTypeScalingStrip数据类型缩放比例条Probe探测器DataTypeConversionInherited继承的数据类型转换WeightedSampleTime权值采样时间IC初始状态Width信号宽度RateTransition速率转换表6-7SignalAttributes标准模块及其功能8)数学运算模块库(MathOperations)MathOperations库中所包含的各个标准模块及其功能如图6-10和表6-8所示。图6-10MathOperations标准模块库模块名功能C模块名功能Sum求和Polynomial多项式求值Add加法MinMax求最小或最大值Subtract减法MinMaxRunningResettable带重置信号的求最小或最大值SumofElements元素和运算TrigonometricFunction三角函数运算模块Bias将输入加一个偏移SineWaveFunction正弦函数运算模块WeightedSampleTimeMath权值采样时间运算AlgebraicConstraint代数约束模块Gain比例运算Assignment将输入信号抑制为零SliderGain滑块增益Reshape改变输入信号的维数Product乘法Squeeze稀疏矩阵表6-8MathOperation标准模块及其功能模块名功能C模块名功能Divide除法MatrixConcatenation矩阵串联模块ProductofElements元素乘运算VectorConcatenation向量串联模块DotProduct点乘运算PermuteDimensions序列维数Sign符号运算ComplextoMagnitude-Angie将复数信号分解成幅值和相角Abs绝对值Magnitude-AngietoComplex转换幅值和相角为复数信号UnaryMinus一元减法ComplextoReal-Image将复数信号分解成实部和虚部MathFunction数学函数Real-ImagetoComplex转换实部和虚部为复数信号RoundingFunction圆整函数续表6-8MathOperation标准模块及其功能9)逻辑和位操作模块库(LogicandBitOperations)LogicandBitOperations库中所包含的各个标准模块及其功能如图6-11和表6-9所示。图6-11LogicandBitOperations标准模块库模块名功能C模块名功能LogicOperator逻辑运算BitwiseOperator逐位操作运算RelationalOperator关系运算ShiftArithmetic算术平移In