Simulink仿真基礎

Simulink的特點

豐富的可擴充的預定義模塊庫

交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖

以設計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復雜設計的管理

通過Model Explorer 導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼

提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成

使用Embedded MATLAB? 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調用MATLAB算法

使用定步長或變步長運行仿真，根據仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型

圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為

可訪問MATLAB從而對結果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據

模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤

Simulink的操作界面

在MATLAB命令窗口鍵入simulink，或者在工具欄上點擊，或者點擊左下方的按鈕“Start”→“Simulink”→“Library Browser”即可打開Simulink Library Browser，如圖A-9所示。繼續(xù)點擊該窗口中的“new”按鈕，即可打開一個空白的模型窗口。此時就可以再模型窗口中建立模型并進行仿真工作，如圖A-10所示。

Simulink基本操作

1 Simulink的功能模塊庫

為了便于仿真建模，Simulink模塊庫提供了豐富的功能模塊，這些功能模塊分屬于不同功能、不同類別的子模塊庫。下面對Simulink的主要功能模塊庫進行簡要介紹。

通用模塊庫（Commonly Used Block）：該模塊庫是由其他模塊庫中的一些常用模塊組成，主要是方便用戶，利于提高建模速度。

(1) 連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Continuous）：該模塊庫提供了連續(xù)系統(tǒng)運算功能的多種模塊，如積分器模塊、傳遞函數(shù)模塊。

(2) 非線性系統(tǒng)模塊庫（Discontinuous）：該模塊庫提供了常用的非線性模塊，如繼電器模塊、磁滯回環(huán)模塊。

(3) 離散系統(tǒng)模塊庫（Discrete）：該模塊庫中提供了常用的線性離散模塊，如離散濾波器模塊、一階保持器模塊。

(4) 數(shù)學運算模塊庫（Math operations）:該模塊庫中提供了包括數(shù)學運算、關系運算、復數(shù)運算等多種用于數(shù)學運算的模塊，如加法模塊、乘法模塊、常用數(shù)學函數(shù)模塊。

(5) 信號路徑模塊庫（Signal routing）：該模塊庫提供了信號在模型中流動的各種路徑通道的選擇，包括信號的分離、匯合以及通道選擇等模塊。

(6) 輸出模塊庫（Sinks）:該模塊庫提供了各種功能的輸出模塊，包括圖形顯示和數(shù)據存儲等，如示波器模塊、工作空間寫入模塊、數(shù)字顯示模塊。

(7) 信號源模塊庫（Sources）:該模塊庫提供了仿真系統(tǒng)的輸入信號源，如時間信號模塊、讀工作空間模塊、正弦波輸入模塊。

2 Simulink模塊的基本操作

對模塊的基本操作主要對其外在狀態(tài)的操作（如移動位置、改變大小等），也有對其能在屬性的設定（如參數(shù)設定、輸入輸出信號設定等）。

(1) 添加模塊到模型窗口

在模塊庫中選擇模塊，然后右鍵，選擇【Add to xxx】，即可添加模塊到“xxx”模型窗口，此外也可選中模塊后直接拖動到模型窗口。

(2) 模塊間連線

將鼠標指向連線的起點，光標變?yōu)槭趾?，按下鼠標左鍵并拖動到連線終點即可；也可以先選定連線起點模塊，再按下【Ctrl】鍵保持不放，再點擊連線終點模塊。若要從一個連線起點連到多個連線終點，則先按上述方法連好一根線，在將光標移至該信號線上的某點，再按下鼠標右鍵保持不放，或者按住【Ctrl】鍵保持不放，拖動鼠標到需要連線的終點。模塊間的連線不能實現(xiàn)多個連線起點連到一個連線終點。

(3) 模塊的移動

若要帶線移動，則選中模塊，按住鼠標左鍵不放，將其拖到所需位置；若要脫離線而移動，可按住【Shift】鍵，再將其拖到所需位置。

(3) 模塊的剪切、復制和粘貼

選中模塊，再用按鍵【Ctrl + X】、【Ctrl + C】和【Ctrl + V】可分別實現(xiàn)剪切、復制和粘貼。此外按住鼠標右鍵進行拖動，也可復制出相同的功能模塊。

(4) 改變模塊的大小

選中模塊，對模塊的四個角出現(xiàn)的黑色標記進行拖動即可改變大小。此外，用按鍵【Shift +R】和【Shift +V】可以分別放大和縮小整個模型窗口中的模塊。

(5) 模塊參數(shù)設定

用鼠標雙擊模塊，就可以進入模塊的參數(shù)設定窗口，從而對模塊進行參數(shù)設定。參數(shù)設定窗口包含了該模塊的基本功能幫助，為獲得更詳盡的幫助，可以點擊其上的Help按鈕。通過對模塊的參數(shù)設定，就可以獲得需要的功能模塊。

(6) 模塊屬性設定

選中模塊，打開【Edit】菜單的【Block Properties】可以對模塊進行屬性設定。包括Description屬性、Priority優(yōu)先級屬性、Tag屬性、Open function屬性、Attributes format string屬性。其中Open function屬性是一個很有用的屬性，通過它指定一個函數(shù)名，則當該模塊被雙擊之后，Simulink就會調用該函數(shù)執(zhí)行，這種函數(shù)在MATLAB中稱為回調函數(shù)。

SIMULINK模塊庫按功能進行分類，包括以下8類子庫：

Continuous（連續(xù)模塊）

Discrete（離散模塊）

Function&Tables（函數(shù)和平臺模塊）

Math（數(shù)學模塊）

Nonlinear（非線性模塊）

Signals&Systems（信號和系統(tǒng)模塊）

Sinks（接收器模塊）

Sources（輸入源模塊）

連續(xù)模塊（Continuous） continuous.mdl

Integrator：輸入信號積分

Derivative：輸入信號微分

State-Space：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型

Transfer-Fcn：線性傳遞函數(shù)模型

Zero-Pole：以零極點表示的傳遞函數(shù)模型

Memory：存儲上一時刻的狀態(tài)值

Transport Delay：輸入信號延時一個固定時間再輸出

Variable Transport Delay：輸入信號延時一個可變時間再輸出

離散模塊（Discrete） discrete.mdl

Discrete-time Integrator：離散時間積分器

Discrete Filter：IIR與FIR濾波器

Discrete State-Space：離散狀態(tài)空間系統(tǒng)模型

Discrete Transfer-Fcn：離散傳遞函數(shù)模型

Discrete Zero-Pole：以零極點表示的離散傳遞函數(shù)模型

First-Order Hold：一階采樣和保持器

Zero-Order Hold：零階采樣和保持器

Unit Delay：一個采樣周期的延時

Function&Tables（函數(shù)和平臺模塊） function.mdl

Fcn：用用戶自定義的函數(shù)（表達式）進行運算

MATLAB Fcn：利用matlab的現(xiàn)有函數(shù)進行運算

S-Function：調用自編的S函數(shù)的程序進行運算

Look-Up Table：建立輸入信號的查詢表（線性峰值匹配）

Look-Up Table(2-D)：建立兩個輸入信號的查詢表（線性峰值匹配）

Math（數(shù)學模塊） math.mdl

Sum：加減運算

Product：乘運算

Dot Product：點乘運算

Gain：比例增益運算

Math Function：包括指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、求平方、開根號等常用數(shù)學函數(shù)

Trigonometric Function：三角函數(shù)，包括正弦、余弦、正切等

MinMax：最值運算

Abs：取絕對值

Sign：符號函數(shù)

Logical Operator：邏輯運算

Relational Operator：關系運算

Complex to Magnitude-Angle：由復數(shù)輸入轉為幅值和相角輸出

Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角輸入合成復數(shù)輸出

Complex to Real-Imag：由復數(shù)輸入轉為實部和虛部輸出

Real-Imag to Complex：由實部和虛部輸入合成復數(shù)輸出

Nonlinear（非線性模塊） nonlinear.mdl

Saturation：飽和輸出，讓輸出超過某一值時能夠飽和。

Relay：滯環(huán)比較器，限制輸出值在某一范圍內變化。

Switch：開關選擇，當?shù)诙€輸入端大于臨界值時，輸出由第一個輸入端而來，否則輸出由第三個輸入端而來。

Manual Switch：手動選擇開關

Signal&Systems（信號和系統(tǒng)模塊） sigsys.mdl

In1：輸入端。

Out1：輸出端。

Mux：將多個單一輸入轉化為一個復合輸出。

Demux：將一個復合輸入轉化為多個單一輸出。

Ground：連接到沒有連接到的輸入端。

Terminator：連接到沒有連接到的輸出端。

SubSystem：建立新的封裝（Mask）功能模塊

Sinks（接收器模塊） sinks.mdl

Scope：示波器。

XY Graph：顯示二維圖形。

To Workspace：將輸出寫入MATLAB的工作空間。

To File(.mat)：將輸出寫入數(shù)據文件。

Sources（輸入源模塊） sources.mdl

Constant：常數(shù)信號。

Clock：時鐘信號。

From Workspace：來自MATLAB的工作空間。

From File(.mat)：來自數(shù)據文件。

Pulse Generator：脈沖發(fā)生器。

Repeating Sequence：重復信號。

Signal Generator：信號發(fā)生器，可以產生正弦、方波、鋸齒波及隨意波。

Sine Wave：正弦波信號。

Step：階躍波信號。

Ramp: 斜坡信號。

3 Simulink的仿真配置

選擇模型窗口工具欄中的【Simulation】菜單下的【Configuration Parameters】就會彈出配置參數(shù)界面，如圖A-11所示。在此界面中允許用戶設置仿真控制參數(shù)。

用戶可以在【Simulation time】中可以仿真開始時間和最大結束時間，在【Solver option】中可以選擇和設置解算器。解算器有兩種類型（Type）：變步長類型和固定步長類型。為了保證精度，一般建議選擇變步長類型。在不同類型下對應有不同的算法（Solver），如ode45、ode23等，用戶可以選擇不同的算法進行仿真分析。對于不同的解算器類型都對應有不同的參數(shù)設置，如變步長類型模式下的最大步長、最小步長、相對誤差和絕對誤差等。

Simulink系統(tǒng)建模示例

【例1】觀察單位階躍函數(shù)經慣性環(huán)節(jié)后的仿真曲線，傳遞函數(shù)模型為

打開Simulink，新建空白模型窗口。

在信號源模塊庫（Sources）中選擇階躍輸入模塊（Step），在輸出模塊庫（Sinks）中選擇示波器模塊（Scope），在連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Continuous）中選擇傳遞函數(shù)模塊（Transfer Fcn），并逐個拖入模型窗口。雙擊Step模塊，設置其屬性如圖A-12。

雙擊Scope模塊，彈出如圖A-13，點擊左上方的屬性按鈕 Parameters，彈出對話框，設置屬性如圖A-14。