第3章
Simulink仿真



3.1Simulink應(yīng)用環(huán)境


3.1.1Simulink簡介

Simulink是由美國MathWorks軟件公司在二十世紀(jì)九十年代開發(fā)的，為MATLAB提供的控制系統(tǒng)模型圖形輸入仿真工具，它是MATLAB的重要組成部分，是一個基于信號流圖的動態(tài)仿真系統(tǒng)，用于模擬系統(tǒng)的特性和響應(yīng)，對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，可以根據(jù)使用和設(shè)計要求，對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、修改和優(yōu)化。Simulink可以用于線性和非線性系統(tǒng)的仿真，并能用于設(shè)計連續(xù)時間、離散時間或二者混合的系統(tǒng)，同時也支持多采樣頻率系統(tǒng)。總之，Simulink具有相對獨(dú)立的功能和使用方法。

在一些實(shí)際工程應(yīng)用中，若實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，導(dǎo)致常規(guī)的建模方法不適用，這時，就可以采用功能完善的Simulink工具箱來建立此類系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。Simulink工具箱具有兩個重要功能：Simu(仿真)與Link(連接)，也就是可以利用鼠標(biāo)在模型窗口上“畫”出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用Simulink提供的功能來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真或線性化分析。

Simulink同時提供了圖形化用戶界面(GUI)，可將系統(tǒng)分為從高級到低級的幾個層次，每層又可以細(xì)分為幾個部分，每層子系統(tǒng)構(gòu)建完成后，將各層連接起來就可構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。

在系統(tǒng)模型創(chuàng)建完成后，運(yùn)行仿真，啟動系統(tǒng)內(nèi)置的分析工具來分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。仿真結(jié)果的保存有兩種：一種用示波器來顯示輸出波形，另一種是以變量形式保存輸出結(jié)果，并可以將輸出變量重新輸入到MATLAB中完成進(jìn)一步的分析。

MATLAB提供的實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模仿真的強(qiáng)大功能的Simulink軟件包，使用戶把精力從復(fù)雜的程序編寫轉(zhuǎn)向簡便的模型構(gòu)建。

與MATLAB的其他各種工具箱相比較，Simulink具有特別的結(jié)構(gòu)和使用方法。一般工具箱只是面向某一學(xué)科，根據(jù)學(xué)科知識與要求，采用MATLAB語言進(jìn)行程序編寫，然后把程序包集中起來，而Simulink卻是從底層開發(fā)出來的，它是一個完整且相對獨(dú)立的仿真環(huán)境和圖形界面。

在MATLAB中，文本窗口用于編程（如M文件編輯器），圖形窗口只是用來顯示，而在Simulink的圖形窗口中，可以用事先定義好的模塊框圖的繪制來代替文本程序的編寫，這些模塊框圖的屬性可以進(jìn)行設(shè)置。用戶只需使用鼠標(biāo)，就可以非常簡單地完成系統(tǒng)模型的創(chuàng)建、調(diào)試和仿真甚至設(shè)計。

使用Simulink的三大步驟如下：

(1) 模型創(chuàng)建與定義：通過分析系統(tǒng)，對其進(jìn)行建模；

(2) 模型的分析：在Simulink中對模型進(jìn)行仿真，分析模型與系統(tǒng)的關(guān)系；

(3) 模型的修正：根據(jù)仿真結(jié)果對模型進(jìn)行修正。

通過重復(fù)執(zhí)行上述三大步驟就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。

3.1.2Simulink工具箱的運(yùn)行

1. Simulink的運(yùn)行步驟

Simulink的運(yùn)行步驟如圖3��1所示。


圖3��1Simulink的運(yùn)行步驟



先打開Simulink，然后打開模型創(chuàng)建窗口，在模塊庫中選擇模塊輸入到模型創(chuàng)建窗口。

1) 打開Simulink的三種方式

(1) 在命令窗口中鍵入Simulink命令。

(2) 在命令窗口下點(diǎn)擊Simulink圖標(biāo)。

(3) File→New→Model。

打開Simulink庫瀏覽器(SimulinkLibrary Browser)窗口后，先觀察simulink樹狀列表形式的模塊庫，它包含了simulink模塊庫中的各種模塊 。

2) 打開模型創(chuàng)建窗口

在工具欄中選擇建立新模型圖標(biāo)(Create a new model)，彈出名為Untitled的空白窗口，如果要完成已有模型的調(diào)試、修改，可以選擇Open圖標(biāo)打開存于硬盤中已建立的模型。

3) 選擇建模模塊

首先展開Simulink庫瀏覽器左側(cè)模塊庫樹狀列表，然后用鼠標(biāo)單擊模塊項，所選模塊類的具體模塊就在庫瀏覽器的右側(cè)列表顯示出來。如果用戶知道建模模塊的名稱時，也可以在輸入欄中鍵入模塊名，點(diǎn)擊Find按鍵進(jìn)行查找。

2. 打開一個模型

打開一個存在的模型其步驟如下。

(1) 在SimulinkLibrary Browser中選擇File→Open，出現(xiàn)了打開對話框。

(2) 選擇你想要的模型(.md1文件），然后點(diǎn)擊Open，在模型窗口中軟件打開了一個選擇的模型。

3.1.3常用模塊介紹

Simulink軟件提供16種標(biāo)準(zhǔn)的模塊庫，下面的表格描述了每種模塊庫的功能。表3��1所示為Simulink標(biāo)準(zhǔn)模塊庫。




表3��1Simulink標(biāo)準(zhǔn)模塊庫




序號
模塊庫(Block Library)
描述 (Description)

1
通用模塊

(Commonly Used Blocks)
包含最通常用的模塊，例如Constant， In1， Out1， Scope和Sum模塊。這個庫的模塊也包含在其他庫里。
2
連續(xù)系統(tǒng)模塊

(Continuous)
具有模擬線性功能的模塊，例如Derivative and Integrator模塊。
3
非連續(xù)模塊

(Discontinuities)
具有模擬非線性功能的模塊，例如Saturation模塊。
4
離散系統(tǒng)模塊

(Discrete)
能代表離散功能的模塊，例如Unit Delay模塊。
5
邏輯和位操作模塊

(Logic and Bit Operations)
包含了能執(zhí)行邏輯和大型運(yùn)算的模塊，例如Logical Operator and Relational Operator模塊。
6
查找表模塊

(LookUp Tables)
使用檢查表格來確定他們的輸出是否從輸入得來的模塊，例如Cosine and Sine模塊。
7
數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊

(Math Operations)
具有數(shù)學(xué)和邏輯功能的模塊，例如Gain， Product和 Sum模塊。
8
模型檢測模塊

(Model Verification)
能創(chuàng)建自我驗(yàn)證模型的模塊，例如Check Input Resolution模塊。
9
模型擴(kuò)充模塊

(Model�瞁ide Utilities)
能提供模型信息的模塊，例如Model Info模塊。
10
端口和子系統(tǒng)模塊

(Ports & Subsystems)
能創(chuàng)建子系統(tǒng)的模塊，例如In1、Out1和Subsystem模塊。
11
信號屬性模塊

(Signal Attributes)
能修改信號屬性的模塊，例如Data Type Conversion模塊。
12
信號線路模塊

(Signal Routing)
能從模塊表的一點(diǎn)發(fā)送信號到另一點(diǎn)的模塊，例如Mux和Switch模塊。
13
輸出模塊

(Sinks)
能展示和輸出最后結(jié)果的模塊，例如Out1和Scope模塊。
14
信號源模塊

(Sources)
能產(chǎn)生或者是輸入系統(tǒng)輸入的模塊，例如Constant、In1和Sine Wave模塊。
15
用戶自定義函數(shù)模塊

(User�睤efined Functions)
能定義習(xí)慣功能的模塊，例如Embedded MATLABTM Function模塊。
16
附加數(shù)學(xué)與離散模塊

(Additional Math & Discrete)
為數(shù)學(xué)和離散功能模塊添加的兩個庫。

在這16個標(biāo)準(zhǔn)模塊庫中，自動控制系統(tǒng)仿真時所用到的模塊主要有連續(xù)系統(tǒng)模塊、離散系統(tǒng)模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊、輸出模塊、信號源模塊和用戶自定義函數(shù)模塊等。