第三章SIMULINK環(huán)境建模和仿真,MATLAB于1990年推出Simulink，用于MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境，該軟件的名稱表明了該系統(tǒng)的兩個(gè)主要功能：Simu（仿真）和Link（連接），即該軟件可以進(jìn)行仿真和把一系列模型連接起來構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)，然后利用Simulink提供的功能來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。,第一節(jié)SIMULINK簡介,SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入。所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。,一、什么是SIMULINK,特點(diǎn)：SIMULINK是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。以調(diào)用模塊代替程序的編寫，以模塊連成的方框圖表示系統(tǒng)，點(diǎn)擊模塊可以完成模塊參數(shù)輸入，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)包括輸入、輸出和系統(tǒng)組成等模塊。系統(tǒng)方框圖畫完，設(shè)置仿真參數(shù)即可以啟動(dòng)仿真，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地完成仿真的初始化過程，將系統(tǒng)的框圖轉(zhuǎn)換為仿真的數(shù)學(xué)模型，建立仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并計(jì)算系統(tǒng)在給定激勵(lì)下的響應(yīng)。,系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和結(jié)果可以通過波形或曲線觀察，與在實(shí)驗(yàn)室中用示波器觀察的效果基本一致。如果系統(tǒng)方框圖繪制不完整或仿真過程中出現(xiàn)計(jì)算不收斂的情況，會(huì)給出一定的出錯(cuò)提示信息。SIMULINK環(huán)境中運(yùn)作的工具包很多，已覆蓋通信、控制、信號(hào)處理、電力系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，所涉內(nèi)容專業(yè)性極強(qiáng)。,二、SIMULINK的啟動(dòng),1、在MATLAB命令窗口中輸入simulink結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個(gè)稱為SimulinkLibraryBrowser的窗口，在這個(gè)窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。,2、在MATLAB的工具欄上點(diǎn)擊按鈕，可以直接打開SIMULINK,然后打開對應(yīng)的模型庫，查找模塊。,3、啟動(dòng)simulink后，在MATLAB的菜單欄中選擇File，在下拉菜單中的New選項(xiàng)中選擇Model，屏幕上會(huì)出現(xiàn)Simulink的工作窗口，標(biāo)題欄上“untitled”表示是一個(gè)尚未命名的新文件。,2、標(biāo)題欄下方是菜單欄，有File,Edit,View,Simulation,Format,Tolls,Help等七項(xiàng)主要功能菜單,三、SIMULINK模塊的操作,1、模塊的查找：打開SimulinkLibraryBrowser的窗口，在這個(gè)窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。利用窗口的滾動(dòng)條可以搜索所有的模塊庫，也可以根據(jù)模塊名搜索。,或者在MATLAB的工具欄上點(diǎn)擊按鈕，可以直接打開SIMULINK,然后打開對應(yīng)的模型庫，查找模塊。,三、SIMULINK模塊的操作,2、模塊的提取、復(fù)制和粘貼。3、模塊的移動(dòng)、放大和縮小。4、模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)。5、模塊名的修改和移動(dòng)。6、模塊的參數(shù)設(shè)置。7、模塊的刪除和恢復(fù)。8、模塊的連接。9、信號(hào)線的彎折、移動(dòng)和刪除。,SIMILINK模塊庫按功能進(jìn)行分類，包括以下子庫：Continuous（連續(xù)模塊）disontinuous（非線性模塊）Discrete（離散模塊）lookuptables(查詢表模塊)Mathoperations（數(shù)學(xué)模塊）Modelverification(模型檢測)Model-wideUtilities（模型擴(kuò)展功能模塊）Ports&Systems（端口和子系統(tǒng)模塊）Signalattributes(信號(hào)描述模塊)Signalrouting(信號(hào)路由模塊)Sinks（儀表儀器（輸出顯示）模塊）Sources（信號(hào)源模塊）User-definedfunctions(自定義模塊),1、Continuous（連續(xù)系統(tǒng)子模塊庫）Derivative：輸入信號(hào)微分Integrator：輸入信號(hào)積分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TransportDelay：輸入信號(hào)延時(shí)一個(gè)固定時(shí)間再輸出VariableTransportDelay：輸入信號(hào)延時(shí)一個(gè)可變時(shí)間再輸出Zero-Pole：以零極點(diǎn)表示的傳遞函數(shù)模型,2、Discontinuities（非線性系統(tǒng)子模塊庫）Backlash：間隙設(shè)定（模擬間隙非線性環(huán)節(jié)）Coulomb&ViscousFriction：庫侖粘滯摩擦信號(hào)（模擬非線性環(huán)節(jié)）DeadZone：設(shè)定死區(qū)范圍Switch：可控開關(guān)（根據(jù)門檻電壓，選擇開關(guān)的輸出）Quantizer；階梯信號(hào)（根據(jù)輸入產(chǎn)生階梯輸出信號(hào)）RateLimiter；斜坡函數(shù)（限制輸入信號(hào)的上升、下降率）Relay：滯環(huán)控制（模擬滯環(huán)特性的繼電器環(huán)節(jié)）Saturation：飽和限制（設(shè)置限幅值，模擬環(huán)節(jié)的飽和特性）,3、Discrete（離散系統(tǒng)子模塊庫）DiscreteTransfer-Fcn：離散傳遞函數(shù)模型DiscreteZero-Pole：以零極點(diǎn)表示的離散傳遞函數(shù)模型DiscreteFilter：離散濾波器（建立一個(gè)離散度濾波器）DiscreteState-Space：離散狀態(tài)方程Discrete-timeIntegrator：離散時(shí)間積分器First-OrderHold：一階保持器Memory：單步積分延遲，輸出為前一個(gè)輸入U(xiǎn)nitDelay：單位延遲（信號(hào)采樣后保持一個(gè)采樣周期后輸出）,4、FunctionandTables（函數(shù)與表格子模塊庫）Fan:自定義函數(shù)表達(dá)式Interpolation(n-D)usingPreLook-Up：根據(jù)輸入用內(nèi)插值運(yùn)算得到輸出Look-UpTable：給出輸入數(shù)據(jù)值，經(jīng)過插值計(jì)算得到輸出值返回Look-UpTable(2-D)：同上Look-UpTable(n-D)：同上S-Functionbuilder:創(chuàng)建一個(gè)s函數(shù)（用戶自己編寫的函數(shù)，可以將MATLAB語句、c語言等編寫的函數(shù)在Simulink中執(zhí)行）,5、MathOperations（數(shù)學(xué)模塊）Abs：取絕對值A(chǔ)lgebraicConstraint：輸出強(qiáng)制系統(tǒng)輸入為零的代數(shù)狀態(tài)Assignment：對信號(hào)進(jìn)行分配BitwiseLogicalOperator：按位邏輯運(yùn)算CombinatorialLogic：邏輯真值查找ComplextoMagnitude-Angle：輸出輸入復(fù)數(shù)的幅值與相位ComplextoReal-Imag：輸出系統(tǒng)輸入的實(shí)部或虛部DotProduct：點(diǎn)乘運(yùn)算Gain：比例運(yùn)算（信號(hào)增益）,6、Sinks（系統(tǒng)輸出子模塊庫）Display：以數(shù)值形式顯示輸入信號(hào)FloatingScope：懸浮信號(hào)顯示器（不需任何連線，可顯示任何指定信號(hào)）Out1：為子系統(tǒng)或其它模型提供輸出端口Scope：示波器（觀察輸入信號(hào)波形）StopSimulation：終止仿真（滿足條件預(yù)置條件時(shí)停止仿真）Terminator：信號(hào)終結(jié)器（終止信號(hào)，防止輸出信號(hào)無連接）ToFile(.mat)：將仿真輸出寫入(.mat)數(shù)據(jù)文件ToWorkspace：將仿真輸出寫入MATLAB的工作空間XYGraph：使用X、Y作變量輸出二維圖形,7、Sources（信號(hào)源子模塊庫）Band-LimitedWhiteNoise：有限帶寬白噪聲ChirpSignal：輸出頻率隨時(shí)間線性變換的正弦信號(hào)Clock：仿真時(shí)鐘信號(hào)Constant：常數(shù)信號(hào)（數(shù)值可設(shè)置）FromWorkspace：來自MATLAB的工作空間輸入數(shù)據(jù)FromFile(.mat)：來自數(shù)據(jù)文件.mat中輸入數(shù)據(jù)Ground：接地信號(hào)In1：為子系統(tǒng)或其它模型提供輸入端口,PulseGenerator：脈沖發(fā)生器Ramp：斜坡信號(hào)發(fā)生器RandomNumber：服從高斯分布的隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器RepeatingSequence：周期信號(hào)發(fā)生器SignalGenerator：信號(hào)發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦、方波、鋸齒波及隨意波。SignalBuilder：時(shí)序波形生成器SineWave：正弦波信號(hào)發(fā)生器Step：階躍波信號(hào)發(fā)生器UniformRandomNumber：服從均勻分布的隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器,五、SIMULINK下自定義子系統(tǒng)模塊,自定義子系統(tǒng)模塊有兩種方法：一種方法是采用Ports&Subsystems模塊庫中的Subsystem功能模塊，利用其編輯區(qū)設(shè)計(jì)組合新的功能模塊；另一種方法是將現(xiàn)有的多個(gè)功能模塊組合起來，形成新的功能模塊。對于很大的SIMULINK模型，通過自定義功能模塊可以簡化圖形，減少功能模塊的個(gè)數(shù)，有利于模型的分層構(gòu)建。,方法1將Ports&Subsystems模塊庫中的Subsystem功能模塊復(fù)制到打開的模型窗口中。雙擊Subsystem功能模塊，進(jìn)入自定義功能模塊窗口，從而可以利用已有的基本功能模塊設(shè)計(jì)出新的功能模塊。,方法2在模型窗口中建立所定義功能模塊的子模塊。用鼠標(biāo)將這些需要組合的功能模塊框住，然后選擇Edit菜單下的CreateSubsystem即可。,子系統(tǒng)模塊的封裝,封裝子系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：自定義子系統(tǒng)模塊及其圖標(biāo)。用戶雙擊封裝后的圖標(biāo)時(shí)顯示子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對話框。用戶自定義子系統(tǒng)模塊的幫助文檔。,上面提到的兩種方法都只是創(chuàng)建一個(gè)功能模塊，如果要命名該自定義模塊、對模塊進(jìn)行說明、選定模塊外觀、設(shè)定輸入數(shù)據(jù)窗口，則需要對其進(jìn)行封裝處理。,子系統(tǒng)模塊封裝方法首先選中Subsystem功能模塊，再打開Edit菜單中的MaskSubsystem進(jìn)入mask的編輯窗口，可以看出有3個(gè)標(biāo)簽頁。Icon：設(shè)定功能模塊的外觀。Initialization：設(shè)定輸入數(shù)據(jù)窗口。Documentation：設(shè)計(jì)該功能模塊的文字說明。,SimpowerSystem模型庫是專用于RLC電路、電力電子電路、電機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)仿真的模型庫。模型庫中包換交直流電源、電氣元器件、電工測量儀表，控制元器件等的模型。利用這些模型和其它工具箱的模型結(jié)合可以模擬組成電力電子系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電力拖動(dòng)系統(tǒng)等來進(jìn)行仿真研究。電力系統(tǒng)模型有兩種端口，一種用于連接主電路，一種用于連接控制信號(hào)。,六、電力系統(tǒng)模型庫,一、SIMULINK的仿真步驟,1、根據(jù)系統(tǒng)的框圖或者原理圖構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型,模型的特點(diǎn)在SIMULINK里提供了許多如Scope的接收器模塊，這使得用SIMULNK進(jìn)行仿真具有像做實(shí)驗(yàn)一般的圖形化顯示效果。SIMULINK的模型具有層次性，通過底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)。SIMULINK提供了對子系統(tǒng)進(jìn)行封裝的功能，用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標(biāo)和設(shè)置參數(shù)對話框。,第二節(jié)仿真模型的建立與仿真,查找需要的模塊建立模型,設(shè)置仿真模型中的模塊的參數(shù)。,設(shè)置系統(tǒng)的仿真參數(shù)和選擇解法。,設(shè)置系統(tǒng)的仿真參數(shù)和選擇解法。,設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法器，選擇Simulation菜單下的Parameters命令，就會(huì)彈出一個(gè)仿真參數(shù)對話框，它主要用三個(gè)頁面來管理仿真的參數(shù)。Solver頁，它允許用戶設(shè)置仿真的開始和結(jié)束時(shí)間，選擇解法器，說明解法器參數(shù)及選擇一些輸出選項(xiàng)。WorkspaceI/O頁，作用是管理模型從MATLAB工作空間的輸入和對它的輸出。Diagnostics頁，允許用戶選擇Simulink在仿真中顯示的警告信息的等級(jí)。,算法參數(shù)設(shè)置（Solver）,此頁可以進(jìn)行的設(shè)置有：選擇仿真開始和結(jié)束的時(shí)間；選擇解法器，并設(shè)定它的參數(shù)；選擇輸出項(xiàng)。仿真時(shí)間：注意這里的時(shí)間概念與真實(shí)的時(shí)間并不一樣，只是計(jì)算機(jī)仿真中對時(shí)間的一種表示，比如10秒的仿真時(shí)間，如果采樣步長定為0.1，則需要執(zhí)行100步，若把步長減小，則采樣點(diǎn)數(shù)增加，那么實(shí)際的執(zhí)行時(shí)間就會(huì)增加。Simulink默認(rèn)的仿真開始時(shí)間為0，結(jié)束時(shí)間為10s。實(shí)際中可根據(jù)需要設(shè)置合適的仿真時(shí)間?？偟恼f來，執(zhí)行一次仿真要耗費(fèi)的時(shí)間依賴于很多因素，包括模型的復(fù)雜程度、解法器及其步長的選擇、計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的速度等等。,2）仿真步長模式：用戶在Type后面的第一個(gè)下拉選項(xiàng)框中指定仿真的步長選取方式，可供選擇的有Variable-step（變步長）和Fixed-step（固定步長）方式。變步長模式可以在仿真的過程中改變步長，提供誤差控制和過零檢測。固定步長模式在仿真過程中提供固定的步長，不提供誤差控制和過零檢測。用戶還可以在第二個(gè)下拉選項(xiàng)框中選擇對應(yīng)模式下仿真所采用的算法。,步長參數(shù)：對于變步長模式，用戶可以設(shè)置最大的和推薦的初始步長參數(shù)，缺省情況下，步長自動(dòng)地確定，它由值auto表示。Maximumstepsize（最大步長參數(shù)）：它決定了解法器能夠使用的最大時(shí)間步長，它的缺省值為“仿真時(shí)間/50”，即整個(gè)仿真過程中至少取50個(gè)取樣點(diǎn)，但這樣的取法對于仿真時(shí)間較長的系統(tǒng)則可能帶來取樣點(diǎn)過于稀疏，而使仿真結(jié)果失真，或造成仿真輸出曲線的不光滑。一般建議對于仿真時(shí)間不超過15s的采用默認(rèn)值即可，對于超過15s的每秒至少保證5個(gè)采樣點(diǎn)，對于超過100s的，每秒至少保證3個(gè)采樣點(diǎn)。Initialstepsize（初始步長參數(shù)）：一般建議使用“auto”默認(rèn)值即可。,仿真精度（對于變步長模式）Relativetolerance（相對誤差）：它是指誤差相對于狀態(tài)的值，是一個(gè)百分比，缺省值為1e-3，表示狀態(tài)的計(jì)算值要精確到0.1%。Absolutetolerance（絕對誤差）：表示誤差值的門限，或者是說在狀態(tài)值為零的情況下，可以接受的誤差。如果它被設(shè)成了auto，那么simulink為每一個(gè)狀態(tài)設(shè)置初始絕對誤差為1e-6。,仿真數(shù)據(jù)的輸入輸出設(shè)置（WorkspaceI/O）,此頁主要用來設(shè)置SIMULINK與MATLAB工作空間交換數(shù)值、解決數(shù)值存取的有關(guān)選項(xiàng)。,仿真中異常情況的診斷（Diagnostics）,能自動(dòng)診斷22種異常情況，例如：Algebraicloop：代數(shù)環(huán)異常，即無慣性、無延遲，環(huán)中每個(gè)模塊輸入與輸出間都包含代數(shù)關(guān)系。它會(huì)大大減慢仿真速度，進(jìn)而可能導(dǎo)致仿真失敗。Minstepsizeviolation：最小步長欠小，表明微分方程解法器為達(dá)到指定精度需要更小的步長，但這是解法器所不允許的。須采用更高階解法器。Unconnectedblockinput：模塊輸入懸空Unconnectedblockoutput：模塊輸出懸空Unconnectedline：信號(hào)線未接,4、啟動(dòng)仿真5、觀測仿真結(jié)果。,