第8章SIMULINK交互式仿真環(huán)境8 1SMULINK仿真工具簡介8 1 1SIMULINK仿真工具概述SIMULINK是Mathworks開發(fā)的MATLAB里的工具箱之一 主要功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模 仿真與分析 從而可以在實際系統(tǒng)制作出來之前 預(yù)先對系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析 并可以對系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)膶崟r修正或者按照仿真的最佳效果來調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù) 以提高系統(tǒng)的性能 減少設(shè)計系統(tǒng)過程中反復(fù)修改的時間 實現(xiàn)高效率地開發(fā)系統(tǒng)的目標(biāo) Mathworks從MATLAB4 0版開始應(yīng)用SIMULINK 當(dāng)時它放在MATLAB4 0版的核心執(zhí)行文件中 在MATLAB4 2及以后的版本中 SIMULINK則以MATLAB里的工具包形式單獨(dú)出現(xiàn) 即需單獨(dú)安裝 在MATLAB6 1版中 SIMULINK則升級為4 1版 SIMULINK是用來建模 分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境 包括連續(xù)系統(tǒng) 離散系統(tǒng)和混雜系統(tǒng) SIMULINK提供了采用鼠標(biāo)拖放的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形交互界面 通過SIMULINK提供的豐富的功能塊 可以迅速地創(chuàng)建系統(tǒng)的模型 不需要書寫一行代碼 1 交互建模SIMULINK提供了大量的功能模塊以方便用戶快速地建立動態(tài)系統(tǒng)模型 建模時只需使用鼠標(biāo)拖動庫中的功能模塊并將它們連接起來 使用者可以通過將模塊組成子系統(tǒng)來建立多級模型 SIMULINK對模塊和連接的數(shù)目沒有限制 2 交互仿真SIMULINK框圖提供了交互性很強(qiáng)的非線性仿真環(huán)境 可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真 或使用命令行進(jìn)行批處理 仿真結(jié)果可以在運(yùn)行的同時通過示波器或圖形窗口顯示 3 擴(kuò)充和定制SIMULINK的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)展仿真環(huán)境的功能 1 用MATLAB FORTRAN和C代碼生成自定義塊庫 并擁有自己的圖標(biāo)和界面 2 將用戶原有FORTRAN或C語言編寫的代碼連接進(jìn)來 4 與MATLAB和工具箱的集成由于SIMULINK可以直接利用MATLAB的數(shù)學(xué) 圖形和編程功能 用戶可以直接在SIMULINK下完成諸如數(shù)據(jù)分析 過程自動化 優(yōu)化參數(shù)等工作 工具箱提供的高級的設(shè)計和分析能力可以通過SIMULINK的屏蔽手段在仿真過程中執(zhí)行 5 專用模型庫 Blocksets SIMULINK的模型庫可以通過專用元件集進(jìn)一步擴(kuò)展 DSPBlockset可以用于DSP算法的開發(fā) Fixed PointBlockset擴(kuò)展了SIMULINK 用于建立和模擬數(shù)字控制系統(tǒng)和數(shù)字濾波器 8 1 2SIMULINK啟動與界面說明1 啟動啟動SIMULINK有如下兩種方法 在MATLAB的命令窗口中鍵入simulink Enter 就可以打開SIMULINK的庫瀏覽器 在MATLAB的工具欄中 按下Simulink按鈕 也可以打開SIMULINK的庫瀏覽器 2 界面說明在SIMULINK界面的上方是標(biāo)題欄和菜單欄 菜單欄的下面是常用按鈕及待查關(guān)鍵字填寫欄 在關(guān)鍵字填寫欄輸入要查找的關(guān)鍵字并回車 就可以查到相應(yīng)功能模塊 常用按鈕的下面是對所選模塊對象的文字說明 在界面的下面分為兩部分 左邊部分顯示的是全部模塊庫 在這里可以選擇需要的模塊庫 右邊部分顯示選中的模塊庫中所有的模塊 3 SIMULINK的功能模塊SIMULINK4 1提供了9個基本模塊庫 即Continuous 連續(xù)系統(tǒng)模塊庫 Discrete 離散系統(tǒng)模塊庫 Function Table 函數(shù)與表模塊庫 Math 數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫 Nonlinear 非線性模塊庫 Signals System 信號與系統(tǒng)模塊庫 Sinks 輸出模塊庫 Sources 輸入源模塊庫 Subsystem 子系統(tǒng)模塊庫 等標(biāo)準(zhǔn)模塊庫 關(guān)于這些模塊的名稱與功能可參見教材的表8 1 表8 6 8 2SMULINK基本操作8 2 1模型窗口 untitled 窗口即無標(biāo)題的空白窗口 是SIMULINK仿真工具用來繪制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模型的空白設(shè)計區(qū) 模型窗口中有7個主菜單項 每個主菜單項都有下拉菜單 菜單項的下面是工具欄 工具欄的下面空白處就是模型編輯窗口 使用者可以在此處編輯系統(tǒng)的仿真模型 通常 打開 untitled 模型窗口通常有四種方法 1 直接從命令窗中選取 File New Model 命令 MATLAB會打開一個新的 untitled 模型窗口 2 在MATLAB命令窗口下輸入simulink命令 打開SIMULINK模塊庫瀏覽器窗口 然后再按 新建 按鈕創(chuàng)建一個新 untitled 模型窗口 3 在指令窗口下左鍵單擊 NewSimulinkModel 按鈕 再按 新建 按鈕創(chuàng)建一個新的 untitled 模型窗口 4 如果方框圖模型已經(jīng)存在 那么在MATLAB指令窗下直接鍵入模型文件名字 便會直接打開該模型方框圖的模型窗口 用戶可以對它直接進(jìn)行編輯 修改和仿真 還可以在已打開的模型窗口里按按鈕創(chuàng)建一個新 untitled 模型窗口 8 2 2模塊的處理每個模塊庫中的功能模塊 都可以直接用鼠標(biāo)拖曳到設(shè)計區(qū)域中 再用線將其連接后執(zhí)行 此外 還可以對模塊進(jìn)行處理 如模塊的移動 復(fù)制 轉(zhuǎn)向 改變大小 模塊命名 顏色設(shè)定等等 1 選中模塊在MATLAB中 選中模塊的方法有兩種 1 用鼠標(biāo)左鍵單擊待選模塊 模塊四個角處出現(xiàn)小黑塊 表示已經(jīng)選中 2 如果選擇一組模塊 可以按住鼠標(biāo)左鍵拉出一個矩形虛線框 將所有待選模塊框在其中 然后松開左鍵 則矩形里所有的模塊 每個模塊四個角處都出現(xiàn)小黑塊 表示所有模塊同時被選中 當(dāng)要選中多個模塊時 也可以按住 shift 鍵 單擊鼠標(biāo)左鍵 逐個選取 2 復(fù)制模塊模塊的拷貝包括兩種情況 即 從模塊庫中將標(biāo)準(zhǔn)模塊拷貝到模型窗口 untitled 里 在 untitled 模型窗口里拷貝模塊 從模塊庫中拷貝標(biāo)準(zhǔn)模塊的操作方法是 在模塊庫用鼠標(biāo)左鍵選中模塊 按住鼠標(biāo)左鍵不放將所選模塊拖曳到 untitled 模型窗口里的目標(biāo)位置 松手放開鼠標(biāo)左鍵 即完成模塊從庫中的拷貝 對于同一標(biāo)準(zhǔn)模塊或者不同的模塊均可以多次重復(fù)這樣的拷貝操作 在 untitled 模型窗口里拷貝模塊的有如下三種方法 1 首先選中待拷貝模塊 運(yùn)行 Edit Copy 命令 然后將光標(biāo)移到將粘貼的地方 按一下鼠標(biāo)左鍵 看到選定的模塊恢復(fù)原狀 在選定的位置上再運(yùn)行 Edit Paste 命令即可 新復(fù)制的模塊和原裝模塊的名稱也會自動編號 以資區(qū)別 2 另一種簡單的復(fù)制操作是 先按下 Ctrl 鍵不放 然后將鼠標(biāo)移到模塊對象上 注意看鼠標(biāo)指針 如果多了一個小小的 加號 表示可以復(fù)制了 用鼠標(biāo)拖曳到目的位置后 松開鼠標(biāo)左鍵 便完成拷貝工作 3 還有一種更為特別的簡單復(fù)制操作 用鼠標(biāo)指向待拷貝模塊對象 按住鼠標(biāo)右鍵不放 將鼠標(biāo)拖曳到目的地 放開鼠標(biāo)右鍵 即可復(fù)制一個功能模塊 3 模塊的移動模塊移動操作非常簡單 將光標(biāo)置于待移動模塊圖標(biāo)上 然后按住鼠標(biāo)左鍵不放 將模塊圖標(biāo)拖曳到目的地 放開鼠標(biāo)左鍵 模塊移動完成 注意 移動模塊時 與其相連的連線也隨之移動 4 模塊的刪除和粘貼對選中的模塊的刪除和粘貼可以操作 1 按 Delete 鍵 把選定模塊刪除 2 選擇 Edit Cut 命令后 便將選定模塊移到Windows的剪粘貼板上 再用 Paste 命令重新粘貼 5 改變模塊對象的大小用鼠標(biāo)選擇對象模塊圖標(biāo) 再將鼠標(biāo)移到模塊對象四周的控制小塊處 鼠標(biāo)指針將會變成或形狀 此時按住鼠標(biāo)左鍵不放 拖曳鼠標(biāo) 待對象圖標(biāo)大小符合要求時即放開鼠標(biāo)左鍵 這樣就可改變模塊對象圖標(biāo)的大小 6 改變模塊對象的方向選擇 Format FlipBlock 或者直接按 Ctrl I 鍵 可將功能模塊旋轉(zhuǎn)180 如果選擇 Format RotateBlock 或者直接按 Ctrl R 鍵 即可將功能模塊順時針旋轉(zhuǎn)90 7 模塊命名用鼠標(biāo)在需要更改的名稱上單擊一下 然后直接更改名稱即可 名稱在功能模塊上的位置也可以改變 選擇 Format FlipName 命令 可以使模塊名稱在模塊的上方 下方切換 若要隱藏模塊名稱可用 Format HideName 命令來實現(xiàn) 8 模塊顏色設(shè)定模塊的前景和背景顏色也可以改變 選擇 Format ForegroundColor 命令可以改變模塊的前景顏色 選擇 Format BackgroundColor 命令可以改變模塊的背景顏色 8 2 3模塊的連接將構(gòu)成一個控制系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)模塊拷貝到 untitled 模型窗口里 這些模塊圖標(biāo)在沒有用信號線將其連接之前 并不描述一個控制系統(tǒng) 即不代表任何系統(tǒng)模型 必須用信號線將各個模塊圖標(biāo)連接成能夠描述一個控制系統(tǒng)的所謂系統(tǒng)模型 1 信號線的使用信號線具有連接功能模塊的作用 用鼠標(biāo)箭頭在 untitled 模型窗口里拖動 可以在模塊的輸入與輸出之間直接連信號線 前面已經(jīng)介紹過 為了連接兩個模塊 按住鼠標(biāo)的左鍵 點(diǎn)擊輸入或輸出端口 看到光標(biāo)變?yōu)槭中我院?拖曳十字圖形符號到另外一個端口 鼠標(biāo)指針將變?yōu)殡p十字形狀 然后放開鼠標(biāo)左鍵 于是一根最簡單的信號線即將兩模塊連接起來 連線的箭頭方向表示信號的流向 2 向量信號線與線型設(shè)定對于向量信號線 在 untitled 模型窗口里 選中 Format WideNonscalarLines 命令 線的粗細(xì)會根據(jù)在線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是數(shù)值 scalar 還是向量 vector 而改變 如果是數(shù)值則用細(xì)線 如果是向量則用粗線 3 信號線設(shè)置標(biāo)簽只要在信號線上雙擊鼠標(biāo)左鍵 即可在該信號線的下部拉出一個矩形框 在矩形框內(nèi)的光標(biāo)處即可輸入該信號線的說明標(biāo)簽 既可輸入西文字符也可以輸入漢字字符 標(biāo)簽的信息內(nèi)容如果很多 還可以按回車鍵換行輸入 如果標(biāo)簽信息有錯或者不妥也可以重新選中再編輯修改 4 信號線折彎對選中的信號線 將鼠標(biāo)指到線段端點(diǎn)的小黑塊上 直到箭頭指針變?yōu)?按住鼠標(biāo)左鍵 拖曳線段 即可將線段以轉(zhuǎn)直角的方式折彎 如果不想以直角的方式折彎 則可以在線段的任一位置 按住 shift 鍵與鼠標(biāo)左鍵 將線段以任意角度折彎 5 信號線分支對選中的信號線 按住 Ctrl 鍵 并在要建立分支的地方按住鼠標(biāo)左鍵拉出即可 另外一種方法是 將鼠標(biāo)指到要引出分支的信號線段上 如果按住鼠標(biāo)右鍵拖曳鼠標(biāo) 還可拉出分支線段 6 信號線的平行移動將鼠標(biāo)指到要平行移動的信號線段上 按住鼠標(biāo)左鍵不放 鼠標(biāo)指針變?yōu)槭旨^形狀 水平或者垂直方向拖曳鼠標(biāo)移到目的位置 放開鼠標(biāo)左鍵 信號線的平行移動即完成 7 信號線與模塊分離將鼠標(biāo)指針放在想要分離的模塊上 按住 Shift 鍵不放 再用鼠標(biāo)把模塊拖曳到別處 即可以把模塊與連接線分離 8 信號線的刪除對選中的信號線的刪除操作非常簡單 按 Delete 鍵 即可把選中的信號線刪除 8 2 4創(chuàng)建系統(tǒng)模型圖以上對模塊及連線的操作進(jìn)行了介紹 掌握了這些基本技能 就可以很方便的創(chuàng)建仿真系統(tǒng)的模型了 通常 創(chuàng)建仿真系統(tǒng)模型的具體步驟為 激活SIMULINK 選擇所需要的模塊 用連線連接各模塊 雙擊各模塊 完成對模塊的參數(shù)設(shè)置和修改 8 2 5自定義模塊庫和子系統(tǒng)在創(chuàng)建一個新的系統(tǒng)模型時 許多常用的模型要不斷地重新建立 這樣非常不方便 或者覺得SIMULINK原有的9類基本模塊庫太多 常常有許多門類模塊或者某一類里的很多標(biāo)準(zhǔn)功能模塊 對于解決一個特定的問題時根本用不到 基于這些原因 SIMULINK提供了自定義模塊庫的功能 根據(jù)解決問題的不同需要 自定義模塊庫既可以由9類基本模塊庫中的幾類構(gòu)成 也可以由9類基本模塊庫里多個標(biāo)準(zhǔn)功能模塊構(gòu)成 8 2 5自定義模塊庫和子系統(tǒng)SIMULINK4 1提供了自定義模塊庫與自定義子系統(tǒng)的功能 這兩項功能都有實際意義與實用價值 1 SIMULINK窗口下自定義模塊庫當(dāng)進(jìn)行了許多系統(tǒng)模型的建立與分析以后 會發(fā)現(xiàn)每次創(chuàng)建一個新的系統(tǒng)模型時 許多常用的模型要不斷地重新建立 這樣非常不方便 或者覺得SIMULINK原有的9類基本模塊庫太多 常常有許多門類模塊或者某一類里的很多標(biāo)準(zhǔn)功能模塊 對于解決一個特定的問題時根本用不到 基于這些原因 SIMULINK提供了自定義模塊庫的功能 根據(jù)解決問題的不同需要 自定義模塊庫既可以由9類基本模塊庫中的幾類構(gòu)成 也可以由9類基本模塊庫里多個標(biāo)準(zhǔn)功能模塊構(gòu)成 當(dāng)啟動SIMULINK4 1時 打開的模塊庫都是 只讀性 的 無法修改其中的內(nèi)容 因此要先將其解鎖 可以選擇 Edit Libraryunlock 命令 執(zhí)行后就可以修改其中的內(nèi)容了 為了說明自定義函數(shù)模塊庫的過程 請看 例8 2 2 SIMULINK窗口下自定義子系統(tǒng)SIMULINK窗口下自定義子系統(tǒng)可以采用兩種方法 其一是采用SIMULINK4 1庫瀏覽器 Subsystem 模塊庫中的 Subsystem 標(biāo)準(zhǔn)功能模塊 其二是在模型窗口中執(zhí)行 Edit CreateSubsystem 命令的方法 無論那一種方法都可以自定義子系統(tǒng) 關(guān)于自定義子系統(tǒng)的方法 詳見 例8 3 8 2 6模型文件的保存與打開編輯好一個模型后 可以在 untitled 模型窗口中選擇 File Save 命令將模型以原文件名存盤 模型是以ASCII碼形式存儲的 mdl文件 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型文件名可以省略擴(kuò)展名 系統(tǒng)會自動添加上去 文件包含了該模型的所有信息 既有這個數(shù)學(xué)模型的內(nèi)涵 又有其外部方框圖的可見形式 也可以在 untitled 模型窗口中選擇 File SaveAs 命令將模型文件在設(shè)定的路徑與設(shè)定的子目錄下 最好的路徑是MATLAB6p1 work 以一個新命名的文件名稱存盤 必須特別指出的是 如果某個文件名的 mdl文件已經(jīng)存在 再次以該文件名保存內(nèi)容不同的文件時 新的文件內(nèi)容將覆蓋原文件內(nèi)容 原文件內(nèi)容是不能恢復(fù)的 已經(jīng)保存在計算機(jī)磁盤上的模型文件 mdl文件 可以用多種方法打開 可以點(diǎn)擊庫瀏覽器里或模型窗口里的圖標(biāo) 也可以在模型窗口選擇 File Open 命令 還可以在MATLAB命令窗口里直接輸入欲打開模型文件的名字 要注意 一是不要帶文件擴(kuò)展名 二是必須注明模型文件所在的路徑與子目錄 這些方法都能夠打開模型文件