1、第第5章章 Simulink子系統技術子系統技術 5.1 Simulink簡單子系統概念：回顧與復習簡單子系統概念：回顧與復習5.2 Simulink高級子系統技術高級子系統技術5.3 Simulink的子系統封裝技術的子系統封裝技術5.1 Simulink簡單子系統概念：回顧與復習簡單子系統概念：回顧與復習 5.1.1 通用子系統的生成 在使用Simulink子系統技術時，通常子系統的生成有如下兩種方法： (1) 在已經建立好的系統模型之中建立子系統（如圖5.1所示）。首先選擇能夠完成一定功能的一組模塊，然后選擇Simulink模型創建編輯器中Edit菜單下的Create Subsystem

2、，即可建立子系統并將這些模塊封裝到此子系統中，Simulink自動生成子系統的輸入與輸出端口。 選擇模塊組，點擊 Edit 菜單中的 Create Subsystem建立子系統 左鍵雙擊子系統圖標打開子系統 選擇模塊組，單擊Edit菜單中的Create Subsystem 建立子系統 用鼠標左鍵雙擊子系統圖標打開子系統圖5.1 子系統建立：由模塊組生成子系統 (2) 在建立系統模型時建立空的子系統（如圖5.2所示）。使用Subsystems模塊庫中的Subsystem模塊建立子系統，首先構成系統的整體模型，然后編輯空的子系統內的模塊。注意，對于多輸入與多輸出子系統而言，需要使用Sources模

3、塊庫中的In1輸入虛模塊與Sinks模塊庫中的Out1輸出虛模塊來實現。 首先建立空的子系統，然后對其進行編輯 雙擊子系統圖標進行編輯圖5.2 子系統建立：生成空子系統并編輯 5.1.2子系統的基本操作 在用戶使用Simulink子系統建立系統模型時，有幾個簡單的操作比較常用，這里做一個簡單的列舉： (1) 子系統命名：命名方法與模塊命名類似。為增強系統模型的可讀性，應使用有代表意義的文字給子系統進行命名。 (2) 子系統編輯：用鼠標左鍵雙擊子系統模塊圖標，打開子系統以對其進行編輯。 (3) 子系統的輸入：使用Sources模塊庫中的Inport輸入模塊（即In1模塊）作為子系統的輸入端口。

4、(4) 子系統的輸出：使用Sinks模塊庫中的Outport輸出模塊（即Out1模塊）作為子系統的輸出端口。5.2 Simulink高級子系統技術 條件執行子系統的執行受到控制信號的控制，根據控制信號對條件子系統執行的控制方式的不同，可以將條件執行子系統劃分為如下的幾種基本類型。 (1) 使能子系統：是指當控制信號的值為正時，子系統開始執行。 (2) 觸發子系統：是指當控制信號的符號發生改變時（也就是控制信號發生過零時），子系統開始執行。觸發子系統的觸發執行有三種形式： 控制信號上升沿觸發：控制信號具有上升沿形式。 控制信號下降沿觸發：控制信號具有下降沿形式。 控制信號的雙邊沿觸發：控制信號在

5、上升沿或下降沿時觸發子系統。 (3) 函數調用子系統：這時條件子系統是在用戶自定義的S-函數中發出函數調用時開始執行。有關S-函數的概念將在后續章節中介紹。 5.2.1 條件執行子系統的建立方法 在進一步介紹條件執行子系統之前，首先介紹如何建立條件執行子系統（如圖5.3所示）。其中需要使用Subsystems模塊庫中的Enabled Subsystem（使能子系統）模塊、TriggeredSubsystem（觸發子系統）模塊及Enabled and Triggered Subsystem（使能觸發子系統）模塊。 在建立條件執行子系統前需要注意以下兩點： (1) 對于Simulink的早期版本而

6、言，不存在專門的Subsystems模塊庫。 (2) Simulink系統模型的最高層不允許使用Enable與Trigger信號，而僅允許在子系統中使用。 圖5.3中并沒有建立一個完整的動態系統的模型，而僅僅是給出建立條件執行子系統的方法，因此并沒有給出執行系統所需的使能信號源與觸發信號源（如圖5.3中橢圓曲線所示，使能輸入端與觸發輸入端采用不同的信號標志）。如果此時用戶運行此系統進行仿真，MATLAB命令窗口中會給出輸入端口沒有信號連接的警告，而且系統的輸出均為0。 圖5.3 條件執行子系統的建立方法示意圖 【例5.1】 使能子系統的建立與仿真。 按照5.1節中的方法建立如圖5.4所示的動態

7、系統模型。 在此系統模型中，存在著兩個由方波信號驅動的使能子系統（圖中虛線框所框的子系統，以A與B表示）。當控制信號（即系統模型中的方波信號）為正時開始執行子系統A，控制信號為負時（方波信號經過一反相信號操作，由Math模塊庫中的Logical Operator邏輯操作模塊NOT操作符實現）開始執行子系統B。圖5.5所示為使能子系統A與B的結構以及相應的使能狀態設置。 5.2.2 使能子系統使能子系統 所謂的使能子系統，是指只有當子系統的使能信號輸入為正時，子系統才開始執行。 A B 圖5.4 使能子系統模型使能子系統A結構及使能狀態設置 使能子系統A結構及使能狀態設置 B圖5.5 使能子系統

8、A、B的內部實現及使能參數設置 此系統模型中各模塊的參數設置如下： (1) 系統輸入為采用默認設置的正弦信號（即單位幅值，單位頻率的單位正弦信號）。 (2) 使能子系統的控制信號源，使用Sources模塊庫中的Pulse Generator脈沖信號發生器所產生的方波信號。其設置為：脈沖周期（Period）為5 s，其余采用默認設置。 (3) 使能子系統A中的使能信號，其使能狀態設置為重置reset；使能子系統B中的使能信號，其使能狀態設置為保持held。 (4) 下方使能子系統中飽和模塊（Saturation），其參數設置為：飽和上限為0.75，飽和下限為-0.75。 (5) 偏移常數信號，其

9、參數設置分別為2 0與0 2，如圖5.4中系統模型所示。 (6) 系統輸出Scope模塊參數設置，如圖5.6所示。系統仿真參數設置如下： (1) 仿真時間：設置仿真時間范圍為0至20 s。 (2) 求解器設置：采用默認設置，即連續變步長，具有過零檢測能力的求解器。 同時顯示三個示波器以輸出三組信號 標記所有的示波器坐標系 圖5.6 Scope模塊參數設置 輸出被重置 控制信號為方波信號 輸出被保持 圖5.7 【例5.1】中使能子系統的仿真結果 從圖5.7中可以明顯看出，只有在控制信號為正時，使能子系統才輸出，而且設置不同的使能狀態可以獲得不同的結果（結果被重置或被保持）。對于采用狀態重置的使能

10、子系統A，其輸出被重置；而采用狀態保持的使能子系統B，其輸出被保持。如果在使能子系統中存在著狀態變量，那么當使能模塊狀態設置為重置時，它的狀態變量將被重置為初始狀態（可能不為零），當使能模塊設置為保持時，它的狀態變量將保持不變。至于系統的輸出，取決于系統的狀態變量以及系統的輸入信號，這里不再贅述。 5.2.3 觸發子系統 所謂的觸發子系統指的是只有在控制信號的符號發生改變的情況下（也就是控制信號出現過零事件時），子系統才開始執行。如前所述，根據控制信號符號改變方式的不同可以 (1) 上升沿觸發子系統。系統在控制信號出現上升沿時開始執行。 (2) 下降沿觸發子系統。系統在控制信號出現下降沿時開始

11、執行。 (3) 雙邊沿（上升沿或下降沿）觸發子系統。系統在控制信號出現任何過零時開始執行。 【例5.2】 觸發子系統的建立與仿真分析。 在這個例子中，存在著三個使用不同觸發方式的觸發子系統，分別是上升沿觸發、下降沿觸發以及雙邊沿觸發。圖5.8所示為此系統的系統模型。 圖中左上部分為系統整體模型 圖中右側分別為上升沿、下降沿及雙邊沿觸發子系統。 觸發信號類型設置：這里僅給出過零觸發子系統設置，至于上升沿與下降沿觸發子系統設置，只需選擇觸發類型 rising 或 falling 即可 圖5.8 觸發子系統的系統模型與觸發類型設置 下面給出系統模型中各個系統模塊的參數以及仿真參數設置，最后給出系統仿

12、真結果并進行一定的分析。模塊參數設置如下： (1) 系統輸入正弦信號，其模塊參數除頻率選擇為8 rad/sec外，其余采用默認的參數。 (2) 系統觸發控制信號為方波信號，使用Sources模塊庫中的信號發生器Signal Generator模塊生成方波信號，其參數設置為：波形waveform為方波square，幅值為0.5，頻率為1 Hz。 (3) 系統輸出Scope模塊。在Scope模塊參數設置中，設置其坐標軸數目為4，以使用4個示波器同時顯示4組信號。其方法與使能子系統中一樣，這里不再贅述。 (4) 各觸發子系統參數設置如圖5.8中所示。分別設置其觸發方式為Rising、Falling及

13、Either即可。 系統仿真參數設置如下： (1) 仿真時間范圍0至8 s。 (2) 采用變步長連續求解器，最大步長為0.01，以避免信號的不連續。 運行此系統進行仿真，仿真結果如圖5.9所示。其中第一個示波器輸出為系統輸入正弦圖5.9 觸發子系統的仿真結果 5.2.4 觸發使能子系統 在介紹條件執行子系統時已經提到，對于某些條件執行子系統而言，其控制信號可能不止一個。在很多情況下，條件執行子系統同時具有觸發控制信號與使能控制信號，這樣的條件執行子系統一般稱之為觸發使能子系統。顧名思義，觸發使能子系統指的是子系統的執行受到觸發信號與使能信號的共同控制，也就是說，只有當觸發條件與使能條件均滿足的

14、情況下，子系統才開始執行。觸發使能子系統的工作原理如圖5.10所示。 是觸發事件不執行子系統使能輸入信號大于0?執行子系統一次否圖5.10 觸發使能子系統的工作原理 5.2.5 其它子系統介紹 在Simulink Block Library（Simulink模塊庫，版本4.1）中的Subsystems子系統模塊庫中除了前面所介紹的通用子系統、觸發子系統、使能子系統之外，Simulink還提供了許多其它的條件執行子系統。圖5.12所示為Subsystems模塊庫中的所有子系統模塊。在此對其進行簡單的介紹。 (1) 可配置子系統（Configurable Subsystem）：用來代表用戶自定義庫

15、中的任意模塊，只能在用戶自定義庫中使用。 函數調用子系統 For 循環子系統 While 循環子系統 選擇執行子系統 表達式執行子系統 可配置子系統 圖5.12 Subsystems模塊庫中的所有子系統模塊 (2) 函數調用子系統（Function-Call Subsystem）：使用S-函數的邏輯狀態而非普通的信號作為觸發子系統的控制信號。函數調用子系統屬于觸發子系統，在觸發子系統中觸發模塊Trigger的參數設置中選擇Function-Call可以將由普通信號觸發的觸發子系統轉換為函數調用子系統，如圖5.13所示。觸發端口類型設置為函數調用 圖5.13 函數調用觸發類型設置 (3) For

16、循環子系統（For Iterator Subsystem）：For循環子系統的目的是在一個仿真時間步長之內循環執行子系統。 (4) While循環子系統（While Iterator Subsystem）：與For循環子系統相類似，While循環子系統同樣可以在一個仿真時間步長內循環執行子系統，但是其執行必須滿足一定的條件。 (5) 選擇執行子系統（Switch Case Action Subsystem）：在某些情況下，系統對于輸入的不同取值，分別執行不同的功能。 (6) 表達式執行子系統（If Action Subsystem）：為了與前面的條件執行子系統相區別，這里我們稱If Actio

17、n Subsystem為表達式執行子系統。此子系統的執行依賴于邏輯表達式的取值，這與C語言中的If Else語句類似。需要注意的是，表達式執行子系統必須同時使用If模塊與If Action Subsystem模塊（均在Subsystems模塊庫中）。5.3 Simulink的子系統封裝技術 5.3.1如何封裝子系統 封裝子系統與建立子系統并不相同，建立子系統指的是將具有一定功能的一組模塊“容納”在一個子系統之中，使用單一圖形方式的子系統模塊來表示一組模塊，從而增強系統模型的可讀性，在動態系統進行仿真時需要對子系統中各個模塊的參數分別進行設置；而封裝子系統指的是將已經建立好的具有一定功能的子系統

18、進行封裝，封裝的目的在于生成用戶自定義的模塊，此模塊與子系統的功能完全一致。 封裝子系統具有如下特點： (1) 自定義子系統模塊及其圖標。 (2) 用戶雙擊封裝后的圖標時顯示子系統參數設置對話框。 (3) 用戶自定義子系統模塊的幫助文檔。 (4) 封裝后的子系統模塊擁有自己的工作區。 因此，使用封裝子系統技術具有以下優點： (1) 向子系統模塊中傳遞參數，屏蔽用戶不需要看到的細節。 (2) “隱藏”子系統模塊中不需要過多展現的內容。 (3) 保護子系統模塊中的內容，防止模塊實現被隨意篡改。 【例5.3】 以第5章中人口動態變化的非線性離散模型為例說明子系統的封裝技術。 解：封裝子系統的基本過程

19、如下： (1) 打開人口動態變化的非線性離散模型框圖。 (2) 生成需要進行封裝的子系統。 (3) 選擇需要封裝的子系統，單擊鼠標右鍵選擇Mask subsystem，或使用Edit菜單項中的相應命令進行子系統封裝。封裝子系統的基本流程圖如圖5.14所示，圖中上方為系統原始模型框圖，中間為使用子系統的系統模型框圖。 人口動態變化的非線性離散模型 生成包含所選模塊組的子系統選擇需要封裝的子系統，單擊鼠標右鍵選擇Masksubsystem 或是使用Edit菜單項中的相應命令以封裝子系統選擇需要封裝的子系統，單擊鼠標右鍵選擇Masksubsystem，或使用Edit菜單項中的相應命令以封裝子系統圖5

20、.14 子系統封裝流程示意圖 5.3.2 封裝編輯器之圖標編輯對話框 當選擇Mask subsystem菜單命令進行子系統封裝時，將出現如圖5.15所示的封裝編輯器并顯示圖標編輯對話框。 使用此編輯器可以對封裝后的子系統進行各種編輯。這里首先介紹圖標編輯對話框的功能與使用。 在默認情況下，封裝子系統不使用圖標。但友好的子系統圖標可使子系統的功能一目了然。為了增強封裝子系統的界面友好性，用戶可以自定義子系統模塊的圖標。只需在圖標編輯對話框中的子系統模塊圖標繪制命令欄（Drawing Commands）中使用MATLAB中相應的命令便可繪制模塊圖標，并可設置不同的參數控制圖標界面的顯示。下面逐一介

21、紹各對話框的使用。封裝類型 子系統模塊圖標繪制命令圖標顯示界面控制參數選擇圖5.15 封裝編輯器之圖標編輯對話框 1. 封裝類型（Mask Type） 封裝類型用來對封裝后的子系統進行簡短的說明。在此例中，用戶可以鍵入Population Sample Mask。它將顯示在參數對話框的左上角。 2. 圖標顯示界面控制參數 通過設置不同的參數可使模塊圖標具有不同的顯示形式。控制參數共有四種。 1) 圖標邊框設置（Icon frame） 功能：設置圖標邊框為可見（Visible）或不可見（Invisible），如圖5.16所示，其中左側表示圖標邊框可見，而右側表示邊框不可見。圖5.16 邊框設置示

22、意圖 2) 圖標透明性設置（Icon transparency） 功能：設置圖標為透明（Transparency）或不透明（Opaque）顯示，如圖5.17所示，其中左側為圖標不透明，而右側表示圖標透明（此時在圖標后面的內容如模塊端口標簽可以被顯示出）。圖5.17 圖標透明顯示設置示意 圖5.18 圖標旋轉顯示設置示意圖 3) 圖標旋轉性設置（Icon rotation） 功能：設置圖標為固定（Fixed）或可旋轉（Rotates）顯示，如圖5.18所示，其中左側表示圖標不可旋轉，而右側表示圖標可以旋轉（圖標隨模塊的旋轉而旋轉）。 4) 圖標繪制坐標系設置（Drawing coordinate

23、s） 功能：設置圖標繪制命令所使用的坐標系單位，僅對plot與text命令有效。其選項分別為自動縮放（Autoscale）、像素（Pixels）以及歸一化表示（Normalized）。 3. 圖標繪制命令欄（Drawing commands） 封裝后子系統模塊的圖標均是在圖標繪制命令欄中繪制完成的。使用不同的繪制命令可以生成不同的圖標如描述性的文本、系統狀態方程、圖像以及圖形等。如果在此欄中鍵入多個繪制命令，則圖標的顯示會按照繪制命令順序顯示。 1) 圖標為描述性文本 使用如下的繪制命令可以在模塊圖標上顯示文本：disp(text)% text表示圖標文本disp(variablename)%

24、 variablename為工作空間中的字符串變量名text(x, y, text) text(x, y, stringvariablename)% stringvariablename為已存在的字符串變量名text(x, y, text, horizontalAlignment, halign, verticalAlignment, valign)%halign與valign分別表示文本水平與垂直對齊方式，其取值不再贅述fprintf(text) fprintf(format, variablename)% format表示文本的格式port_label(port_type, port_nu

25、mber, label) % 此命令可以顯示模塊的端口名稱，其中port_type為端口類型，取值為input 或output % port_number為端口數目，label為端口文本 如果需要顯示多行文本，可以使用n表示換行。這時封裝后的子系統圖標為描述性文本，如圖5.19所示。 圖5.19 圖標繪制為文本 2) 圖標為系統狀態方程 使用dpoly命令在設置封裝后子系統模塊的圖標為系統傳遞函數，或采用droots命令設置為系統零極點傳遞函數，其命令格式為 dpoly(num, den) dpoly(num, den, character) droots(z, p, k) 其中num、den

26、分別為分子與分母多項式，character（如s或是z）為系統頻率變量，z、p、k分別為零點、極點與系統增益。需要注意的是，num、den、z、p、k均為MATLAB工作空間中已經存在的變量，否則繪制命令的執行將出現錯誤。繪制封裝后子系統的圖標為系統傳遞函數如圖5.20所示。num=1，den=1 2 1為MATLAB中的變量。 圖5.20 圖標繪制為系統傳遞函數 3) 圖標為圖像或圖形 使用plot命令與image命令可以設置封裝后子系統模塊的圖標為圖形或圖像。盡管一般的MATLAB命令不能在圖標繪制命令欄中直接使用，但它們的返回值可以作為圖標繪制命令的參數。繪制封裝后子系統模塊的圖標為圖形

27、或圖像，如圖5.21所示。圖5.21 圖標繪制為圖像與圖形 5.3.3 封裝編輯器之參數初始化對話框 子系統封裝最主要的目的之一便是提供一個友好的參數設置界面。一般的用戶無需了解系統內部實現，只需提供正確的模塊參數，以使用特定模塊的特定功能，從而完成系統設計與仿真分析的任務。如果只是繪制了模塊的圖標，則模塊并沒有被真正封裝，因為在雙擊模塊時仍顯示模塊內部的內容，并且始終直接使用來自MATLAB工作空間中的參數。 對通常的子系統與封裝后的子系統作一個簡單的比較： (1) 通常的子系統可以視為MATLAB腳本文件，其特點是子系統沒有輸入參數，可以直接使用MATLAB工作空間中的變量。 (2) 封裝

28、后的子系統可以視為MATLAB的函數，其特點是封裝后的子系統提供參數設置對話框輸入參數；不能直接使用MATLAB工作空間中的變量；擁有獨立的模塊工作區（工作空間）；包含的變量對其它子系統及模塊不可見；可以在同一模型中使用同樣的子系統而其取值可各不相同。 在【例5.3】中已經介紹了如何將指定的子系統進行封裝并進行圖標繪制，這里仍以人口變化的非線性離散系統模型為例說明如何對封裝后的子系統的參數輸入對話框進行設置。在這個人口變化的簡單模型中，系統的動力學方程由如下的差分方程來描述： Knpnrpnp) 1(1) 1()( 其中表示某一年的人口數量，表示人口繁殖速率，表示新增資源所能滿足的個體數目。因

29、此在封裝后子系統模塊的參數設置界面中，應該提供相應的初始參數、繁殖速率以及。 參數設置列表參數設置描述初始化命令參數描述參數對應變量參數設置控制圖5.22 子系統模塊參數設置（參數初始化） 下面對參數初始化選項卡的內容作逐一介紹。 1. 參數設置控制 參數設置控制包括添加（Add）、刪除（Delete）、上移（Up）與下移（Down），它們分別表示在即將生成的參數設置對話框中添加、刪除、上移與下移模塊需要的輸入參數。 2. 參數描述（Prompt） 參數描述指的是對模塊輸入的參數作簡單的說明，其取值最好能夠說明參數的意義或者作用。 3. 參數對應變量（Variable） 參數對應變量表示鍵入的

30、參數值將傳遞給封裝后的子系統工作空間中相應的變量，在此使用的變量必須與子系統中所使用的變量具有相同的名稱。 4. 參數設置描述 參數設置描述包括參數控制類型（Control type）、參數分配類型（Assignment）以及下拉選項框（Popup strings）。其中控制類型包括Edit（需要用戶鍵入參數值，適合多數情況）、Checkbox（復選框，表示邏輯值）及Popup（彈出參數選項以供選擇取值，彈出參數選項用Popup strings欄中由|隔開的字符串表示）。 5. 初始化命令欄（Initialization commands） 初始化命令為一般的MATLAB命令，在此可以定義封裝

31、后子系統工作空間中的各種變量，這些變量可以被封裝子系統模塊圖標繪制命令、其它初始化命令或子系統中的模塊使用。當出現下述情況時，Simulink開始執行初始化命令： (1) 模型文件被載入。 (2) 框圖被更新或模塊被旋轉。 (3) 繪制封裝子系統模塊圖標時。 在參數設置對話框中輸入正確的參數，設置人口的初始值為p100 000、人口繁殖速率為r1.05，而新增資源所能滿足的個體數目K1 000 000。然后單擊Apply或OK按鈕并采用與第5章中相同的仿真參數。運行系統，其仿真結果如圖5.24所示。封裝類型 參數設置對話框顯示界面 圖5.23 封裝后子系統的參數設置對話框仿真結果與第四章中完全一致，從而也說明的參數的正確傳遞與使用 仿真結果與第4章中完全一致，從而也說明參數的正確傳遞與使用圖5.24 系統仿真結果 5.3.4 封裝編輯器之文檔編輯對話框 Simulink模塊庫中的內置模塊均提供了簡單的描述與詳細的幫助文檔，這可以大大方便用戶的使用與理解。對于用戶自定義的模塊（即封裝后的子系統），Simulink提供的文檔編輯功能同樣可使用戶建立自定義模塊的所有幫助文檔。圖5.25所示為封裝編輯器中文檔編輯選項卡（Documentation），使用文檔編輯可以建立用戶自定義模塊的簡單描述