1、第3章 SIMULINK應用基礎 第3章 SIMULINK應用基礎 3.1 SIMULINK仿真環境仿真環境 3.2 SIMULINK的基本操作的基本操作 3.3 SIMULINK系統建模系統建模 3.4 SIMULINK運行仿真運行仿真 3.5 SIMULINK模塊庫模塊庫 3.6 SIMULINK系統仿真應用系統仿真應用 習題習題 第3章 SIMULINK應用基礎 3.1 SIMULINK仿真環境仿真環境SIMULINK是MATLAB的一個分支產品，主要用來實現對工程問題的模型化及動態仿真。SIMULINK體現了模塊化設計和系統級仿真的思想，采用模塊組合的方法使用戶能夠快速、準確地創建動態

2、系統的計算機模型，使得建模仿真如同搭積木一樣簡單。SIMULINK現已成為仿真領域首選的計算機環境。第3章 SIMULINK應用基礎 具體到電力系統仿真而言，原來的MATLAB編程仿真是在文本命令窗口中進行的，編制的程序是一行行的命令和MATLAB函數，不直觀也難以與實際電力模型建立形象的聯系。在SIMULINK環境中，電力系統元器件的模型都用框圖來表達，框圖之間的連線表示了信號流動的方向。對用戶而言，只要熟悉了SIMULINK仿真平臺的使用方法以及模型庫的內容，就可以使用鼠標和鍵盤繪制和組織系統模型，并實現系統的仿真，完全不必從頭設計模型函數或死記那些復雜的函數。第3章 SIMULINK應用

3、基礎 3.1.1 SIMULINK模塊庫瀏覽器 SIMULINK 仿真環境包括 SIMULINK 模塊庫和SIMULINK仿真平臺。如圖3-1所示，在MATLAB命令窗口中輸入“simulink”再回車，或單擊工具欄中的SIMULINK圖標 ，可打開SIMULINK模塊庫瀏覽器窗口，如圖3-2所示。 圖3-1 打開SIMULINK模塊庫瀏覽器的方法3.1.1 SIMULINK模塊庫瀏覽器模塊庫瀏覽器SIMULINK仿真環境包括SIMULINK模塊庫和SIMULINK仿真平臺。如圖3-1所示，在MATLAB命令窗口中輸入“simulink”再回車，或單擊工具欄中的SIMULINK圖標 ，可打開S

4、IMULINK模塊庫瀏覽器窗口，如圖3-2所示。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-2 SIMULINK模塊庫瀏覽器窗口第3章 SIMULINK應用基礎 SIMULINK模塊庫包括標準模塊庫和專業模塊庫兩大類。標準模塊庫是MATLAB中最早開發的模塊庫，包括了連續系統、非連續系統、離散系統、信號源、顯示等各類子模塊庫。由于SIMULINK在工程仿真領域的廣泛應用，因此各領域專家為滿足需要又開發了諸如通信系統、數字信號處理、電力系統、模糊控制、神經網絡等20多種專業模塊庫。第3章 SIMULINK應用基礎 點擊圖3-2中“樹狀結構目錄窗口”中各模塊庫名前帶“”的小方塊可展開二級子模塊庫的目錄

5、。“模塊窗口”中顯示的是用戶在“樹狀結構目錄窗口”中選中的模塊庫所包含的模塊圖標。如果顯示的模塊圖標前帶“”的小方塊，表明該圖標下還有三級目錄，直接點擊該圖標可在該窗口中展現三級目錄下的模塊圖標。為了敘述方便，本書將模塊庫中以圖標形式表示的典型環節稱為模塊，將用典型環節模塊組成的系統仿真模型簡稱為模型。第3章 SIMULINK應用基礎 3.1.2 SIMULINK仿真平臺仿真平臺從MATLAB窗口進入SIMULINK仿真平臺的方法有以下兩種：(1) 點擊MATLAB菜單欄中的FileNewModel，如圖3-3所示。(2) 點擊SIMULINK模塊庫瀏覽器窗口工具欄上的按鍵。第3章 SIMUL

6、INK應用基礎 圖3-3 進入SIMULINK仿真平臺方法1第3章 SIMULINK應用基礎 完成上述操作，將出現圖3-4所示的SIMULINK仿真平臺。仿真平臺標題欄上的“untitled”表示一個尚未命名的新模型文件。仿真平臺中的菜單欄和工具欄是SIMULINK系統仿真的重要工具。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-4 SIMULINK的仿真平臺第3章 SIMULINK應用基礎 1. 仿真平臺菜單欄仿真平臺菜單欄SIMULINK仿真平臺中的菜單包括“File(文件)”、“Edit(編輯)”、“View(查看)”、“Simulation(仿真)”、“Format(格式)”、“Tools(

7、工具)”與“Help(幫助)”七項內容。每個主菜單項都有下拉菜單，下拉菜單中每個小菜單為一個命令，只要用鼠標選中，即可執行菜單項命令所規定的操作。其中，編輯和仿真菜單使用最為頻繁。各個菜單命令的等效快捷鍵及功能說明見附錄A。2. 仿真平臺工具欄仿真平臺工具欄SIMULINK仿真平臺中的工具欄歸納起來可分為五類。第3章 SIMULINK應用基礎 (1) 文件管理類：包括 4 個按鍵，分別是按鍵、按鍵、按鍵和按鍵。 (2) 對象管理類：包括 3 個按鍵，分別是按鍵、按鍵和按鍵。 (3) 命令管理類：包括 2 個按鍵，分別是按鍵和按鍵。 (4) 仿真控制類：包括 6 個按鍵、1 個文本框、1 個列表

8、框，分別是按鍵、按鍵、文本框、列表框、按鍵、按鍵和按鍵。 (5) 窗口切換類：包括 6 個按鍵，分別是按鍵、按鍵、按鍵、按鍵、按鍵和按鍵。 工具欄中各個工具圖標及其功能說明見附錄 B。 第3章 SIMULINK應用基礎 3.2 SIMULINK的基本操作的基本操作3.2.1 模塊及信號線的基本操作模塊及信號線的基本操作1. 模塊的基本操作模塊的基本操作模塊是系統模型中最基本的元素，不同模塊代表了不同的功能。各模塊的大小、放置方向、標簽、屬性等都是可以設置調整的。表3-1列出了SIMULINK中模塊基本操作方法的簡單描述。第3章 SIMULINK應用基礎 表表3-1 SIMULINK中模塊的基本

9、操作方法中模塊的基本操作方法第3章 SIMULINK應用基礎 續表續表 第3章 SIMULINK應用基礎 如圖3-5所示，將模塊進行了三種操作：模塊順時針旋轉90、標簽內容修改和標簽位置改變。2. 信號線的基本操作信號線的基本操作信號線是系統模型中另一類最基本的元素，熟悉和正確使用信號線是創建模型的基礎。SIMULINK中的信號線并不是簡單的連線，它具有一定流向屬性且不可逆向，表示實際模型中信號的流向。表3-2列出了SIMULINK中信號線基本操作方法的簡單描述。 第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-5 模塊的基本操作示例第3章 SIMULINK應用基礎 表表3-2 SIMULINK中信號

10、線的基本操作方法中信號線的基本操作方法第3章 SIMULINK應用基礎 3.2.2 系統模型的基本操作系統模型的基本操作除了熟悉模塊和信號線的基本操作方法，用戶還需熟悉SIMULINK系統模型本身的基本操作，包括模型文件的創建、打開、保存以及模型的注釋等。表3-3列出了SIMULINK中系統模型基本操作方法的簡單描述。第3章 SIMULINK應用基礎 表表3-3 SIMULINK中系統模型的基本操作方法中系統模型的基本操作方法第3章 SIMULINK應用基礎 如圖3-6所示，在模型中加入注釋文字，使模型更具可讀性。圖3-6 添加注釋文字示例(a) 未加注釋文字；(b) 加入注釋文字第3章 SI

11、MULINK應用基礎 3.2.3 子系統的建立與封裝子系統的建立與封裝1. 子系統的建立子系統的建立一般而言，電力系統仿真模型都比較復雜，規模很大，包含了數量可觀的各種模塊。如果這些模塊都直接顯示在SIMULINK仿真平臺窗口中，將顯得擁擠、雜亂，不利于用戶建模和分析。可以把實現同一種功能或幾種功能的多個模塊組合成一個子系統，從而簡化模型，其效果如同其它高級語言中的子程序和函數功能。在SIMULINK中創建子系統一般有兩種方法。第3章 SIMULINK應用基礎 1) 通過“子系統”模塊的方法該方法要求在用戶的模型里添加一個稱為Subsystem的子系統模塊，然后再往該模塊里加入組成子系統的各種

12、模塊。這種方法適合于采用自上而下設計方式的用戶，具體實現步驟如下：(1) 新建一個空白模型。(2) 打開“端口和子系統”(Ports&Subsystems)模塊庫，選取其中的“子系統”(Subsystem)模塊并把它復制到新建的仿真平臺窗口中。第3章 SIMULINK應用基礎 (3) 雙擊“子系統”模塊，彈出一個子系統編輯窗口。系統自動在該窗口中添加一個輸入和輸出端子，名為In1和Out1，這是子系統與外部聯系的端口。(4) 將組成子系統的所有模塊都添加到子系統編輯窗口中，合理排列。(5) 按要求用信號線連接各模塊。(6) 修改外接端子標簽并重新定義子系統標簽，使子系統更具可讀性。第3

13、章 SIMULINK應用基礎 2) 通過組合已存在模塊的方法該方法要求在用戶的模型中已有組成子系統所需的所有模塊，并且已做好正確的連接。這種方法適合于采用自下而上設計方式的用戶，具體實現步驟如下：(1) 打開已經存在的模型。(2) 選中要組合到子系統中的所有對象，包括各模塊及其連線。(3) 選擇菜單EditCreate Subsystem命令，模型自動轉換成子系統。(4) 修改外接端子標簽并重新定義子系統標簽，使子系統更具可讀性。第3章 SIMULINK應用基礎 將圖3-6所示的模型用第二種方法創建子系統，創建過程如圖3-7圖3-12所示。圖3-7 選中組合子系統的所有對象(用拖曳鼠標劃定范圍

14、框的方法) 第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-8 轉換為子系統(選擇菜單EditCreate Subsystem) 第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-9 子系統內部結構圖(在子系統圖標上雙擊鼠標鍵進入) 第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-10 修改外接端子標簽(在原標簽上單擊鼠標鍵進入標簽編輯框) 第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-11 修改子系統標簽圖(在原標簽上單擊鼠標鍵進入標簽編輯框) 第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-12 子系統轉換結果 第3章 SIMULINK應用基礎 可見，子系統的創建過程比較簡單，但非常有用。值得注意的是，仿真系統的信號源和輸出顯示

15、模塊一般不放進子系統內部。2. 子系統的封裝子系統的封裝所謂封裝(Mask)，就是將SIMULINK的子系統“包裝”成一個模塊，并隱藏全部的內部結構。訪問該模塊時只出現了一個參數設置對話框，模塊中所有需要設置的參數都可通過該對話框來統一設置。第3章 SIMULINK應用基礎 創建一個子系統封裝模塊的主要步驟為：(1) 創建一個子系統。(2) 選中目標子系統，選擇仿真平臺窗口菜單中的EditMask Subsystem選項，將彈出Mask編輯器窗口，窗口中包含四個標簽頁，如圖3-13所示。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-13 封裝編輯器窗口第3章 SIMULINK應用基礎 (3) 使用封

16、裝編輯器不同的標簽頁進行封裝圖標、參數、初始化和文本的設置。四個標簽頁主要的功能如下： 圖標(Icon)標簽頁：用來給封裝模塊設計自定義圖標。“Drawing commands”命令窗口以MATLAB語句來繪制圖標的編輯區，通過在“Drawing commands”命令窗口中填寫函數設置封裝模塊的圖標。圖標標簽頁的常用繪制命令如表3-4所示。第3章 SIMULINK應用基礎 表表3-4 圖標標簽頁的常用繪制命令圖標標簽頁的常用繪制命令第3章 SIMULINK應用基礎 參數(Parameters)標簽頁：最關鍵的標簽頁，可增加或刪除子系統參數對話框中的變量以及屬性，如圖3-14所示。其中，“Va

17、riable”項至關重要，必須和子系統中對應模塊內設置的變量名稱一致，才能建立起封裝模塊內部變量和封裝對話框之間的聯系。變量類型可選三類：“可編輯型”(Edit)指定輸入數據為可編輯類型，即該變量可由用戶自定義輸入數據，這是最普遍的一種類型；“復選框型”(Checkbox)指定輸入數據為復選框類型，即用戶只能進行選中與否的設置；“下拉菜單型”(Popup)指定輸入數據為下拉菜單類型，即輸入數據不可編輯，只能在下拉菜單提供的選項中選擇。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-14 Parameters標簽頁窗口第3章 SIMULINK應用基礎 初始(Initialization)標簽頁：通過命令

18、函數，允許用戶在調用子系統前通過MATLAB命令窗口進行子系統參數值的初始設定，還可以對圖標繪制函數初始的值進行設置。 文本(Documentation)標簽頁：可設定封裝子系統的類型、描述和幫助等文字說明。其中，“封裝類型”(mask type)文本框中的內容將作為模塊的類型顯示在封裝模塊的參數對話框中；“封裝模塊描述”(mask description)多行文本框中的內容將顯示在封裝模塊參數對話框的上部，對封裝模塊的功用和其它注意事項進行描述；“封裝模塊幫助”(mask help)多行文本框中輸入關于該模塊的幫助，在參數對話框中的“help”按鍵按下時，MATLAB的幫助系統將顯示此封裝模

19、塊幫助多行文本框中的內容。第3章 SIMULINK應用基礎 【例【例3.1】創建一個子系統并對其進行封裝，要求子系統實現功能為：y=m sin(x)+n。解：解：(1) 創建子系統。顯然，該子系統結構與圖3-12所示子系統結構完全一致，不同之處為圖3-12所示子系統中Gain模塊和Constant模塊均為定值，而本例要求子系統中這兩個模塊為可變值。設置方法為分別雙擊Gain模塊和Constant模塊圖標，在彈出的參數對話框中將參數值設置為m和n即可。創建完成的系統模型及子系統內部結構如圖3-15所示。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-15 創建完成的系統模型及子系統內部結構(a) 創建完

20、成的系統模型；(b) 子系統內部結構第3章 SIMULINK應用基礎 (2) 設置標簽頁。選中目標子系統，選擇仿真平臺窗口菜單中的EditMask Subsystem選項，在彈出的封裝編輯器窗口中分別對各標簽頁進行設置。 初始標簽頁。為了實現模塊的圖標繪制，首先必須在初始標簽頁的初始命令區中輸入繪圖向量的初始化命令，如圖3-16(a)所示。 圖標標簽頁。在圖標標簽頁的繪制命令區輸入圖3-16(b)所示命令。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-16 繪制封裝模塊的圖標(a) 初始化；(b) 繪制圖標第3章 SIMULINK應用基礎 點擊圖3-16(b)中的“應用”(Apply)按鍵，子系統封

21、裝模塊圖標如圖3-17所示。圖3-17 子系統封裝模塊圖標 第3章 SIMULINK應用基礎 參數標簽頁中的 圖標，可增加模塊的輸入變量，設置完成后如圖 3-18 所示。 圖3-18 參數標簽頁的設置 第3章 SIMULINK應用基礎 文本標簽頁。通過設置可增加模塊的可讀性，設置完成后如圖3-19所示。點擊封裝編輯器窗口中的“OK”按鍵，子系統的封裝過程結束。雙擊圖3-17中的封裝模塊，將彈出該模塊的參數對話框，如圖3-20所示。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-19 文本標簽頁的設置 第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-20 封裝模塊的參數對話框 第3章 SIMULINK應用基礎

22、可見，變量的字符、類型、說明以及封裝子系統的類型、描述等設置均符合要求。該封裝模塊與SIMULINK內部模塊的參數對話框結構和特性也完全一致。(3) 運用封裝模塊。對圖3-20所示的參數對話框進行參數設置，即分別在參數設置區的“Gain”和“Constant”編輯框中輸入參數設定值，如圖3-21所示。選擇SIMULINK仿真平臺窗口菜單中的SimulationStart選項，開始仿真。仿真結束后，雙擊圖3-17中的示波器模塊，彈出示波器窗口，顯示系統輸出信號波形，如圖3-22所示。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-21 封裝模塊的參數設置 第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-22 系

23、統仿真結果顯示 第3章 SIMULINK應用基礎 3.3 SIMULINK系統建模系統建模前面已論述了SIMULINK建模中的一些基本操作方法，下面將對創建SIMULINK模型的步驟進行分析。SIMULINK系統建模的過程和具體操作步驟一般如下：(1) 分析待仿真系統，確定待建模型的功能需求和結構。(2) 啟動模塊庫瀏覽器窗口，選擇菜單中的FileNewModel選項，新建一個模型文件。(3) 在模塊庫瀏覽器窗口中找到模型所需的各模塊，并分別將其拖曳到新建的仿真平臺窗口中。第3章 SIMULINK應用基礎 (4) 將各模塊適當排列，并用信號線將其正確連接。有幾點需要注意： 在建模之前應對模塊和

24、信號線有一個整體、清晰和仔細的安排，這樣在建模時會省下很多不必要的麻煩； 模塊的輸入端只能和上級模塊的輸出端相連接； 模塊的每個輸入端必須要有指定的輸入信號，但輸出端可以空置。(5) 對模塊和信號線重新標注。(6) 依據實際需要對相應模塊設置合適的參數值。(7) 如有必要，可對模型進行子系統建立和封裝處理。(8) 保存模型文件。第3章 SIMULINK應用基礎 【例【例3.2】工業控制領域常用的溫度變送器的功能是把現場的溫度信號轉化為對應的電信號傳送給監控設備。設該溫度變送器的溫度測量范圍為TminTmaxC，對應的輸出為420 mA的電流信號。試用SIMULINK創建能反映該系統工作特性的仿

25、真模型。解：解：(1) 確定待建模型的功能需求。分析題意，溫度變送器的本質即傳感器，將溫度參數轉變為電量參數。因為是線性轉換，所以很容易得到輸入值與輸出值之間的關系：minminmax)(164TTTIT(3-1) 第3章 SIMULINK應用基礎 其中，I為變送器輸出的電流信號值，范圍為420 mA；Tmin和Tmax分別為變送器溫度測量范圍的下限值和上限值，其值均可設置；T為變送器輸出的電流信號值為I時對應的實測溫度值。第3章 SIMULINK應用基礎 (2) 創建SIMULINK模型文件。新建一個SIMULINK模型文件，找到創建系統模型所需的各模塊并拖曳到新建的仿真平臺窗口中。將各模塊

26、排列好，并將其用信號線正確連接，如圖3-23所示。其中，Ramp模塊1個，來自“Sources”子庫，用于模擬變送器輸出電流值信號；Constant模塊3個，來自“Sources”子庫，用于設定公式(3-1)中的常量“4”以及可設置改變的溫度限值Tmin和Tmax；Add模塊3個，來自“Math Operations”子庫，用于把兩個輸入信號相加或相減；Gain模塊1個，來自“Math Operations”子庫，用于將輸入信號乘上1/16；Product模塊1個，來自“Math Operations”子庫，用于把兩個輸入信號相乘；Scope模塊1個，來自“Sinks”子庫，用于顯示系統模型的

27、仿真輸出波形。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-23 未經修飾的仿真系統圖 第3章 SIMULINK應用基礎 (3) 設置模塊參數。根據系統的實際物理意義，修改各模塊標簽名稱(見圖3-24)。圖3-24 修改標簽后的仿真系統圖第3章 SIMULINK應用基礎 對各模塊設置合適的參數值，方法為雙擊目標模塊圖標，進入其屬性對話框。其中，Imin、Tmax、Tmin模塊由默認值1分別設置為4、T2、T1；K模塊由默認值1設置為1/16；模型左側的兩個Add模塊由默認符號“+”設置為符號“+”。參數設置如圖3-25圖3-27所示，設置完成后的系統模型如圖3-28所示。第3章 SIMULINK應用

28、基礎 圖3-25 Imin、Tmax模塊參數設置第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-26 K模塊參數設置第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-27 Add模塊參數設置第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-28 完整的系統仿真圖第3章 SIMULINK應用基礎 (4) 創建子系統并進行封裝處理。將圖3-28中除l、T兩模塊外的所有模塊和信號線通過拖曳鼠標的方法選中，選擇菜單EditCreate Subsystem命令，模型自動轉換成子系統。將其輸入、輸出端子的標注和子系統的標簽進行適當調整，結果如圖3-29所示。圖3-29 完成子系統創建 第3章 SIMULINK應用基礎 選中子系統，選

29、擇菜單EditMask Subsystem命令，進行封裝設置。在圖標標簽頁的繪制命令區輸入命令：disp(I2T)。在參數標簽頁中添加T1和T2參數，如圖3-30所示。在文本標簽頁中設置封裝模塊的說明文本，其中，“封裝類型”(Mask type)文本框中輸入“I2T Mask Block”；“封裝模塊說明”(Mask description)多行文本框中輸入“Models the equation for a formula: T=(I-4)*(T2-T1)/16+T1. The Tmax Value(T2) and Tmin Value(T1) are masked block parame

30、ters.”。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-30 參數標簽頁設置第3章 SIMULINK應用基礎 至此，子系統的創建及封裝工作基本完成，系統最終模型如圖3-31所示。雙擊子系統封裝模塊，彈出的模塊參數對話框如圖3-32所示。(5) 保存模型文件，文件名為I2T.mdl。圖3-31 系統最終模型 第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-32 封裝模塊參數對話框 第3章 SIMULINK應用基礎 3.4 SIMULINK運行仿真運行仿真3.4.1 運行仿真過程運行仿真過程SIMULINK一般使用窗口菜單命令進行仿真，方便且人機交互性強，用戶可容易地進行仿真解法及仿真參數的選擇、定義和修改

31、等操作。使用窗口菜單命令進行仿真主要可以完成以下一些操作過程。1. 設置仿真參數設置仿真參數選擇菜單選項SimulationConfiguration Parameters可以進行仿真參數及算法的設置。選擇此選項后會顯示仿真參數對話框，如圖3-33所示。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-33 仿真參數對話框第3章 SIMULINK應用基礎 此對話框包含的主要屬性頁的內容及功能如下：(1) Solver：設置仿真的起始和終止時間，設置積分解法以及步長等參數；(2) Data Import/Export：SIMULINK和MATLAB工作間數據的輸入和輸出設定，以及數據存儲時的格式、長度等參

32、數設置；(3) Diagnostics：允許用戶選擇在仿真過程中警告信息顯示等級。選擇適當的算法并設置好其它仿真參數后，選擇對話框中的“OK”或“Apply”命令，修改的設置生效。第3章 SIMULINK應用基礎 2. 啟動仿真啟動仿真完成仿真參數的設置后，就可以開始仿真。確認待仿真的仿真平臺窗口為當前窗口，選擇菜單選項Simulation Start或點擊工具欄中的圖標啟動仿真。3. 顯示仿真結果顯示仿真結果如果建立的模型沒有錯誤，選擇的參數合適，則仿真過程將順利進行。這時，雙擊模型中用來顯示輸出的模塊(如Scope模塊)，就可以觀察到仿真的結果。當然，也可以在仿真開始前先雙擊打開顯示輸出模

33、塊，再開始仿真。第3章 SIMULINK應用基礎 4. 停止仿真停止仿真對于仿真時間較長的模型，如果在仿真過程結束之前，用戶想停止此次仿真過程，可以選擇菜單選項SimulationStop停止仿真。5. 仿真診斷仿真診斷在仿真過程中若出現錯誤，SIMULINK將會終止仿真并彈出一個標題為“Error Dialog”的帶有明顯出錯圖標的錯誤提示框。點擊提示框中的“OK”按鍵，將顯示如圖3-34的錯誤信息對話框。該對話框分為如下三部分：(1) 出錯信息列表。顯示所有出錯信息，包含四個列項如下：第3章 SIMULINK應用基礎 Message：信息類型，如模塊錯誤，連線警告等； Source：模型中

34、出錯的模塊名； Reported by：出錯信息來源，如SIMULINK、Stateflow、Workshop等； Summary：出錯信息概括。(2) 當前錯誤詳細信息顯示。用戶可以在出錯信息列表中選擇任意一條錯誤，當前所選錯誤的詳細信息將顯示在本區域。(3) 命令按鍵部分。點擊“Open”按鍵可用來打開出錯模型并以黃色突出顯示。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-34 錯誤信息對話框第3章 SIMULINK應用基礎 3.4.2 仿真參數的設置仿真參數的設置如前所述，選擇菜單選項SimulationConfiguration Parameters，將顯示仿真參數對話框，如圖3-33所示。

35、這里介紹解法設置屬性頁(Solver)中最常用的設置項，讀者可以通過查閱help文檔了解其它項目的相關內容。1. 設置仿真時間設置仿真時間設置仿真時間非常重要，它決定了模型仿真的時間或取值區域，其設置完全根據待仿真系統的特性確定，反映在輸出顯示上就是示波器的橫軸坐標值的取值范圍。“Start time”和“Stop time”項分別用以設置仿真開始時間(或取值區域下限)和終止時間(或取值區域上限)，默認值分別為0.0和10.0。第3章 SIMULINK應用基礎 2. 選擇仿真算法選擇仿真算法在SIMULINK的仿真過程中選擇合適的算法是很重要的。仿真算法是求常微分方程、傳遞函數、狀態方程解的數

36、值計算方法，主要有歐拉法(Eular)、阿達姆斯法(Adams)和龍格庫塔法(Runge-Kutta)。由于動態系統的差異性，使得某種算法對某類問題比較有效，而另外算法對另一類問題更有效。因此，對不同的問題，可以選擇不同的適應算法和相應的參數，以得到更準確、快速的解。第3章 SIMULINK應用基礎 根據仿真步長，SIMULINK中提供的常微分方程數值計算的算法大致可以分兩類：(1) Variable Step：可變步長類算法，在仿真過程中可以自動調整步長，并通過減小步長來提高計算的精度。(2) Fixed Step：固定步長類算法，在仿真過程中采取基準采樣時間作為固定步長。一般而言，使用變步

37、長的自適應算法是比較好的選擇。這類算法會按照設定的精確度在各積分段內自適應地尋找最大步長進行積分，從而使得效率最高。SIMULINK中的各種仿真算法及其說明參見表3-5。第3章 SIMULINK應用基礎 表表3-5 SIMULINK中的各種仿真算法及其說明中的各種仿真算法及其說明 第3章 SIMULINK應用基礎 3.4.3 示波器的使用示波器的使用示波器(Scope)模塊是SIMULINK仿真中非常重要的一個模塊，不僅可以實現仿真結果波形的顯示，而且可以同時保存波形數據，是人機交互的重要手段。雙擊示波器模塊圖標，即可彈出示波器的窗口界面，如圖3-35所示。示波器模塊屬性的設置對用戶觀察和分析

38、仿真結果影響很大，必須進行合適的屬性設置才能得到滿意的顯示效果。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-35 示波器窗口界面第3章 SIMULINK應用基礎 1. 示波器參數示波器參數點擊“示波器參數”按鍵，彈出示波器參數對話框，該對話框中含有兩個標簽頁，分別是“常規”(General)和“數據”(Data history)標簽頁，如圖3-36所示。 第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-36 示波器參數對話框(a) 常規標簽頁；(b) 數據標簽頁 第3章 SIMULINK應用基礎 1) “常規”(General)標簽頁(1) “坐標個數”(Number of Axes)文本框：用于設定示波

39、器的y軸數量，即示波器的輸入信號端口的個數，默認值為1，即該示波器用以觀察一路信號。若將其設為2，則可以同時觀察兩路信號，示波器的圖標也自動變為兩個輸入端口。依此類推，一個示波器可設置為同時觀察多路信號。將該項參數設定為2后的示波器模塊圖標及示波器窗口如圖3-37所示。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-37 設置示波器參數以觀察兩路數據(a) 模塊圖標；(b) 窗口界面 第3章 SIMULINK應用基礎 (2) “時間范圍”(Time range)文本框：用于設定示波器時間軸的最大值，一般可選“自動”(auto)，這樣x軸可以自動以系統的仿真起始和終止時間作為示波器的時間顯示范圍。(3)

40、 “單位標簽”(Tick labels)下拉框：用于選擇標簽的貼放位置。第3章 SIMULINK應用基礎 (4) “采樣”(Sampling)下拉框：用于選擇數據取樣方式，包括“抽取”(decimation)和“采樣時間”(sample time)兩種方式。“抽取”方式表示當采樣下拉框右側文本框輸入數據N時，從每N個輸入數據中抽取一個用來顯示。可見，設定的數字N越大，顯示的波形就越粗糙，但數據存儲的空間可以減少，一般該文本框保持默認值1，表示所有輸入數據均顯示。若采用“采樣時間”方式，則需要在采樣下拉框右側文本框中輸入采樣的時間間隔，并按采樣間隔提取數據顯示。第3章 SIMULINK應用基礎

41、2) “數據”(Data history)標簽頁(1) “僅顯示最新的數據”(Limit data points to last)復選框：用于數據點數設置。選中后，其后的文本框被激活，默認值為5000，表示示波器顯示5000個數據，若超過5000個數據，也僅顯示最后的5000個數據。若不選該項，所有數據都顯示，但對計算機內存要求較高。第3章 SIMULINK應用基礎 (2) “保存數據至工作間”(Save data to workspace)復選框：數據在顯示的同時被保存到MATLAB工作空間中。若選中該項，將激活該復選框下的另兩個參數設置項：“變量名”文本框用于設置保存數據的名稱，以便在MA

42、TLAB工作空間中識別和調用該數據；“格式”文本框用于設置數據的保存格式。數據的保存格式有三種：“數組”(Array)格式，用于只有一個輸入變量的數據保存格式；“帶時間變量的結構” (Structure with time)格式，用于同時保存波形數據和時間；“結構”(Structure)格式，用于僅保存波形數據。第3章 SIMULINK應用基礎 2. 圖形縮放圖形縮放仿真波形在示波器中顯示，有時用戶需要對波形顯示區域和大小進行適當調整，達到最佳觀察效果。示波器窗口的工具欄提供了四個工具按鍵用以圖形縮放操作。(1) 區域放大按鍵：首先在工具欄中點擊區域放大按鍵，然后在窗口中需要放大的區域上按住鼠

43、標左鍵并拖曳一個矩形框，用矩形框框住需要放大的圖形區域，松開鼠標左鍵，該區域被放大顯示。第3章 SIMULINK應用基礎 (2) x軸放大按鍵：首先在工具欄中點擊x軸放大按鍵，然后在窗口中需要放大的區域按住鼠標左鍵，并沿x軸方向拖拉即可。(3) y軸放大按鍵：首先在工具欄中點擊y軸放大按鍵，然后在窗口中需要放大的區域上按住鼠標左鍵，并沿y軸方向拖拉即可。(4) 自動尺寸按鍵：能自動地調整示波器的橫軸和縱軸，既可完全顯示用戶設置的仿真時間域以及對應的結果數值域，又能取得合理的顯示效果，應用非常方便。第3章 SIMULINK應用基礎 3. 坐標軸范圍坐標軸范圍示波器的x軸和y軸的最大取值范圍一般是

44、自動設定的，利用圖形縮放中的放大鏡功能可以在x軸和y軸的范圍內選取其中一部分顯示。當需要進一步放大y軸的范圍或更精確地標定y軸的坐標范圍時，可以利用軸參數設置頁進行設置。在示波器窗口的圖形區域內單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“Axes parameters”選項，出現一個名為“scope properties:axis1”的軸屬性對話框，如圖3-38所示。其中的Y-min與Y-max用來設置縱軸顯示數值范圍；Title項用來給顯示信號命名。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-38 示波器y軸范圍設定第3章 SIMULINK應用基礎 【例【例3.3】對例3.2所建模型進行仿真，并觀察系

45、統特性。解：解：(1) 打開例3.2中建立的模型文件12T.mdl。選擇菜單中的SimulationConfiguration Parameters選項，將“Simulation time”設置區域內的“開始時間”(Start time)設置為4.0，“結束時間”(Stop time)設置為20.0。(2) 雙擊封裝模塊，將參數對話框中的Tmax和Tmin分別設置為50和0，點擊“OK”按鍵。(3) 選擇菜單中的SimulationStart選項或點擊工具欄中圖標，開始仿真。仿真結束后，雙擊示波器模塊，在彈出的示波器面板中可以觀察系統仿真結果，如圖3-39(a)所示。第3章 SIMULINK應

46、用基礎 (4) 雙擊子系統封裝模塊，將參數對話框中的Tmax和Tmin分別設置為100和0，點擊“OK”按鍵。重新運行仿真并查看示波器，結果如圖3-39(b)所示。可見，該模型能正確仿真不同溫度輸入范圍溫度變送器的工作特性。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-39 例3.3仿真結果(a) 溫度范圍為050；(b) 溫度范圍為0100第3章 SIMULINK應用基礎 3.5 SIMULINK模塊庫模塊庫SIMULINK的最大特點之一就是提供了很多的基本模塊，目的是讓用戶能把更多的精力投入到系統模型本身的結構和算法研究上。SIMULINK的每個模塊對用戶都是透明的，用戶只需知道模塊的輸入、輸出

47、、功能以及內部可設置參數的意義，而不必管模塊內部是怎樣實現的，事件是如何驅動的等細節性問題。這樣，用戶要做的只是根據需要選擇合適的模塊，然后正確連接它們，即可以輕松、有效的方式完成自己的仿真任務。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-2所示模塊庫瀏覽器窗口的樹狀結構圖窗口中，共顯示了28個模塊庫(用戶在安裝時可以有選擇性地安裝，具體模塊庫個數由用戶安裝時的選擇項決定)。對于電力系統仿真而言，常用的模塊庫有兩個：標準SIMULINK模塊庫和電力系統模塊庫。第3章 SIMULINK應用基礎 3.5.1 標準標準SIMULINK模塊庫模塊庫如圖3.2所示，標準SIMULINK模塊庫在樹狀結構圖窗口

48、中名為“Simulink”。單擊Simulink圖標，在模塊窗口中展開該模塊庫，共含16個子庫，分別為“常用模塊庫(Commonly Used Blocks)”、“連續系統模塊庫(Continuous)”、“非連續系統模塊庫(Discontinuities)”、“離散系統模塊庫(Discrete)”、“邏輯與位操作模塊庫(Logic and Bit Operations)”、“查表模塊庫(Look-Up Tables)”、“數學運算模塊庫(Math Operations)”、“模塊聲明庫(Model Verification)”、“模塊通用功能庫(Model-Wide Utilities)”、

49、“端口和子系統模塊庫(Ports & Subsystems)”、第3章 SIMULINK應用基礎 “信號屬性模塊庫(Signal Attributes)”、“信號數據流模塊庫(Signal Routing)”、“接收器模塊庫(Sinks)”、“信號源模塊庫(Sources)”和“用戶自定義函數庫(User-Defined Functions)”、“附加的數學與離散函數庫(Additional Math and Discrete)”。下面簡單介紹各模塊子庫中包含的常用模塊類型及主要應用，各模塊子庫包含的具體模塊及詳細說明在附錄C中列出。1. 信號源模塊庫信號源模塊庫“信號源模塊庫”提供了

50、20多種常用的信號發生器，用于產生系統的激勵信號，并且可以從MATLAB工作空間及.mat文件中讀入信號數據。該模塊庫包含的常用模塊的名稱及功能簡介參見附錄C表C1。第3章 SIMULINK應用基礎 2. 接收器模塊庫接收器模塊庫“接收器模塊庫”提供了9種常用的顯示和記錄儀表，用于觀察信號的波形或記錄信號數據。該模塊庫包含的常用模塊的名稱及功能簡介參見附錄C表C2。3. 連續系統模塊庫連續系統模塊庫“連續系統模塊庫”提供了用于構建連續控制系統仿真模型的模塊。該模塊庫包含的常用模塊的名稱及功能簡介參見附錄C表C3。4. 離散系統模塊庫離散系統模塊庫“離散系統模塊庫”的功能基本與連續系統模塊庫相對

51、應，但它是對離散信號的處理。該模塊庫包含的模塊較豐富，其中常用的模塊的名稱及功能簡介參見附錄C表C4。第3章 SIMULINK應用基礎 5. 非連續系統模塊庫非連續系統模塊庫“非連續系統模塊庫”中的模塊用于模擬各種非線性環節。該模塊庫包含的常用模塊的名稱及功能簡介參見附錄C表C5。6. 數學運算模塊庫數學運算模塊庫“數學運算模塊庫”提供了用于完成各種數學運算(包括加、減、乘、除以及復數計算、函數計算等)的模塊。該模塊庫包含的常用模塊的名稱及功能簡介參見附錄C表C6。7. 邏輯與位操作模塊庫邏輯與位操作模塊庫“邏輯與位操作模塊庫”提供了用于完成各種邏輯與位操作(包括邏輯比較、位設置等)的模塊。該

52、模塊庫包含的常用模塊的名稱及功能簡介參見附錄C表C7。第3章 SIMULINK應用基礎 8. 信號數據流模塊庫信號數據流模塊庫“信號數據流模塊庫”提供了用于仿真系統中信號和數據各種流向控制操作(包括合并、分離、選擇、數據讀、寫)的模塊。該模塊庫包含的常用模塊的名稱及功能簡介參見附錄C表C8。9. 端口和子系統模塊庫端口和子系統模塊庫“端口和子系統模塊庫”提供了許多按條件判斷執行的使能和觸發模塊，還包括重要的子系統模塊。該模塊庫包含的常用模塊的名稱及功能簡介參見附錄C表C9。第3章 SIMULINK應用基礎 10. 用戶自定義函數庫用戶自定義函數庫“用戶自定義函數庫”內的模塊可以在系統模型中插入

53、M函數、S函數以及自定義函數等，使系統的仿真功能更強大。該模塊庫包含的常用模塊的名稱及功能簡介參見附錄C表C10。11. 常用模塊庫常用模塊庫“常用模塊庫”將上述各模塊庫中最經常使用的模塊放在一起，目的是為了方便用戶使用。該模塊庫包含的模塊的名稱及功能簡介參見附錄C表C11。12. 其它模塊庫其它模塊庫還有其它幾個模塊庫，由于應用較少，這里就不作介紹了，用戶若有應用，可查看MATLAB幫助文檔。第3章 SIMULINK應用基礎 3.5.2 電力系統模塊庫電力系統模塊庫電力系統模塊庫是專用于RLC電路、電力電子電路、電機傳動控制系統和電力系統仿真的模塊庫。該模塊庫中包含了各種交/直流電源、大量電

54、氣元器件和電工測量儀表以及分析工具等。利用這些模塊可以模擬電力系統運行和故障的各種狀態，并進行仿真和分析。電力系統模塊庫在樹狀結構圖窗口中名為SimPower Systems，以SimPowerSystem 4.0為例，展開后如圖3-40所示，共含7個可用子庫和1個廢棄的相量子庫。SimPower Systems 4.0中還含有一個功能強大的圖形用戶分析工具Powergui。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-40 電力系統模塊庫第3章 SIMULINK應用基礎 1. 電源子庫電源子庫“電源子庫”提供了7種電源模塊，分別是單相交流電流源、單相交流電壓源、單相受控電流源和單相受控電壓源、直流

55、電壓源、三相可編程電壓源和三相電源模塊。這些模塊的圖標及功能簡介參見附錄D表D1。2. 元件子庫元件子庫“元件子庫”提供了29種常用的電氣元件模塊，其中有9種變壓器模塊(包括耦合電路)、7種線路模塊、5種負荷模塊、4種斷路器模塊(包括避雷針模塊)、1個物理接口端子模塊、1個接地模塊、1個中性點模塊和1個三相濾波器模塊。這些模塊的圖標及功能簡介參見附錄D表D2，詳細使用參見第4章。第3章 SIMULINK應用基礎 3. 電機子庫電機子庫“電機子庫”提供了16種常用的電機模塊，其中有2種簡化的同步電機、3種詳細的同步電機、2種直流電機、2種異步電機、1個汽輪機及控制器、1個永磁同步電機、2種電力系

56、統穩定器、1個電機信號分離模塊、1個勵磁系統、1個水力和蒸汽渦輪調速系統模型。電機參數的單位有標幺制和國際單位制兩種。電機模塊既可用作電動機，也可用作發電機。這些模塊的圖標及功能簡介參見附錄D表D3，詳細使用參見第4章。第3章 SIMULINK應用基礎 4. 電力電子子庫電力電子子庫“電力電子子庫”提供了9種模塊，分別是二極管、簡化晶閘管、復雜晶閘管、GTO、理想開關、MOSFET、IGBT、通用橋式電路和三電平橋式電路。這些模塊的圖標及功能簡介參見附錄D表D4，詳細使用參見第5章。5. 測量子庫測量子庫“測量子庫”中的模塊有5種，分別是電壓測量模塊、電流測量模塊、阻抗測量模塊、三相電壓電流測

57、量模塊和萬用表模塊。這些模塊的圖標及功能簡介參見附錄D表D5。6. 相量子庫相量子庫“相量子庫”已經被廢棄，其中僅包含一個靜止無功補償器模塊(Static Var Compensator)。第3章 SIMULINK應用基礎 7. 應用子庫應用子庫“應用子庫”中又包含了3個子庫，分別是“分布式電源子庫”、“特種電機子庫”和“FACTS子庫”。“分布式電源子庫”中目前只含有適合于普通風能發電系統的分布式能源模型；“特種電機子庫”中含有特殊的直流、交流電機模塊和軸系及減速器模型；“FACTS子庫”中含有HVDC系統模型、基于FACTS的電力電子模塊和特種變壓器。這些模塊相對而言都比較復雜，讀者可以在

58、具體應用時參看SIMULINK的幫助。第3章 SIMULINK應用基礎 8. 附加子庫附加子庫附加子庫中包含了上述模塊庫中沒有的其它電氣元件模型，使用這些模塊可以使系統的仿真功能更加強大。附加子庫又包含了7個子模塊庫，其中“額外電機子庫”(Additonal Machines)和“三相模塊庫”(Three-Phase Library)已經廢棄，剩余的5個子模塊庫分別涉及控制模塊、離散控制模塊、離散測量模塊、測量模塊、相量模塊等相關內容，包括RMS測量、有效和無功功率計算、傅里葉分析、HVDC 控制、軸系變換、三相V-I 測量、三相脈沖和信號發生、三相序列分析、三相 PLL 和連續/離散同步6/

59、12脈沖發生器等。這些模塊的圖標及功能簡介參見附錄D表D6。第3章 SIMULINK應用基礎 3.6 SIMULINK系統仿真應用系統仿真應用3.6.1 一般控制系統中的仿真應用一般控制系統中的仿真應用【例【例3.4】對圖3-41所示的控制系統進行建模仿真，求系統的階躍響應特性。圖3-41 控制系統框圖第3章 SIMULINK應用基礎 解：解：(1) 選擇SIMULINK模塊庫瀏覽器工具欄中的圖標，打開一個新的SIMULINK仿真平臺窗口。(2) 從SIMULINK模塊庫瀏覽器中尋找并拖曳相應的模塊到仿真平臺窗口，進行適當的排列，如圖3-42所示。第3章 SIMULINK應用基礎 圖3-42

60、目標模塊選取并合理排列第3章 SIMULINK應用基礎 其中，Step模塊來自SIMULINK標準模塊庫的Sources子庫，用以模擬階躍輸入信號；Transfer Fcn模塊來自SIMULINK標準模塊庫的Continuous子庫，用以實現系統前向通道中包含的傳遞函數環節；Transfer Fcn1模塊來自SIMULINK標準模塊庫的Continuous子庫，用以實現系統后向反饋通道中包含的傳函環節；Integrator模塊來自SIMULINK標準模塊庫的Continuous子庫，用以實現系統中包含的積分環節；Sum模塊來自SIMULINK標準模塊庫的Math Operations子庫，用以實現系統中的反饋