Matlab

simulink仿真軟件

Simulnk是Matalb作為重要的組件之一，它向用戶提供一個動態建模、仿真和綜合分析的集成環境。在此環境中，用戶無需書寫大量的程序，而只需通過簡單直觀的鼠標操作，選取適當的模塊，就可構造出復雜的仿真模型。主要優點：適應面廣，可構造的系統包括：線性、非線性；離散、連續及混合系統；單任務、多任務離散事件系統。結構和流程清晰。它外表一方框圖形式呈現，采用分層結構。即使用自上而下的設計流程，又適用于自下而上逆程設計。仿真更為精細。它提供的許多模型更接近實際，為用戶擺脫理想化的假設的無奈開辟了途徑。基于課時的限制，我們通過幾個典型的例題為主線，介紹一下斯simulink的使用

4.1啟用Simulink并建立系統模型

由于Simulink是基于MATLAB環境之上的高性能的系統級仿真設計平臺，因此啟動Simulink之前必須首先運行MATLAB，然后才能啟動Simulink并建立系統模型。啟動Simulink有兩種方式：(1)用命令行方式啟動Simulink。即在MATLAB的命令窗口中直接鍵入如下命令：

>>simulink(2)使用工具欄按鈕啟動Simulink。即用鼠標單擊MATLAB工具欄中的Simulink按鈕。當用戶完成Simulink系統模型的編輯之后，需要保存系統模型，然后設置模塊參數與系統仿真參數，最后便可以進行系統的仿真。無論采用何種方式，用戶都可以在短短幾分鐘內熟練掌握啟動Simulink的方法并開始創建動態系統模型。在系統模型編輯器中，用戶可以“拖動”Simulink提供的大量的內置模塊建立系統模型。下一節將對Simulink中的內置系統模塊作一個比較全面的介紹，以便初學者無需查閱各個模塊的幫助文獻，便可以迅速建立所需的系統模型。4.2Simulink模塊庫簡介與使用在上一節中，我們已經掌握了如何啟動Simulink并新建一個動態系統模型。為便于用戶能夠快速構建自己所需的動態系統，Simulink提供了大量以圖形方式給出的內置系統模塊，使用這些內置模塊可以快速方便地設計出特定的動態系統。為了便于用戶對Simulink內置模塊庫的認識與使用，本節簡單介紹Simulink中的模塊庫以及模塊庫中具有代表意義的系統模塊。圖4.2所示為Simulink的模塊庫瀏覽器。

圖4.1Simulink的模塊庫瀏覽器Simulink的模塊庫能夠對系統模塊進行有效的管理與組織，使用Simulink模塊庫瀏覽器可以按照類型選擇合適的系統模塊、獲得系統模塊的簡單描述以及查找系統模塊等，并且可以直接將模塊庫中的模塊拖動或者拷貝到用戶的系統模型中以構建動態系統模型。4.2.1Simulink公共模塊庫

Simulink公共模塊庫是Simulink中最為基礎、最為通用的模塊庫，它可以被應用到不同的專業領域中。Simulink公共模塊庫共包含9個模塊庫，如圖4.2所示。下面分別介紹各個模塊的功能：1.Continuous（連續系統模塊庫）連續系統模塊庫以及其中各模塊的功能如圖4.3所示。2.Discrete（離散系統模塊庫）離散系統模塊庫以及其中各模塊的功能如圖4.4所示。圖4.2Simulink的公共模塊庫

：

連續信號的數值微分

輸入信號的連續時間積分

單步積分延遲，輸出為前一個輸入

線性連續系統的狀態空間描述

線性連續系統的傳遞函數描述

對輸入信號進行固定時間延遲

對輸入信號進行可變時間延遲

線性連續系統的零極點模型

模塊功能說明連續信號的數值微分輸入信號的連續時間積分單步積分延遲，輸出為前一個輸入線性連續系統的狀態空間描述線性連續系統的傳遞函數描述對輸入信號進行固定時間延遲對輸入信號進行可變時間延遲線性連續系統的零極點模型圖4.3連續系統模塊庫及其功能圖4.4離散系統模塊庫及其功能3.Functions&Tables（函數與表庫）函數與表庫以及其中各模塊的功能如圖4.5所示。4.Math（數學運算庫）數學運算庫以及其中各模塊的功能如圖4.6所示。5.Nonlinear（非線性系統模塊庫）圖4.7非線性系統模塊庫及其功能6.Signals&Systems（信號與系統模塊庫）圖4.8信號與系統模塊庫及其功能7.Sinks（系統輸出模塊庫）圖4.9系統輸出模塊庫及其功能8.Sources（系統輸入模塊庫）圖4.10系統輸入模塊庫及其功能9.Subsystems（子系統模塊庫）圖4.11子系統模塊庫及其功能之所以用較多的篇幅對Simulink的公共模塊庫進行比較全面的介紹，是因為Simulink的公共模塊庫中提供了大量內置的系統模塊，這些系統模塊的用途非常廣泛，并且一般的動態系統模型都可以使用公共模塊庫中的模塊來構建。除了公共模塊庫之外，Simulink中還集成了許多面向不同專業領域的專業模塊庫，普通用戶一般很少用到其中的模塊。因此，在介紹Simulink的專業模塊庫時，僅對模塊庫的總體功能做簡單的概述。如果用戶需要的話，可以在Simulink中的模塊描述欄了解其主要功能。

4.1.1

Simulink專業模塊庫

Simulink集成了許多面向各專業領域的系統模塊庫，不同領域的系統設計者可以使用這些系統模塊快速構建自己的系統模型，然后在此基礎上進行系統的仿真與分析，從而完成系統設計的任務。這里僅簡單介紹部分專業模塊庫的主要功能。ControlSystemToolbox模塊庫：面向控制系統的設計與分析，主要提供線性時不變系統的模塊。

(2)?DSPBlockset模塊庫：

面向數字信號處理系統的設計與分析，主要提供DSP輸入模塊、DSP輸出模塊、信號預測與估計模塊、濾波器模塊、DSP數學函數庫、量化器模塊、信號管理模塊、信號操作模塊、統計模塊以及信號變換模塊等。

(3)?SimulinkExtras模塊庫：

主要補充Simulink公共模塊庫，提供附加連續模塊庫、附加線性系統模塊庫、附加輸出模塊庫、觸發器模塊庫、線性化模塊庫、系統轉換模塊庫以及航空航天系統模塊庫等。

(4)S-functiondemos模塊庫：

主要提供C++、C、FORTRAN以及M文件下S-函數的模塊庫的演示模塊。

(5)Real-TimeWorkshop與Real-TimeWindowsTarget模塊庫：

主要提供各種用來進行獨立可執行代碼或嵌入式代碼生成，以實現高效實時仿真的模塊。它們和RTW、TLC有著密切的聯系。

(6)Stateflow庫：

對使用狀態圖所表達的有限狀態機模型進行建模仿真和代碼生成。有限狀態機用來描述基于事件的控制邏輯，也可用于描述響應型系統。

(7)定點模塊庫：包含一組用于定點算法仿真的模塊。(8)通訊模塊庫：專用于通信系統仿真的一組模塊。(9)?Dials&Gauges庫：圖形儀表模塊庫，它們實際上是一組ActiveX控件。(10)神經網絡模塊庫：用于神經網絡的分析設計和實現的一組模塊。(11)模糊控制模塊庫：包括一組有關模糊控制的分析設計和實現的模塊。(12)?xPC模塊庫：提供了一組用于xPC仿真的模塊。

4.3構建Simulink框圖

在上一節中簡單介紹了Simulink中的一些比較常用的系統模塊。本節將介紹如何使用這些系統模塊以構建用戶自己的系統模型。當Simulink庫瀏覽器被啟動之后，通過鼠標左鍵單擊模塊庫的名稱可以查看模塊庫中的模塊。模塊庫中包含的系統模塊顯示在Simulink庫瀏覽器右邊的一欄中。對Simulink庫瀏覽器的基本操作有：(1)使用鼠標左鍵單擊系統模塊庫，如果模塊庫為多層結構，則單擊“+”號載入庫。(2)使用鼠標右鍵單擊系統模塊庫，在單獨的窗口打開庫。(3)使用鼠標左鍵單擊系統模塊，在模塊描述欄中顯示此模塊的描述。(4)使用鼠標右鍵單擊系統模塊，可以得到系統模塊的幫助信息，將系統模塊插入到系統模型中，查看系統模塊的參數設置，以及回到系統模塊的上一層庫。此外還可以進行以下操作：(1)使用鼠標左鍵選擇并拖動系統模塊，并將其拷貝到系統模型中。(2)在模塊搜索欄中搜索所需的系統模塊。

4.3.1模塊選擇

這里用一個非常簡單的例子介紹如何建立動態系統模型。此簡單系統的輸入為一個正弦波信號，輸出為此正弦波信號與一個常數的乘積。要求建立系統模型，并以圖形方式輸出系統運算結果。已知系統的數學描述為

系統輸入：t≥0

系統輸出：

4.3.2模塊操作下面介紹一些對系統模塊進行操作的基本技巧，掌握它們可使建立動態系統模型變得更為方便快捷。1.模塊的復制如果需要幾個同樣的模塊，可以使用鼠標右鍵單擊并拖動某個塊進行拷貝。也可以在選中所需的模塊后，使用Edit菜單上的Copy和Paste或使用熱鍵Ctrl+C和Ctrl+V完成同樣的功能。

2.模塊的插入如果用戶需要在信號連線上插入一個模塊，只需將這個模塊移到線上就可以自動連接。注意這個功能只支持單輸入單輸出模塊。對于其他的模塊，只能先刪除連線，放置塊，然后再重新連線。

3.連線分支與連線改變在某些情況下，一個系統模塊的輸出同時作為多個其它模塊的輸入，這時需要從此模塊中引出若干連線，以連接多個其它模塊。對信號連線進行分支的操作方式為：使用鼠標右鍵單擊需要分支的信號連線（光標變成“+”），然后拖動到目標模塊。

4.信號組合

利用Simulink進行系統仿真時，在很多情況下，需要將系統中某些模塊的輸出信號（一般為標量）組合成一個向量信號，并將得到的信號作為另外一個模塊的輸入。4.3.3運行仿真1.系統模塊參數設置與系統仿真參數設置當用戶按照信號的輸入輸出關系連接各系統模塊之后，系統模型的創建工作便已結束。為了對動態系統進行正確的仿真與分析，必須設置正確的系統模塊參數與系統仿真參數。系統模塊參數的設置方法如下：

(1)雙擊系統模塊，打開系統模塊的參數設置對話框。

(2)在參數設置對話框中設置合適的模塊參數。當系統中各模塊的參數設置完畢后，可設置合適的系統仿真參數以進行動態系統的仿真。有關系統仿真參數設置的知識將在第5章中進行詳細的介紹，這里不再贅述。對于上圖所示的動態系統，系統模塊參數設置如圖中所示（增益取值為5），系統仿真參數采用Simulink的默認設置設系統的微分方程為：試用simulink建立仿真模型，求解該方程解：為方便建立模型，將方程變形整理為：例如：用simulnk解微分方程例如：在自動控制系統中運用，如下圖的多環控制系統，試運用simulink完成：（1）求該系統的單位階躍響應；（2）求系統的傳遞函數解1）打開模型編輯器，建立SIMULINK模型，點擊運行可觀察系統的仿真結果，用于時域仿真的模型2）系統模型中獲取傳遞函數用于系統傳遞函數計算的模型建立好模型后以exm1001.dml保存，在命令窗口鍵入如下命令即可得到系統的傳遞函數[A,B,C,D]=linmod2('exm1001');%從simulink模型得到系統的狀態方程STF=tf(minreal(ss(A,B,C,D)))%求狀態方程的最小實現的傳遞函數[num,den]=tfdata(STF);%提取傳遞函數的分子分母多項式num{:},den{:}Transferfunction:-1.352e-014s^4-4.809e-013s^3+100s^2+300s+200--------------------------------------------------------s^5+21s^4+157s^3+663s^2+1301s+910

ans=0-0.0000-0.0000100.0000300.0000200.0000ans=1.0e+003*0.00100.02100.15700.66301.30100.9100既得到系統的傳遞函數若在在Matlab命令窗口鍵入t1=(0:0.1:5)';%給定待計算響應的時間數據點[y,t]=step(STF,t1);%求出指定時間點上的輸出響應值plot(t,y);gridon%繪制響應曲線simulink與Matlabde

接口設計1)由Matlab工作空間變量設置系統模塊參數例：在simulink編輯器窗口，編輯下面圖形模型然后，在Matlab命令窗口中輸入，a=4，即可查看輸出結果。2)將信號輸出到Matlab

工作空間中；例如：在運行此程序后，它可將輸出結果自動以數組的形式存入Matlab工作空間，帶要用時隨時調用。比如：在Matlab命令窗口鍵入：〉〉plot(t,y);grid3)使用工作空間變量作為系統輸入信號。雙擊FromWorkspace會彈出會話框作如上設置后，在Matlab命令窗口，鍵入a=5t=0:0.1:10;x=sin(t);input=[t',x'];向量與矩陣在前面的系統模型中，Simulink所使用的信號均為標量。其實Simulink業能夠傳遞和使用向量信號。例如：向量增益可以作用在一個標量信號上，產生一個向量輸出。雙擊Gain模塊，彈出上面對話框，乘法類型共有三種：1)按元素操作

2)按矩陣左乘

3)按矩陣右乘例1：

利用simulink仿真技術對以下系統進行動態仿真。其中：u(t)為系統輸入;y(t)為系統輸出例3：simulink

中的數字濾波器的數學描述：數字濾波器可以對系統輸入的信號進行數字濾波。這里以低通數字濾波器為例說明離散系統的仿真技術，低通濾波器可以濾出信號中的高頻部分，以獲取信號中有用的低頻信號，它的應用時非常廣泛的，下面給出一個低通數字濾波器的差分方程描述：其中：u(n)為系統輸入;y(n)為系統輸出由濾波器系統的差分方程可或的系統Z變換描述：建立數字濾波器系統模型：注：sineWave和sineWave1為同頻、同幅的高頻波。在此系統中，使用高頻正弦波對一低頻波形進行幅度調制，然后在無損信道中傳遞此信號；當接受方收到幅度調制信號后，在進行調解，然后使用低通濾波器對解調后的信號進行濾波以獲得低頻波形。從結果中，數字濾波器的輸出信號與原始信號并不完全一致，存在著一定的失真，這種失真是不可避免的，因為實際并不存在理想的濾波器，不能夠完全濾除信號的某種頻率的分量，而且在使用高頻載波對低頻信號進行調制時，信號之間不可避免地出現相互干擾。例如：利用simulink建立子系統，再利用子系統產生曲線封裝為子程序在命令窗口鍵入t=0:0.1:10input=[t',2*t']回車運行后即可觀察輸出結果為了檢驗其運算的正確性，我們利用編程的方法作一下驗證x=0:0.1:10;y=[];forx0=xy=[y,2*exp(-0.5*x0)*sin(2*pi*x0)];endplot(x,y),gridon例:利用simulink仿真下列曲線，取子系統及其封裝技術當模型的規模較大或者較復雜時，用戶可以把幾個模塊合成一個新的模塊，這樣的模塊成為子系統。子系統把功能上有關的一些模塊集中到一起保存，能夠完成幾個模塊的功能。建立子系統的優點是：減少系統中的模塊數目，使系統易于調試，而且可以將一些常用的子系統封裝成一些模塊。這些模塊可以在其他模型中直接作為標準的simulink模塊使用。一、子系統的建立建立子系統有兩種方法：通過Subsystem模塊建立子系統；通過已有的模塊建立子系統通過Subsystem模塊建立子系統操作步驟為：打開simulink工具箱，新建一個仿真編輯窗口；打開simulink模塊庫中的Ports&Subsystem模塊庫，將subsystem模塊添加到模型編輯窗口中。雙擊Subsystem模塊打開空白的Subsystem窗口，將要組合的模塊添加到該窗口中，這樣一個子系統就建好了。通過已有的模塊建立子系統例如：PID控制器是自動控制中經常使用的塊，在工程應用中其標準的數學模型為試建立PID控制器的模型并建立子系統建立好PID控制器的模型后，用鼠標選中需要部分按鼠標右鍵出現菜單二、子系統的條件執行子系統的執行可以有輸入信號來控制，用于控制系統執行的信號稱為控制信號，而由控制信號控制的子系統稱為條件執行子系統。在一個復雜模型中，有的模塊的執行依賴于其他模塊，這種情況下，條件執行子系統是很有用的。條件執行子系統分為:使能子系統觸發子系統使能加觸發子系統1、使能子系統使能子系統表示系統在由控制信號控制時，控制信號由負變正時子系統開始執行，直到控制信號再次為負時結束。控制信號可以是標量也可以是向量。如果控制信號是標量，則當標量值大于零時子系統開始執行。如果控制信號是向量，則向量中任何一個元素大于0，子系統將執行。建立使能子系統的方法：打開simulink模塊中的Ports&Subsystem模塊庫中的Subsysytem，將Enable模塊加進去，則系統的圖標發生變化。“使能”控制口例如：利用使能子系統構成一個正弦半波整流器模型建好后，雙擊使能模塊打開右邊的對話框選擇reset,后運行系統觀察結果2、觸發子系統觸發子系統是指當觸發事件發生時開始執行子系統，與使能子系統相類似，觸發子系統的建立要把Ports&Subsystem模塊庫中的Trigger模塊添加到子系統中或直接選擇TriggerSubsystem模塊來建立觸發子系統。

觸發子系統在每次觸發結束到下次觸發之前總是保持上一次的輸出值，而不會重新設置初始輸出值。觸發形式：rising（上升沿觸發）：控制信號從負值或0上升到正值時子系統開始執行；falling（下降沿觸發）：控制信號從正值或0下降到負值時子系統開始執行；either(上升或下降沿觸發）：當控制信號滿足上升或下降觸發條件時，子系統開始執行；funtion-call（函數調用觸發）：表示子系統的觸發由S函數的內部邏輯關系決定，這種觸發方式必須與S函數配用例如：利用觸發子系統將一鋸齒波轉換為方波選擇either觸發三、子系統的封裝前面介紹了子系統的建立，在對子系統進行參數設置時，需要打開其中的每個模塊，然后進行參數設置，子系統本身沒有基于整體的獨立操作界面，從而使子系統的應用受到很大限制，為解決此問題，simulink提供了系統封裝技術。所謂子系統的封裝（Masking），就是為子系統自定義對話框和圖標，使子系統本身有一個獨立的操作界面，把子系統中各模塊的參數對話框結合成一個參數設置對話框，在使用時不必打開每個模塊進行參數設置，這樣使子系統使用更加方便下面我們以一例題來看看如何封裝子系統例如：我們將PID控制封裝為子系統子系統的封裝過程很簡單，先選中索要封裝的子系統，再選擇模型編輯窗口Edit菜單中的Masksubsystem命令，這時將出現封裝編輯器的（MaskEditor)對話框，MaskEditor對話框中共包括4個選項卡：Icon\Parameters\Initialization\Documentation1、Icon選項卡的參數設置在Icon選項卡中主要設置封裝快的圖標，Icon選項卡中包括編輯框Drawingcommands和幾個設置封裝圖標特性的下拉式列表框（1）Drawingcommands編輯框該編輯框主要用來建立封裝圖標，并且可以在封裝圖標中顯示文本，圖形、圖像或傳遞函數。在封裝圖標中顯示文本的函數有4個：disp\text\fprintf\port_lable.Simulink/線形時不變系統瀏覽器

---LTIViewer線形時不變系統瀏覽器（LinearTimeInvariantViewer，LTIViewer)是simulink控制系統工具箱中所提供的線性時不變系統瀏覽器工具，主要用來完成系統的分析和線性化處理，在對非線性系統的線型化分析時，LTIViewer是進行系統分析的最直觀的圖形界面，它提供了豐富的功能，使用戶對系統分析變得簡單而直觀。在利用LTIViewer對系統進行分析時，必須將系統轉換成為LTI對象，（線性時不變系統對象）的三種形式（ss對象、tf對象和ZPK對象）之一，因LTI對象是控制系統工具箱中最為基本的數據類型。1、啟動LTIViewer在Matlab命令窗口中，可以用兩種方法啟動LTIViewer在Matlab命令窗口中直接鍵入ltiview命令>>ltiview（回車）LTIViewer窗口在Matlab窗口左下角的“Start”菜單中，單擊“Toolboxs→Controlsystem”命令子菜單中的“LTIViewer”LTIViewer窗口2、輸入系統模型在啟動LTIViewer之后，需要利用

LTIViewer

窗口中File菜單下的Import命令，輸入用戶所要分析的線性系統的LTI模型。該線性系統的LTI模型可來自Matlab的工作空間或磁盤文件中。但如果對象模型的來源為Simulink系統模型框圖，則必須對此進行線性化處理已獲得系統的LTI對象描述。這是因為在LTIViewer

中所分析的線性系統的對象比為LTI對象（ss對象、tf對象和ZPK對象）。例如：在滑艇運動中，滑艇主要受到如下作用力的控制，1）滑艇自身的牽引力F；2）滑艇受到水的阻力f。其中水的阻力f=v2-v，v為滑艇的運動速度，由運動學的相關定理可知，整個滑艇系統的動力學方程為：式中：m為滑艇的質量，m=100kg；有滑艇的動力學方程可見，此系統為一非線性系統，F為滑艇的牽引力，F=1000N；利用simulink建模并進行線性化處理。由仿真曲線可見，在牽引力F=1000N的作用下，經過80s后，滑艇速度從0上升并穩定在33km/h，對于滑艇而言，若要獲得勝利，華亭必須盡可能的在短的時間內，達到最大速度，若設最大速度為100km/h，F=？此時將上面的*.mdl變成在Matlab命令窗口，鍵入>>[x,u,y,dx]=trim('ht',[],[],100,[],[],1)X為滑艇控制系統的狀態變量，u為輸入量，即為牽引力F，y為系統在平衡點的輸出。x=100u=9900y=100dx=0輸出結果將牽引力F=9900，滑艇系統的速度仿真結果為求取滑艇速度控制系統的線性系統描述，在Matlab命令窗口鍵入>>[A,b,c,d]=linmod(‘ht’,100,9900)%系統ss描述輸出結果A=-0.1990；b=1.0000e-003；c=1.0000；d=0；故得線性系統的狀態空間描述方程為下面我們看如何利用LTIViewer求線性化后的系統的單位階躍響應方法：根據線性化后得到的狀態空間模型的系數矩陣（A，b，c，d），在Matlab命令窗口鍵入>>A=-0.1990;b=1.0000e-003;c=1.0000;d=0;ht=ss(A,b,c,d)啟動LTIViewer，并在LTIViewer窗口中File菜單下的Import命令，打開系統模型對話框Step響應和脈沖響應曲線按第一種方法啟動LTIViewer，經過與上相同的步驟，可只能得到單位階躍響應曲線。3、繪制系統的不同響應曲線在已有系統響應曲線的LTIViewer窗口中，利用鼠標單擊右鍵，可見利用LTIViewer還可繪制系統bode圖、零極點圖等六種圖形。4、改變系統響應曲線繪制布局在默認情況下，LTIViewer圖形繪制窗口中僅僅繪制一種或兩種響應曲線，如果用戶需要同時繪制多個系統響應曲線圖，則可使用LTIViewer窗口中的編輯（Edit）菜單下的PlotConfigurations命令，打開曲線設置窗口對話框。在此對話窗口中，用戶不僅可以利用布局設置（SelectaresponseConfigurations）選擇LTIViewer

提供的6種圖形布局，還可以利用（Responsetype）選擇自己要畫的圖形。例如：在同一窗口繪制滑艇線性化后所得到的狀態空間模型的6種不同的響應曲線5、系統的時域與頻域性能分析利用LTIViewer不僅可方便的繪制何種響應曲線，還可以從系統響應曲線中獲得系統的響應信息。6、

LTIViewer圖形界面的高級控制對LTIViewer圖形窗口的控制有兩種方式1）對整個瀏覽器窗口LTIViewer進行控制單擊LTIViewer窗口的編輯（Edit）菜單下的ViewerPreferences命令對瀏覽器進行設置，其對話窗口為：、

LTI圖形控制（ViewerPreferences）窗口有4個頁面Units頁面：設置圖形顯示的頻率、幅值及相位的單位Style頁面：設置圖形顯示時的字體、顏色及繪圖網格Options頁面：設置系統的性能參數，如定義調整時間和上升時間的變化范圍Parameters頁面：設置系統響應輸出的時間變量和頻率變量。2）對某一系統響曲線繪制窗口進行操作在系統響應曲線繪制窗口中單擊鼠標右鍵，在彈出菜單中單擊Propertise命令。打開曲線特性設置窗口。曲線特性設置窗口共有5個頁面。Labels頁面：設置系統響應曲線圖形窗口的坐標軸名稱、窗口名稱；