第5章

Simulink

在系統(tǒng)仿真中的應用

薛定宇著.控制系統(tǒng)計算機輔助設計－MATLAB語言與應用（第二版）.北京:清華大學出版社，2006.CAI課件開發(fā):解志斌2025/4/191高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用主要內容Simulink

建模的基礎知識Simulink

建模與仿真非線性系統(tǒng)分析與仿真子系統(tǒng)與模塊封裝技術M-函數、S-函數編寫及其應用本章要點小結2025/4/192高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.1

Simulink建模的基礎知識Simulink簡介Simulink下常用模塊簡介Simulink下其他工具箱的模塊組2025/4/193高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.1.1Simulink

簡介控制系統(tǒng)仿真研究的一種很常見的要求是通過計算機得出系統(tǒng)在某信號驅動下的時間響應，從中得出期望的結論。對線性系統(tǒng)來說，可以按照第4章介紹的方法，對于更復雜的系統(tǒng)來說，Simulink環(huán)境就是解決這樣問題的理想工具，它提供了各種各樣的模塊，允許用戶用框圖的形式搭建起任意復雜的系統(tǒng)，從而對之進行準確的仿真。2025/4/194高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用輸入open_system(‘simulink’)命令將打開模型庫，庫中還有下一級的模塊組，如連續(xù)模塊組、離散模塊組和輸入輸出模塊組等，用戶可以用雙擊的方式打開下一級的模塊組，尋找及使用所需要的模塊。單擊MATLAB命令窗口工具欄中的Simulink

圖標，也可以打開Simulink

模塊瀏覽器窗口。2025/4/195高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.1.2Simulink

下常用模塊簡介1.輸入模塊組Sources2.輸出池模塊組sbfSinks3.連續(xù)系統(tǒng)模塊組Continuous4.離散系統(tǒng)模塊組Discrete5.非線性模塊組Discontinuities6.數學函數模塊組MathOperations7.查表模組塊Look-upTables8.用戶自定義函數模塊組User-definedFunctions9.信號模塊組SignalRouting10.信號屬性模塊組SignalAttributes2025/4/196高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.1.3

Simulink

下其他工具箱的模塊組除了上述的各個標準模塊組之外，隨著MATLAB工具箱安裝的不同，還有若干工具箱模塊組和模塊集(blockset)，其他模塊組如下圖所示。2025/4/197高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/198高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.2

Simulink

建模與仿真Simulink

建模方法簡介仿真算法與控制參數選擇Simulink

在控制系統(tǒng)仿真研究中的應用舉例2025/4/199高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.2.1Simulink

建模方法簡介【例5-1】考慮圖5-16中給出的典型非線性反饋系統(tǒng)框圖，其中控制器為PI控制器，其模型為:2025/4/1910高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用由于系統(tǒng)中含有非線性環(huán)節(jié)，所以這樣的系統(tǒng)不能用第4章中給出的線性系統(tǒng)方法進行精確仿真，而建立起系統(tǒng)的微分方程模型，用第2章中介紹的方法去求解也是件很煩瑣的事，如果哪步出現問題，則仿真結果就可能出現錯誤。圖5-16:2025/4/1911高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用Simulink是解決這樣問題的最有效的方法，可以用下面的步驟搭建此系統(tǒng)的仿真模型：

①打開模型編輯窗口;

首先打開一個模型編輯窗口，這可以單擊Simulink工具欄中新模型的圖標或選擇菜單項實現。②復制相關模塊;

將相關的模塊組中的模塊拖動到此窗口中③修改模塊參數;④模塊連接;⑤系統(tǒng)仿真研究;2025/4/1912高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.2.2仿真算法與控制參數選擇

選中Simulink模型窗口的Simulation菜單項，其中的ConfigurationParameters菜單項允許用戶設置仿真控制參數：①Starttime和Stoptime欄目分別允許用戶填寫仿真的起始時間和結束時間。②Solveroptions的Type欄目有兩個選項，允許用戶選擇定步長和變步長算法。③仿真精度控制有RelativeTolerance選項、AbsoluteTolerance等，其中相對誤差限的默認值設置為1e-3，該值在實際仿真中顯得偏大，建議選擇1e-6和1e-7。值得指出的是，由于采用的變步長仿真算法，所以將誤差限設置到這樣小的值也不會增加太大的運算量。2025/4/1913高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用④在仿真時還可以選定最大允許的步長和最小允許的步長，這可以通過填寫Maxstepsize欄目和Minstepsize的值來實現，如果變步長選擇的步長超過這個限制則將彈出警告對話框。⑤一些警告信息和警告級別的設置可以從其中的Diagnostics標簽下的對話框來實現，具體方法在這里就不贅述了。除了用Simulation菜單啟動系統(tǒng)仿真的進程外，還可以調用sim()函數來進行仿真分析，該函數的調用格式為:2025/4/1914高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用仿真控制參數options可以通過simset()函數來設置，其調用格式為:2025/4/1915高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.2.3Simulink

在控制系統(tǒng)

仿真研究中的應用舉例【例5-2】非線性微分方程的框圖求解考慮例2-34中給出的方程，其數學表達式為:2025/4/1916高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用這樣的微分方程在Simulink下也可以搭建相應的仿真模型，從而進行仿真。如下圖所示：2025/4/1917高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1918高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1919高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1920高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1921高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1922高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1923高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用Simulink模型調試2025/4/1924高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用Simulink模型調試2025/4/1925高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用Simulink模型調試2025/4/1926高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用【例5-3】考慮例4-19中介紹的多變量系統(tǒng)階躍響應仿真問題。由于含有時間延遲，所以不可能直接用feedback()函數構造閉環(huán)系統(tǒng)模型，所以在例4-19的仿真中采用了近似的方法將時間延遲近似為二階傳遞函數的形式進行仿真的，然而仿真的精度到底如何當時無法驗證。

有了Simulink

這樣的工具，就可以容易地建立起精確的仿真模型，如圖2025/4/1927高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用回顧例4-19中利用近似得出的結果，可以利用step()函數的特殊調用格式求出其在每一路階躍信號單獨作用下的階躍響應近似解2025/4/1928高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1929高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用u1=1;u2=0;

Kp=[0.11340.924;0.3378-0.318];

plot(tout(:,1),yout(:,1))];

plot(tout(:,1),yout(:,2))2025/4/1930高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用>>g11=tf(0.1134,[1.784.481],'ioDelay',0.72);

g21=tf(0.3378,[0.3611.091],'ioDelay',0.3);

g12=tf(0.924,[2.071]);

g22=tf(-0.318,[2.931],'ioDelay',1.29);

G=[g11,g12;g21,g22];%輸入傳遞函數矩陣

2025/4/1931高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用[n1,d1]=paderm(0.72,0,2);g11.ioDelay=0;g11=tf(n1,d1)*g11;[n1,d1]=paderm(0.30,0,2);g21.ioDelay=0;g21=tf(n1,d1)*g21;[n1,d1]=paderm(1.29,0,2);g22.ioDelay=0;g22=tf(n1,d1)*g22;G1=[g11,g12;g21,g22];%近似后系統(tǒng)傳遞函數矩陣2025/4/1932高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用Kp=[0.1134,0.924;0.3378,-0.318];G2=ss(G1*Kp);%補償后狀態(tài)方程[y1,x1,t1]=step(G2.a,G2.b,G2.c,G2.d,1,15);%第一輸入系統(tǒng)階躍響應[y2,x2,t2]=step(G2.a,G2.b,G2.c,G2.d,2,15);%第二輸入系統(tǒng)階躍響應2025/4/1933高等應用數學問題的MATLAB求解2025/4/1934高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用直接用Simulink模型進行仿真，則可以容易地得出該系統(tǒng)分別在兩路階躍單獨作用下階躍響應的精確解，并將解析解和近似解在同一坐標系下繪制出來，如下圖所示。2025/4/1935高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用【例5-4】計算機控制系統(tǒng)的仿真考慮如下圖所示經典的計算機控制系統(tǒng)模型，其中，控制器模型是離散模型，采樣周期為秒，ZOH為零階保持器，而受控對象模型為連續(xù)模型，假設受控對象和控制器都已經給定其中，對這樣的系統(tǒng)來說，直接寫成微分方程形式再進行仿真的方法是不可行的，因為其中既有連續(xù)環(huán)節(jié)，又有離散環(huán)節(jié)，不可能直接寫出系統(tǒng)的微分方程模型。2025/4/1936高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用解決這樣的系統(tǒng)仿真問題也是Simulink的強項，由給出的控制系統(tǒng)框圖，可以容易地繪制出系統(tǒng)的Simulink仿真框圖，如下圖所示。2025/4/1937高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1938高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1939高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1940高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1941高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1942高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用這時離散控制器的傳遞函數模型為:這些語句能夠得出和Simulink完全一致的結果，且分析格式更簡單，但也應該注意到其局限性，因為該方法只能分析線性系統(tǒng)，若含有非線性環(huán)節(jié)則無能為力，而Simulink求解則沒有這樣的限制。2025/4/1943高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1944高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1945高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1946高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1947高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用回調函數（Callbacks）2025/4/1948高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1949高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1950高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1951高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用建立了仿真模型之后，就可以給出下面MATLAB命令，對該系統(tǒng)進行仿真，并得出該時變系統(tǒng)的階躍響應曲線，如圖所示。2025/4/1952高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1953高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1954高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1955高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用Simulink仿真框圖如下：2025/4/1956高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1957高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1958高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1959高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1960高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1961高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1962高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.3

非線性系統(tǒng)分析與仿真分段線性的非線性環(huán)節(jié)非線性系統(tǒng)的極限環(huán)研究非線性系統(tǒng)的線性化2025/4/1963高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.3.1分段線性的非線性環(huán)節(jié)2025/4/1964高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1965高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1966高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1967高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1968高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1969高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1970高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1971高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1972高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1973高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.3.2非線性系統(tǒng)的極限環(huán)研究2025/4/1974高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1975高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1976高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1977高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1978高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1979高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1980高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.3.3非線性系統(tǒng)的線性化2025/4/1981高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1982高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1983高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1984高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1985高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1986高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1987高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1988高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1989高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1990高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1991高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1992高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1993高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1994高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.4子系統(tǒng)與模塊封裝技術子系統(tǒng)概念及構成方法模塊封裝方法模塊集構造2025/4/1995高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1996高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.4.1子系統(tǒng)概念及構成方法2025/4/1997高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1998高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/1999高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19100高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.4.2模塊封裝方法2025/4/19101高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19102高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19103高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19104高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19105高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19106高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19107高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19108高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19109高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19110高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用Simulink

aerosapcedemo:ThreeDegreesofFreedomGuidedMissile2025/4/19111高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用Simulink

aerosapcedemo:ThreeDegreesofFreedomGuidedMissile2025/4/19112高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用Simulink

aerosapcedemo:ThreeDegreesofFreedomGuidedMissile2025/4/19113高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用Simulink

aerosapcedemo:ThreeDegreesofFreedomGuidedMissile2025/4/19114高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.4.3模塊集構造2025/4/19115高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19116高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用blkStruct.Name=sprintf('PIDControl\n&Simulation\nBlockset');blkStruct.OpenFcn='pidblock';%這個變量指向模塊集文件名blkStruct.MaskDisplay='disp(''PID\nBlockset'')';%模塊顯示2025/4/19117高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.5

Simulink中的M-函數和S-函數及其應用M-函數模塊的基本結構S-函數的基本結構用MATLAB編寫S-函數舉例S-函數的封裝2025/4/19118高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.5.1M-函數模塊的基本結構2025/4/19119高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用functiony=satur_non(x)ifabs(x)>=3,y=2*sign(x);else,y=2/3*x;end2025/4/19120高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.5.2S-函數的基本結構2025/4/19121高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19122高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19123高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19124高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19125高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19126高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19127高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用2025/4/19128高等應用數學問題的MATLAB求解MATLAB語言與應用5.5.3用MATLAB編寫S-函數