MATLAB与系统仿真 作业
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图 2.11 “Icon”标签页 4 填写第 2 张标签页“Parameters”。第 2 张标签页左部有【Add】、【Delete】、
【Move Up】与【Move Down】4 个按钮，用这 4 个按钮并填表如图 2.12 所
共 36 页 第 7页
示，只能有 3 行数据，否则不能完成封装。
图 2.12 “Parameters”标签页 5 填写第 3 张标签页“Initialization”，如图 2.13 所示。
简易计算器（功能可以随意添加扩展）。
进入 GUI 环境中双击 Blank GUI (Default)出现一个窗口在该窗口中首先制作一 个计算器界面如下所示：
下面分析一些功能函数： textString = get(handles.text1,'String'); textString = strcat(textString,'1'); set(handles.text1,'String',textString) 这是使用句柄 handles 指向对象 text1，并以字符串形式来存储数据文本框 text1 的内容，并存储数个“1”， 然后由 set(handles.text1,'String','textString'在 text1 中输出。
共 36 页 第 3页
图2.4 Transfer Fcn的界面设置
图2.5 Step的界面设置 在模型 ti2_1.mdl 图中，选中【Simulation】并执行其【Star】菜单项命令， 再用鼠标左键双击“Scoope”示波器，即弹出图 2.6 所示系统输出示波器对话框， 如果需要的话，用鼠标左键单击工具栏的纵坐标刻度管理工具【简图】，就得到 如图 2.6 所示系统的单位阶跃给定响应曲线。
共 36 页 第 14页
打开 XY 相图模块参数设置对话框，设定参数如图所示：
共 36 页 第 15页
机械环境模块： 打开机械环境模块参数对话框，保持默认值如图示：
共 36 页 第 16页
打开示波器模块，开始仿真，XY 相图模块会在仿真开始后自动打开，如图所示
共 36 页 第 17页
配置 Configuration 参数 在模型窗口中选择 Simulation/Configuration Parameters 菜单命令，打开 Configuration 参数对话框，选择其中的 SimMechanics 选项，如下
利用 MATLAB 图像进行可视化 基于 MATLAB 图形可视化工具已经嵌入到 SimMechanics，可以很方便的调用。
共 36 页 第 18页
在模型窗口单击按钮 则可视化窗口显示的动画在仿真过程中与 Simulink 仿真 保持同步。 结果如下图示：
单击动画窗口的按钮则刚体为椭圆体描述，如下图：
共 36 页 第 24页
运行结果如下：
共 36 页 第 25页
六、平面四连杆机构的运动模拟。平面四连杆机构的基本形 式有双曲柄机构、曲柄摇杆机构和双摇杆机构。本系统主要对以 曲柄为主动件，对曲柄匀速转动的平面曲柄摇杆机构进行运动分 析和模拟，对于其他类型，只做类型判断。（本题 20 分）
（1）系统主要功能 1）根据输入的四个杆长、角频率画出平面曲柄摇杆机构的图形。 2）对平面曲柄摇杆机构进行运动模拟。 3）对平面曲柄摇杆机构进行运动分析，显示从动杆的瞬时角速度、瞬时角 加速度、极位夹角、最小传动角、反正行程速比系数。 （2）GUI 图形用户界面的制作 利用 MATLAB 提供的交互式制作用户界面的工具 GUI 来制作所需的图形界面。 1） 窗口初始位置、大小的设计。 2） 对象的几何布局：十九个静态文本框、四个编辑文本框、一个滑动条、
《MATLAB 与系统仿真》
大 作 业
系 别： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 邮 箱：
2012 年 7 月 1 日
一、春天是鲜花的季节，水仙花就是其中最迷人的代表，数 学上有个水仙花数，它是这样定义的：“水仙花数”是指一个三 位数，它的各位数字的立方和等于其本身，比如： 153=1^3+5^3+3^3。要求编 m 文件输出所有存在的水仙花数。
共 36 页 第 9页
图 2.16 封装 PID 控制子系统的 Simulink 模型 完成封装后，单击图 2.15 所示的模块参数功能图的下方按钮【Help】，立即弹出 封装标签的帮助对话框，如图 2.17 所示。
图 2.17 封装标签的帮助说明 （4）封装 PID 控制子系统仿真。在对模型 ti2_3.mdl 即图 2.16 进行仿真，结果 也得到图 2.6 所示系统的单位阶跃给定响应曲线，说明封装 PID 控制子系统的操 作正确。
共 36 页 第 10页
三、动力头的优化设计
建立 3 个 M 文件分别如下图所示：
共 36 页 第 11页
则可以得到以下结果：
四、利用 SimMechanics 对单摆模型进行仿真。单摆为一杆， 质量均匀，长度为 1m，直径 2cm。初始条件为 World 坐标系 X 轴负方向的水平位置。其中单摆的一端固定在基本点（3，4，5）， 绕连接点以矢量（0 0 1）为轴转动。建立该模型的 SimMechanics 模型并进行仿真，得到单摆运动的角位移和角速度规律和运动的 XY 相图。
共 36 页 第 19页
五、试用“SimPowerSystems”实体图形化模型库的模块建立转 速负反馈单环无差直流调速系统的仿真模型，并对其进行仿真。 （本题 20 分）
设置界面如下图所示：
需设置参数如下：
共 36 页 第 20页
共 36 页 第 21页
共 36 页 第 22页
共 36 页 第 23页
如图 2.1 所示。图中的阶跃信号为“1”，即单位阶跃作用，三信号叠加模块“Add”
混路模块“Mux”，饱和特性为“±1.1”，时间延迟“60”s，仿真时间为“2000”
s。
图 2.1 PID 控制三个分量叠加的 Simulink 模型 ti2_1.mdl 其中设置界面为
共 36 页 第 2页
图2.2 Transport Delay的界面设置 图2.3 Saturation的界面设置
wk.baidu.com
图 2.7 PID 控制传递函数方框的 Simulink 模型 ti2_2.mdl PID 控制子系统定义法。
定义子系统： 先到 Simulink 库浏览器的“Commonly Used Blocks”模块组中把标准功能模块 “Subsystem”复制到空白模型设计区域（“untitled”）内，还复制其他模块， 将其连成系统如图 2.8 所示，模型命名为“ti2_3.mdl”后存盘。
1 在“ti2_3/Subsystem”的设计区域（见图 2.9）中进行如图 2.10 所示的 PID
控制器的设计，输入数据 K p =5、Ki =0.048、Kd =0 并存盘。
共 36 页 第 6页
图 2.10 准备封装的子系统 ti2_3/Subsystem 2 再在模型 ti2_3.mdl 中，选中“Subsystem”，选择主菜单【Edit】，执行其
共 36 页 第 12页
模型为：
其中的一些设置界面为
共 36 页 第 13页
传感器模块： 模块设置如图，在原始输出值选项区内选中角位移（Angle）和角速度（Angle velocity）,单位分别为 deg 和 deg/s，并取消下端 Output selected parameters as one signal 选项，这样输出两个值就会有对应的两条信号线。
共 36 页 第 4页
图 2. 6 系统的单位阶跃给定响应曲线 传递函数方框图法： 将 PID 的三个分量叠加作用（求和）同分后求得一个传递函数，即
Gc (s) = K p (1
1 TI s
TD s)
=Kp
KI
1 s
K D s =5+
0.048 s
= 5s+0.048 s
。
将 Gc (s) 传递函数绘制在系统中的 Simulink 模型 ti2_2.mdl 如图 2.7 所示。对模 型 ti2_2.mdl 进行仿真，结果同样得到图 2.6 所示系统的单位阶跃给定响应曲线。
(s)
=5+
0.048 s
,即
K
p
5、KI
=0.048、KD =0 。
PID 的三个作用分量，仿真时可采用下列处理措施：①PID 控制 3 个分量叠加法
②传递函数方框图法③PID 控制子系统及其 Simulink 仿真模型图法。
PID 的三个分量叠加法：
将 PID 的三个分量叠加作用直接绘制在系统中的 Simulink 模型 ti2_1.mdl
“Subsystem”图标，立即弹出子系统模块带参数说明对话框，在各栏中 填入参数，如图 2.15 所示。
图 2.15 封装子系统后的模块参数功能 （3）封装子系统后，即得到图 2.8 所示的 Simulink 模型 ti2_3.mdl，如图 2.16 所示，此时子系统“Subsystem”图标上标注了“PID”，说明封装成功。
共 36 页 第 5页
图 2.8 PID 控制子系统的 Simulink 模型 ti2_3.mdl 用鼠标左键双击“Subsystem”，将会弹出“ti2_3/Subsystem”的设计区。 在“ti2_3/Subsystem”的设计区域（见图 2.9）中进行如图 2.10 所示的 PID 控 制器的设计（复制各个标准功能模块，连线构成系统模型），或者将设计好的 PID 控制器模型复制到其中，并在输入与输出端加入“In”和“Out”两个功能模块 （见图 2.9）。模型设计完后，要注意存盘。至此，子系统创建完成。
图 2.13 “Initialization”标签页 6 填写第 4 张标签页“Documentation”。在各栏中填入信息，如图 2.14 所示。
最后按下【OK】按钮已确认输入的信息。
共 36 页 第 8页
图 2.14 “Documentation”标签页 （2） 再 回 到 模 型 窗 口 ti2_3.mdl 中 ， 用 鼠 标 左 键 双 击 被 封 装 子 系 统
。以 G0 (s) 与 Gc (s)
为前向通道的单位负反馈系统。试对于 PID 控制器分别采用以下
3 种办法：PID 控制 3 个分量叠加、传递函数方框图与 PID 控制
子系统绘制其 Simulink 仿真模型图，并对其进行阶跃仿真。然
后对 PID 控制子系统进行封装。
根据题意，已知
PID
控制器为
Gc
其 M 文件设置为
运行程序弹出对话框
运行后结果为：
共 36 页 第 1页
二、带饱和输出特性二、带饱和输出特性 PID 控制系统的被
控对象为
G0
(s)
=
1 80s
1
e 60s
，其
PID
控制器为
Gc (s) =
K p (1
1 TI s
TD s)
=
Kp
KI
1 s
KDs
=5+
0.048 s
下的【Mask Subsystem...】或【Edit Mask】菜单项命令，打开【Mask edit】 即子系统的封装编辑器。封装编辑器中有四张标签页，所谓完成封装操作， 就是按要求填写接下来的四张标签页， 3 填写第 1 张标签页“Icon”。此时仅在“Drawing commands”下的空白文本 框中填入“disp（‘PID'）”，并在下面的“Examples of drawing commands” 的“Command”下拉框中选择“disp（show text in center of block）”， 如图 2.11 所示。
两个单选按钮。 3） 各对象属性的设置。 4） 新建图形对象的整齐化。 5） 回调函数的编写：主要是开始模拟命令按钮的 Callback。 6） 界面功能的测试。 其模型图为
共 36 页 第 26页
运行结果图：
验算结果如下图所示：
七、利用 GUI 控件编制一个能实现加、减、乘、除等功能的
共 36 页 第 27页
图 2.9 PID 控制子系统 Subsystem 的 Simulink 模型 ti2_3/Subsystem ② PID 控制系统仿真。 对模型 ti2_3.mdl 进行仿真，结果也得到图 2.6 所示系统的单位阶跃响应曲线。 子系统的封装步骤 （1） 用 PID 控制子系统封装的步骤。 在 ti2_3.mdl 中的 Subsystem 模块更换为一个没有涉及的空 Subsystem 模块。
【Move Up】与【Move Down】4 个按钮，用这 4 个按钮并填表如图 2.12 所
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示，只能有 3 行数据，否则不能完成封装。
图 2.12 “Parameters”标签页 5 填写第 3 张标签页“Initialization”，如图 2.13 所示。
简易计算器（功能可以随意添加扩展）。
进入 GUI 环境中双击 Blank GUI (Default)出现一个窗口在该窗口中首先制作一 个计算器界面如下所示：
下面分析一些功能函数： textString = get(handles.text1,'String'); textString = strcat(textString,'1'); set(handles.text1,'String',textString) 这是使用句柄 handles 指向对象 text1，并以字符串形式来存储数据文本框 text1 的内容，并存储数个“1”， 然后由 set(handles.text1,'String','textString'在 text1 中输出。
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图2.4 Transfer Fcn的界面设置
图2.5 Step的界面设置 在模型 ti2_1.mdl 图中，选中【Simulation】并执行其【Star】菜单项命令， 再用鼠标左键双击“Scoope”示波器，即弹出图 2.6 所示系统输出示波器对话框， 如果需要的话，用鼠标左键单击工具栏的纵坐标刻度管理工具【简图】，就得到 如图 2.6 所示系统的单位阶跃给定响应曲线。
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打开 XY 相图模块参数设置对话框，设定参数如图所示：
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机械环境模块： 打开机械环境模块参数对话框，保持默认值如图示：
共 36 页 第 16页
打开示波器模块，开始仿真，XY 相图模块会在仿真开始后自动打开，如图所示
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配置 Configuration 参数 在模型窗口中选择 Simulation/Configuration Parameters 菜单命令，打开 Configuration 参数对话框，选择其中的 SimMechanics 选项，如下
利用 MATLAB 图像进行可视化 基于 MATLAB 图形可视化工具已经嵌入到 SimMechanics，可以很方便的调用。
共 36 页 第 18页
在模型窗口单击按钮 则可视化窗口显示的动画在仿真过程中与 Simulink 仿真 保持同步。 结果如下图示：
单击动画窗口的按钮则刚体为椭圆体描述，如下图：
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运行结果如下：
共 36 页 第 25页
六、平面四连杆机构的运动模拟。平面四连杆机构的基本形 式有双曲柄机构、曲柄摇杆机构和双摇杆机构。本系统主要对以 曲柄为主动件，对曲柄匀速转动的平面曲柄摇杆机构进行运动分 析和模拟，对于其他类型，只做类型判断。（本题 20 分）
（1）系统主要功能 1）根据输入的四个杆长、角频率画出平面曲柄摇杆机构的图形。 2）对平面曲柄摇杆机构进行运动模拟。 3）对平面曲柄摇杆机构进行运动分析，显示从动杆的瞬时角速度、瞬时角 加速度、极位夹角、最小传动角、反正行程速比系数。 （2）GUI 图形用户界面的制作 利用 MATLAB 提供的交互式制作用户界面的工具 GUI 来制作所需的图形界面。 1） 窗口初始位置、大小的设计。 2） 对象的几何布局：十九个静态文本框、四个编辑文本框、一个滑动条、
《MATLAB 与系统仿真》
大 作 业
系 别： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 邮 箱：
2012 年 7 月 1 日
一、春天是鲜花的季节，水仙花就是其中最迷人的代表，数 学上有个水仙花数，它是这样定义的：“水仙花数”是指一个三 位数，它的各位数字的立方和等于其本身，比如： 153=1^3+5^3+3^3。要求编 m 文件输出所有存在的水仙花数。
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图 2.16 封装 PID 控制子系统的 Simulink 模型 完成封装后，单击图 2.15 所示的模块参数功能图的下方按钮【Help】，立即弹出 封装标签的帮助对话框，如图 2.17 所示。
图 2.17 封装标签的帮助说明 （4）封装 PID 控制子系统仿真。在对模型 ti2_3.mdl 即图 2.16 进行仿真，结果 也得到图 2.6 所示系统的单位阶跃给定响应曲线，说明封装 PID 控制子系统的操 作正确。
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三、动力头的优化设计
建立 3 个 M 文件分别如下图所示：
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则可以得到以下结果：
四、利用 SimMechanics 对单摆模型进行仿真。单摆为一杆， 质量均匀，长度为 1m，直径 2cm。初始条件为 World 坐标系 X 轴负方向的水平位置。其中单摆的一端固定在基本点（3，4，5）， 绕连接点以矢量（0 0 1）为轴转动。建立该模型的 SimMechanics 模型并进行仿真，得到单摆运动的角位移和角速度规律和运动的 XY 相图。
共 36 页 第 19页
五、试用“SimPowerSystems”实体图形化模型库的模块建立转 速负反馈单环无差直流调速系统的仿真模型，并对其进行仿真。 （本题 20 分）
设置界面如下图所示：
需设置参数如下：
共 36 页 第 20页
共 36 页 第 21页
共 36 页 第 22页
共 36 页 第 23页
如图 2.1 所示。图中的阶跃信号为“1”，即单位阶跃作用，三信号叠加模块“Add”
混路模块“Mux”，饱和特性为“±1.1”，时间延迟“60”s，仿真时间为“2000”
s。
图 2.1 PID 控制三个分量叠加的 Simulink 模型 ti2_1.mdl 其中设置界面为
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图2.2 Transport Delay的界面设置 图2.3 Saturation的界面设置
wk.baidu.com
图 2.7 PID 控制传递函数方框的 Simulink 模型 ti2_2.mdl PID 控制子系统定义法。
定义子系统： 先到 Simulink 库浏览器的“Commonly Used Blocks”模块组中把标准功能模块 “Subsystem”复制到空白模型设计区域（“untitled”）内，还复制其他模块， 将其连成系统如图 2.8 所示，模型命名为“ti2_3.mdl”后存盘。
1 在“ti2_3/Subsystem”的设计区域（见图 2.9）中进行如图 2.10 所示的 PID
控制器的设计，输入数据 K p =5、Ki =0.048、Kd =0 并存盘。
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图 2.10 准备封装的子系统 ti2_3/Subsystem 2 再在模型 ti2_3.mdl 中，选中“Subsystem”，选择主菜单【Edit】，执行其
共 36 页 第 12页
模型为：
其中的一些设置界面为
共 36 页 第 13页
传感器模块： 模块设置如图，在原始输出值选项区内选中角位移（Angle）和角速度（Angle velocity）,单位分别为 deg 和 deg/s，并取消下端 Output selected parameters as one signal 选项，这样输出两个值就会有对应的两条信号线。
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图 2. 6 系统的单位阶跃给定响应曲线 传递函数方框图法： 将 PID 的三个分量叠加作用（求和）同分后求得一个传递函数，即
Gc (s) = K p (1
1 TI s
TD s)
=Kp
KI
1 s
K D s =5+
0.048 s
= 5s+0.048 s
。
将 Gc (s) 传递函数绘制在系统中的 Simulink 模型 ti2_2.mdl 如图 2.7 所示。对模 型 ti2_2.mdl 进行仿真，结果同样得到图 2.6 所示系统的单位阶跃给定响应曲线。
(s)
=5+
0.048 s
,即
K
p
5、KI
=0.048、KD =0 。
PID 的三个作用分量，仿真时可采用下列处理措施：①PID 控制 3 个分量叠加法
②传递函数方框图法③PID 控制子系统及其 Simulink 仿真模型图法。
PID 的三个分量叠加法：
将 PID 的三个分量叠加作用直接绘制在系统中的 Simulink 模型 ti2_1.mdl
“Subsystem”图标，立即弹出子系统模块带参数说明对话框，在各栏中 填入参数，如图 2.15 所示。
图 2.15 封装子系统后的模块参数功能 （3）封装子系统后，即得到图 2.8 所示的 Simulink 模型 ti2_3.mdl，如图 2.16 所示，此时子系统“Subsystem”图标上标注了“PID”，说明封装成功。
共 36 页 第 5页
图 2.8 PID 控制子系统的 Simulink 模型 ti2_3.mdl 用鼠标左键双击“Subsystem”，将会弹出“ti2_3/Subsystem”的设计区。 在“ti2_3/Subsystem”的设计区域（见图 2.9）中进行如图 2.10 所示的 PID 控 制器的设计（复制各个标准功能模块，连线构成系统模型），或者将设计好的 PID 控制器模型复制到其中，并在输入与输出端加入“In”和“Out”两个功能模块 （见图 2.9）。模型设计完后，要注意存盘。至此，子系统创建完成。
图 2.13 “Initialization”标签页 6 填写第 4 张标签页“Documentation”。在各栏中填入信息，如图 2.14 所示。
最后按下【OK】按钮已确认输入的信息。
共 36 页 第 8页
图 2.14 “Documentation”标签页 （2） 再 回 到 模 型 窗 口 ti2_3.mdl 中 ， 用 鼠 标 左 键 双 击 被 封 装 子 系 统
。以 G0 (s) 与 Gc (s)
为前向通道的单位负反馈系统。试对于 PID 控制器分别采用以下
3 种办法：PID 控制 3 个分量叠加、传递函数方框图与 PID 控制
子系统绘制其 Simulink 仿真模型图，并对其进行阶跃仿真。然
后对 PID 控制子系统进行封装。
根据题意，已知
PID
控制器为
Gc
其 M 文件设置为
运行程序弹出对话框
运行后结果为：
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二、带饱和输出特性二、带饱和输出特性 PID 控制系统的被
控对象为
G0
(s)
=
1 80s
1
e 60s
，其
PID
控制器为
Gc (s) =
K p (1
1 TI s
TD s)
=
Kp
KI
1 s
KDs
=5+
0.048 s
下的【Mask Subsystem...】或【Edit Mask】菜单项命令，打开【Mask edit】 即子系统的封装编辑器。封装编辑器中有四张标签页，所谓完成封装操作， 就是按要求填写接下来的四张标签页， 3 填写第 1 张标签页“Icon”。此时仅在“Drawing commands”下的空白文本 框中填入“disp（‘PID'）”，并在下面的“Examples of drawing commands” 的“Command”下拉框中选择“disp（show text in center of block）”， 如图 2.11 所示。
两个单选按钮。 3） 各对象属性的设置。 4） 新建图形对象的整齐化。 5） 回调函数的编写：主要是开始模拟命令按钮的 Callback。 6） 界面功能的测试。 其模型图为
共 36 页 第 26页
运行结果图：
验算结果如下图所示：
七、利用 GUI 控件编制一个能实现加、减、乘、除等功能的
共 36 页 第 27页
图 2.9 PID 控制子系统 Subsystem 的 Simulink 模型 ti2_3/Subsystem ② PID 控制系统仿真。 对模型 ti2_3.mdl 进行仿真，结果也得到图 2.6 所示系统的单位阶跃响应曲线。 子系统的封装步骤 （1） 用 PID 控制子系统封装的步骤。 在 ti2_3.mdl 中的 Subsystem 模块更换为一个没有涉及的空 Subsystem 模块。