第9章 MATLAB的仿真集成环境-Simulink

MATLAB 与控制系统仿真 第9章 MATLAB的仿真集成环境 Simulink
引言
Simulink是MATLAB里的一个实现动态系 统建模、仿真与分析的仿真集成环境软 件工具包，是控制系统计算与仿真最先 进的高效工具。 本章首先对Simulink环境介绍，对功能 模块做了说明，并给出一些示例。对如 何建立子系统与模块封装、如何编写S函 数也做了介绍。
Weighted Moving Average
Sample & Hold Delays
Memory
First-Order Hold
Hale Waihona Puke Zero -Order Hold
离散系统模块组（Discrete）
1 z+0.5 Discrete Transfer Fcn (with initial states ) (z-1) z(z-0.5) Discrete Zero -Pole (with initial states ) 1 z+0.5 Discrete Transfer Fcn (with initial outputs ) (z-1) z(z-0.5) Discrete Zero -Pole (with initial outputs )
PID PID Controller (with Approximate Derivative )
连续系统模块组（Continuous）
Integrator：积分器模块，输出对输入时间积分。 Derivative：微分器模块，输出对输入时间微分。 State-Space：状态空间表达式模块，实现线性状态空 间系统。 Transfer Fcn：传递函数模块，实现线性传递函数。 Zero-Pole：零极点函数模块，实现用零极点方式指定 传递函数。 Transport Delay：传输延迟模块，以固定的时间延迟 输入。 Variable Transport Delay：可变传输延迟模块，以 变化的时间量延迟输入。 Variable Time Delay：可变时间延迟模块。
更为优秀的是，Simulink具有开放的体 系结构，允许用户自己开发各种功能的 模块，无限制地添加到Simulink中，以 满足不同任务的要求。
9.2 Simulink的基本界面操作
Simulink启动
命令窗口键入simulink 工具栏上选相应图标
基本操作
在模块库中选择构建系统模型所需的模块 直接拖放到所建立的系统模型窗口中 按照系统的信号流程将各系统模块正确连接 起来
Gain：增益函数模块，输入乘以一个常数，执 行比例运算。 Slider Gain：可调增益函数模块。 一般数学函数，如Add(求和函数)、 Substract(减法函数)、Product(乘法函数)、 Divide(除法函数)、Abs(绝对值函数)、 Sign(符号函数)、Trigonometric Function(三角函数)、Rounding Function (取整函数)、Sum(求和函数)等。
9.1 Simulink概述
Simulink的图形化仿真方式，使其具有 更直观形象、更简单方便与更灵活的优 点。比如由Simulink创建的控制系统动 态方框图模型，是系统最基本的直觉图 形化形式，非常直观，容易理解。并且 可以在仿真进行的同时，就看到仿真结 果。这样可以大大简化设计流程，减轻 设计负担和降低设计成本，提高工作效 率。
Backlash
Relay
Quantizer
Hit Crossing
Coulomb & Viscous Friction
Wrap To Zero
非线性模块组（Discontinuities）
Backlash：磁滞回环模块。 Saturation：饱和非线性模块。 Saturation Dynamic：动态饱和非线性模块。 Dead Zone：死区非线性模块。 Dead Zone Dynamic：动态死区非线性模块。 Relay：继电模块。 Quantizer：量化模块。 Coulomb & Viscous Friction：库伦与黏性摩擦非线性模 块。 Rate Limiter：静态限制信号的变化速率。 Rate Limiter Dynamic：动态限制信号的变化速率。 Hit Crossing：过零检测非线性模块。 Wrap to Zero：环零非线性模块。
Sign
Abs
u
min
R
min (u,y) y MinMax Running Resettable
sin Trigonometric Function
t Sine Wave Function
f (z)
Solve f(z) = 0
z
MinMax
Algebraic Constraint
数学运算模块组（Math Operations）
9.1 Simulink概述
Simulink内置有各种分析工具，如多种 仿真算法、系统线性化、寻找平衡点等， 都是非常先进而实用的。 Simulink仿真的结果能够以变量的形式 保存到MATLAB的工作空间，供做进一步 的分析、处理和利用。它还可以将 MATLAB工作空间中的数据导入到模型中。
9.1 Simulink概述
Squeeze 2 Squeeze Matrix Concatenate Vector Concatenate P:[2,1] Permute Dimensions
1 Gain
1 Slider Gain |u| Product Divide Product of Elements floor Rounding Function Dot Product P(u) O(P) = 5 Polynomial
12 bits A D
Idealized ADC quantizer
(settings: 12-bit converter Vmin: 0, Vmax: 5)
离散系统模块组（Discrete）
Unit Delay：单位时间延迟，延迟信号一个采样周期。 Discrete Transfer Fcn：离散系统的传递函数，实现离 散传递函数。 Discrete Zero-Pole：离散系统的零极点函数，实现离 散零极点模型。 Discrete State-Space：离散系统的状态方程，实现离 散状态空间系统。 First-Order Hold：一阶保持器，实现一阶采样保持器。 Zero-Order Hold：零阶保持器，实现零阶保持器。 Memory：记忆模块，用于返回上一时刻值。 Discrete Filter：离散滤波器，实现 IIR和 FIR 离散 滤波器。
数学运算模块组（Math Operations）
Math Operations
u+0 .0 Sum Add Subtract Sum of Elements Bias u+Ts Weighted Sample Time Math
Vector/Matrix Operations
Y0 U
A
Y
U( : ) Reshape
Assignment
Complex Vector Conversions
-u Unary Minus e u Math Function |u| u Complex to Magnitude -Angle |u| u Magnitude -Angle to Complex Re Im Complex to Real -Imag Re Im Real -Imag to Complex
Subsystem
连续系统模块组（Continuous）
Continuous -Time Linear Systems
1 s Integrator x' = Ax+Bu y = Cx+Du State -Space 1 s+1 Transfer Fcn du /dt Derivative (s-1) s(s+1) Zero -Pole
9.2 Simulink的基本界面操作
注：演示例1 创建一个正弦信号的仿真模型。
9.3 Simulink功能模块及操作
为便于仿真，Simulink模块库提供了丰 富的功能模块。 功能模块既可以通过右键点击左侧的子 模块库选[Open the ** library]（ ** 代表相应的子模块库名）打开，也可以 直接双击右侧的子模块库查看。
<= Relational Operator
AND Logical Operator Saturation
1 s Integrator
1 z Unit Delay
K Ts z-1 Discrete -Time Integrator
Convert Data Type Conversion
In1
Out1
主要内容
9.1 Simulink概述 9.2 Simulink的基本界面操作 9.3 Simulink的功能模块及其操作
9.3.1 Simulink的功能模块 9.3.2 功能模块的基本操作 9.3.3 功能模块的连接操作
9.4 Simulink仿真环境的设置
主要内容(续)
9.5 子系统及其封装技术
常用模块组（Commonly Used Blocks）
Commonly Used Blocks
1 In 1 1 Out 1 1 Ground Terminator Constant Scope
Bus Creator
Bus Selector
Mux
Demux
Switch
1 Sum Gain Product
1 z+0.5 Discrete Transfer Fcn z-1 z Difference 0.05 z z-0 .95 Transfer Fcn First Order