MATLAB语言及应用-10 simulink入门

10.1.2 Simulink的应用和特点
Simulink提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集 成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简 单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、 贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计 。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于Simulink。
10.2.3 模块的连接
将鼠标放在模块的连线处，鼠标箭头会变成一个十字 叉，然后单击并按下鼠标左键，拖动鼠标到其它模块的输 入口，鼠标箭头变为双十字叉后，放开鼠标左键。
模块间的连线默认为黑色的实线，如果两个模块间的 连线为红色的虚线，表示两个模块并没有连接起来。用鼠 标单击该线，然后按键盘的Delete键或单击鼠标右键并选 择Delete菜单进行删除。
利用Simulink建模的过程，可以简单地理解为从模 块库中选择需要的模块，然后将这些模块进行连接和属 性设置，最后进行系统的运行，并查看仿真结果。
下面对Simulink的基本操作进行详细的介绍，主要 包括启动Simulink、模块的操作和属性设置，以及仿真 器设置等。
10.2.1 启动Simulink
（7）修改模型参数
在积分器中设置初始位移x(0)=0.05m。仿真解算器采用默认 “ode45”，默认变步长，仿真终止时间10.
（8）保存文件exm0801.mdl，试运行。 双击scope示波器模块，点击仿真，在示波器中观察仿真结果。
单击scope显示窗上的纵坐标范围自动设置图标，显示图像如 下。
通过观察可以发现：纵坐标的适当范围大致在[-0.06,0.06]，仿 真时间取[0,5]即可
（9）示波器纵坐标设置 用鼠标右键单击示波器的黑色显示屏，在弹出菜单中选择 Axis Properties，引出纵坐标设置对话框。
把纵坐标的下限、上限分别设置为-0.06和0.06，单击ok， 完成设置。
（10）示波器显示范围的修改
仿真软件：
仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它可能是面 向通用的仿真，也可能是面向某个领域的仿真。它的功能可 以概括为以下几点： (1) 为仿真提供算法支持。 (2) 模型描述，用来建立计算机仿真模型。 (3) 仿真实验的执行和控制。 (4) 仿真数据的显示、记录和分析。 (5) 对模型、实验数据、文档资料和其它仿真信息的存储、 检索和管理(即用于仿真数据信息管理的数据库系统)。
在进行MATLAB安装时，选择Simulink模块，进行Simulink 的安装。在MATLAB 2010a中，Simulink的版本为7.5。
首先启动MATLAB软件，然后再启动Simulink。用户可以 单击MATLAB主界面工具栏的按钮，或在命令行窗口输入： simulink，来启动Simulink。
将各模块适当排列，并用信号线将其正确连接。有几点需 要注意：
① 在建模之前应对模块和信号线有一个整体、清晰和 仔细的安排，这样在建模时会省下很多不必要的麻烦；
② 模块的输入端只能和上级模块的输出端相连接； ③ 模块的每个输入端必须要有指定的输入信号，但输 出端可以空置。
10.2.4 模块的基本操作
1、选中模块 在模型文件中，用鼠标单某个模块来选中该模块，被选 中模块的四角处会出现小黑块编辑框。如果想选定多个对象 ，可以按下Shift键，然后再单击所需选定的模块。也可以用 鼠标拉出矩形虚线框，将所有待选模块框在其中，则矩形框 中所有的对象均被选中。
2、复制模块 在同一个模型文件中，可以采样如下的方法进行模块的 复制：
Simulink应用领域
10.1.3 Simulink举例
基于微分方程的Simulink建模
【例】在下图所示的系统中，已知质量m = 1kg，阻尼b = 2N.sec/m，弹簧系数100N/m，且质量块的初始位移x(0) = 0.05m，其初始速度x’(0) = 0m/sec，要求创建该系统 的SIMULINK模型，并进行仿真运行。
(4) 仿真建模：根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级 语言或其它仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的 程序或其他模型，也即获得系统的仿真模型。
(5) 试验：设定实验环境/条件，进行实验，记录数据。
(6) 仿真结果分析：根据实验要求和仿真目的对实验结果进行分 析处理(整理及文档化)。
10.1 Simulink概述
在Sources子库中，找到ห้องสมุดไป่ตู้弦信号模块Sine Wave。可以用 鼠标直接将该模块拖入到文件中，也可以在该模块上单击右键 并选择Add to exam，或选中该模块后按快捷键Ctrl +I。
在Sources子库中找到常量模块Constant并添加。 在Sinks子库中找到示波器Scope，并添加2个示波器。 在数学库Math Operations中，找到加法Add模块和减法模 块Subtract，并添加到模型文件中。
仿真技术的主要用途有如下几点： (1) 优化系统设计。在实际系统建立以前，通过改变仿真模型 结构和调整系统参数来优化系统设计。如控制系统、数字信号 处理系统的设计经常要靠仿真来优化系统性能。 (2) 系统故障再现，发现故障原因。实际系统故障的再现必然 会带来某种危害性，这样做是不安全的和不经济的，利用仿真 来再现系统故障则是安全的和经济的。 (3) 验证系统设计的正确性。 (4) 对系统或其子系统进行性能评价和分析。多为物理仿真， 如飞机的疲劳试验。 (5) 训练系统操作员。常见于各种模拟器，如飞行模拟器、坦 克模拟器等。 (6) 为管理决策和技术决策提供支持。
(3) 半实物仿真：又称数学物理仿真或者混合仿真。为了 提高仿真的可信度或者针对一些难以建模的实体，在系统 研究中往往把数学模型、物理模型和实体结合起来组成一 个复杂的仿真系统，这种在仿真环节中存在实体的仿真称 为半实物仿真或者半物理仿真。这样的仿真系统有飞机半 实物仿真、射频制导导弹半实物仿真等，并且许多模拟器 也属于半实物仿真。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合 的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，即系统中的不 同部分具有不同的采样率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方 块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动 鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式 ，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
所有的能够用微分方程描述的系统都可以用这种方法来 建立，如机械、电路系统。
Simulink 的菜单及功能
File Edit View Simulation Format Tools help
更新的版本软件中： 菜单选项有所增加 提供了更多地功能
10.2 Simulink的基本操作
Simulink是MATLAB软件最重要的组件之一，能 够进行动态系统建模、仿真和综合分析，提供了交互 式图形化环境。在Simulink中，把现实中的每个系统都 看成是由输入、输出和状态这3个基本元素组成，并随 时间变化的数学函数关系。
10.1.1 Simulink的概念
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是实现 动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线 性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿 真中。
(2) 数学仿真：用数学语言去表述一个系统，并编制程序在 计算机上对实际系统进行研究的过程。这种数学表述就是数 学模型。数学仿真把研究对象的结构特征或者输入输出关系 抽象为一种数学描述(微分方程、状态方程，可分为解析模型 、统计模型)来研究，具有很大的灵活性，它可以方便地改变 系统结构、参数；而且速度快，可以在很短的时间内完成实 际系统很长时间的动态演变过程；精确度高，可以根据需要 改变仿真的精度；重复性好，可以很容易地再现仿真过程。
(2) 项目计划、方案设计与系统定义：根据仿真目的确定相应的 仿真结构(实时仿真还是非实时仿真，纯数学仿真还是半物理仿 真等)，规定相应仿真系统的边界条件与约束条件。
(3) 数学建模：根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究， 按照物理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结 构及参数。注意要确保模型的有效性和经济性。
本例演示：根据物理定理建立微分方程， 并以此微分方程创建Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 模型：模块复制、信号的勾画、模块参 数的设置、示波器的调整；仿真参数的 设置。
弹簧—质量—阻尼系统
（1）建立理论数学模型 对于无外力作用的“弹簧—质量—阻尼”系统，据牛顿定律 可写出：
mx bx kx 0
代入具体数值并整理，可得
有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借 助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。
它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程 或者建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特 性，从而达到认识和改造实际系统的目的。
仿真分类 按照实现方式的不同可以将系统仿真分为如下几类： (1) 实物仿真：又称物理仿真。它是指研制某些实体模型， 使之能够重现原系统的各种状态。早期的仿真大多属于这一 类。它的优点是直观形象，至今仍然广泛应用。但是为系统 构造一套物理模型，将是一件非常复杂的事情，投资巨大， 周期长，且很难改变参数，灵活性差。
选定该模块，按下鼠标右键，拖动模块到合适的地方， 释放鼠标。
选定该模块，按住Ctrl键，按住鼠标左键，将模块拖动 到合适的地方，释放鼠标。
选中该模块，然后使用菜单或工具栏中的Copy和Paste 按钮。
第10章 Simulink简介
Simulink是MATLAB软件的重要组成部分，能够 进行动态系统的建模、仿真和综合分析，在学术和工 业领域的应用越来越广泛。 Simulink建模的基本概念 Simulink的基本操作 Simulink常用的基本模块库 Simulink中的子系统和封装
仿真的概念 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的
单击示波器的参数设置图标，在General卡片的Axis区的Time range栏中填写5或auto，单击ok，完成设置（或直接在仿 真窗口设置时间）
（11）曲线光滑设置
打开仿真参数面板，把Data Import/Export项中的Refine factor从默认值1改为5，ok，完成设置。
再次运行，曲线光滑！
兵棋推演仿真：以对抗方式进行作战过程推演的工具
推演者可充分运用统计学、概率论、数学分析、 博弈论等科学方法，通过兵棋推演对作战力量、作战 环境、作战行动和结果进行全过程仿真、模拟再现， 为制定作战方案、应对突发事件、论证武器装备、教 育训练等提供重要参考。
计算机仿真的一般过程：
(1) 描述仿真问题，明确仿真目的。
在MATLAB的命令行输入：help simulink，来查看Simulink 命令行下的函数。
在命令行输入：demo simulink，将会打开MATLAB的帮助 系统，并显示Simulink的例子程序。
10.2.2 选择模块
分析待仿真系统，确定待建模型的功能需求和结构。
打开Simulink的库浏览器窗口。然后单击Simulink库浏览 器窗口工具栏上的New按钮，新建模型文件，并保存为 exam.mdl。
x 2x 100 x
（2）建模的基本思路 1、采用积分模块代替求导模块； 2、右侧代数和采用求和模块实现。 3、为了观察位移随时间的变化，需要加入”示波器“模块。
（3）开启空白（新建）模型窗； （4）从模型库复制所需模块到空白（新建）模型窗；
（5）复制模块并连接模块；
（6）修改模型参数 增益分别设置为2、100，加法符号更改为--。
算例总结： 本模型的物理模型是”无外力的弹簧-质量-阻尼系统“。
采用的建模方式是微分方程的形式来描述系统，注意没有 采用导数的形式，而是采用积分模块得到相应的导数，以” 二阶导数“为建模的”起点信号“，然后通过积分模块得 到“一阶导数”，在通过积分模块得到“函数本身”，这 是基于微分方程创建Simulink模型的一般形式。