第九章 Simulink高级仿真技术
MATLAB使用详解SIMULINK高级仿真技术
10.2.1 Parameters标签页
• 子系统封装的目的之一就是提供一个友好的参数设置界面。 用户无需了解子系统内部结构，只需输入参数就可以对系 统进行设计和仿真。只有使用了子系统编辑器中的 Parameters标签页进行了参数设置，才算是真正意义上的 完成可封装，从而使得封装之后，双击模块能够出现与 SIMULINK模块库中模块一样的参数设置界面。
数环问难。 • 对代数环采取代数约束。 • 切断模型中的代数环。
10.7 S-函数（系统函数）的创建和使用
• SIMULINK为用户提供了许多内置模块库，诸如连 续模块库（Continous）、离散系统模块库 （Discontinous）等，用户通过使用这些系统提 供的模块即可构建模型。但在实际问题中，很多 情况下，这些系统模型对于构建模型显得很有限， 这时就需要一些特殊的模块，他们由基本模块构 成，是调试
• 如同诸多系统设置平台一样，SIMULINK也具有界 面友好、功能强大的调试功能。SIMULINK提供了 一个图形化的调试界面，简化了调试操作。 simulink调试器是一个定位和诊断模型错误的工 具．通过SIMULINK调试工具，用户可以采用多种 方式对模型进行调试，发现其中可能存在的问题 并加以修改，从而使得用户的模型设计、仿真、 分析更加快速、便捷。
10.5.2 线性化的方法
• 有这样一种通用的解决问题的办法，那就是复杂 问题简单化，未知问题已知化。非线性问题也是 如此，常用的方法是通过一定的方式将其线性化， 得到线性化模型之后，就利用成熟的线性分析方 法来研究非线性问题。
Matlab系列之Simulink仿真教程
交互式仿真
Simulink支持交互式 仿真，用户可以在仿 真运行过程中进行实 时的分析和调试。
可扩展性
Simulink具有开放式 架构，可以与其他 MATLAB工具箱无缝 集成，从而扩展其功 能。
Simulink的应用领域
指数运算模块
用于实现信号的指数运算。
减法器
用于实现两个信号的减法 运算。
除法器
用于实现两个信号的除法 运算。
对数运算模块
用于实现信号的对数运算。
输出模块
模拟输出模块
用于将模拟信号输出 到外部设备或传感器。
数字输出模块
用于将数字信号输出 到外部设备或传感器。
频谱分析仪
用于分析信号的频谱 特性。
波形显示器
控制工程
Simulink在控制工程领域 中应用广泛，可用于设计 和分析各种控制系统。
信号处理
Simulink中的信号处理模 块可用于实现各种信号处 理算法，如滤波器设计、 频谱分析等。
通信系统
Simulink可以用于设计和 仿真通信系统，如调制解 调、信道编码等。
图像处理
Simulink中的图像处理模 块可用于实现各种图像处 理算法，如图像滤波、边 缘检测等。
用于将时域信号转换为频域信号，如傅里叶变换、 拉普拉斯变换等。
03 时域变换模块
用于将频域信号转换为时域信号，如逆傅里叶变 换、逆拉普拉斯变换等。
04
仿真过程设置
仿真时间的设置
仿真起始时间
设置仿真的起始时间，通 常为0秒。
步长模式
选择固定步长或变步长模 式，以满足不同的仿真需 求。
simulink热仿真
simulink热仿真摘要：一、Simulink 简介1.Simulink 的定义2.Simulink 的应用领域二、Simulink 热仿真1.热仿真的概念2.Simulink 热仿真的特点3.Simulink 热仿真的应用场景三、Simulink 热仿真的基本步骤1.准备模型2.添加热仿真模块3.配置模型参数4.运行仿真四、Simulink 热仿真的高级技巧1.模型优化2.结果分析3.参数调整五、Simulink 热仿真的实际应用案例1.案例介绍2.案例实施过程3.案例结果分析六、总结1.Simulink 热仿真的优势2.Simulink 热仿真的发展前景正文：一、Simulink 简介Simulink 是由美国MathWorks 公司开发的一款用于模型构建、仿真和分析的软件。
它采用图形化用户界面，用户可以通过拖拽组件来构建模型，然后对模型进行仿真和分析。
Simulink 广泛应用于各种领域，如控制系统、信号处理、通信等。
二、Simulink 热仿真1.热仿真的概念热仿真，顾名思义，是指对热现象进行仿真的过程。
在工程领域，热仿真常常用于分析物体在温度变化下的热传导、热膨胀等现象。
通过热仿真，可以预测设备在不同温度条件下的性能，为产品设计提供依据。
2.Simulink 热仿真的特点Simulink 热仿真具有以下特点：（1）丰富的模块库：Simulink 提供了丰富的热仿真模块，用户可以根据需要选择合适的模块进行模型构建。
（2）图形化界面：Simulink 采用图形化界面，使得模型构建和仿真过程更加直观。
（3）强大的仿真功能：Simulink 热仿真可以对复杂的模型进行高效、精确的仿真。
3.Simulink 热仿真的应用场景Simulink 热仿真主要应用于以下场景：（1）电子设备的热分析：分析电子设备在不同工作条件下的温度分布，以保证设备的可靠性和稳定性。
（2）机械设备的热分析：分析机械设备在高温或低温条件下的热膨胀、热变形等问题。
simulink仿真技术
封装子系统指的是将已经建立好的具有一定功能，且功能完全一致的模 块封装在一起。通过定义用户自己的图标、参数设置对话框以及帮助文 档等等，可以使封装后的子系统与simulink中内置的系统模块具有相同的 操作：双击封装后的子系统模块以打开模块参数设置对话框进行参数设 置，将系统仿真所需要的参数传递到子系统之中；同时可以查看模块的 帮助文档以获得子系统输入输出关系、子系统功能以及模块描述等帮助 信息。除此之外，封装后的子系统还拥有自己的工作区。
1）模块选择 模块选定操作是许多其它操作（如复制、移动、删除）的前导操作。被选定的 模块四个角处出现小黑块，这种小黑块称为柄（handle）。 选定单个模块的操作方法：用鼠标指向待选模块，点击鼠标左键即可。 选定多个模块的操作方法： 方法一：按下【Shift】键，依次为击所需选定的模块； 方法二：按住鼠标任一键，拉出矩形虚线框，将所有待选取模块包在其中，然 后松开按键，于是矩形里所有模块（包括与连接模块的信号线）均被选中 。 如图2-13所示。
封装子系统具有如下特点：
（1）自定义子系统模块及其图标。
（2）用户双击封装后的图标时显示子系统参数设置对话框。
（3）用户自定义子模块帮助文档。 （4）封装后的子系统模块拥有自己s的imu工lin作k仿区真。技术
MATLAB应用技术
下面以实际的例子来说明如何进行子系统封装，并全面介绍子系统的封装 技术。
simulink仿真技术
MATLAB应用技术
8）模块名的操作
修改模块名：点击模块名，将在原名字的四周出现一个编辑框。此时，就
可对模块名进行修改。当修改完毕，将光标移出编辑框，点击即结束修改。
模块名字体设置：选用菜单【Format：Font】，打开字体对话框后，根据
Simulink仿真教程
图9-23 子系统模块复制到模型窗
图9.24 原始子系统模块的内部结构型窗
仿真技术
第九章 Simulink动态仿真
PID控制器子系统创建过程： ③ 将组成子系统的模块填加到子系统编辑窗口： ④ 将模块按设计要求连接：
仿真技术
第九章 Simulink动态仿真
PID控制器子系统创建过程： ⑤ 设置子系统各模块参数（可以是变量）；修改 in1 和 out1 模块 下面的标签； ⑥ 关闭子系统的编辑窗口，返回模型窗口，修改子系统的标签 （PID），该PID子系统即可作为模块在构造系统模型时使用。
9.3 子系统创建与封装
9.3.2 子系统的封装
子系统可以建立自己的参数设置对话框，以避免对子 系统内的每个模块分别进行参数设置，因此在子系统 建立好以后，需对其进行封装。子系统封装的基本步 骤如下： ① 设置好子系统中各模块的参数变量； ② 定义提示对话框及其特性； ③ 定义被封装子系统的描述和帮助文档； ④ 定义产生模块图标的命令。
仿真技术
第九章 Simulink动态仿真
9.3 子系统创建与封装
9.3.1 子系统的创建 1. 通过子系统模块来建立子系统 在Simulink库浏览器，有一个子系统(Subsystems)的库模 块(有的版本在Signals & Systems子库里)，点击该图标即 可看到不同类型的子系统模块。
9.3 子系统创建与封装
9.3.1 子系统的创建 2. 组合已存在的模块来建立子系统
如果现有的模型已经包含了需要转化成子系统的模块，就可以 通过组合这些模块的方式建立子系统。步骤如下：
① 确定需建立Subsystem的模型（被选中的均标记有黑块）
Simulink仿真教程(共77张)
仿真技术
第8页，共77页。
第九章 Simulink动态仿真
指令窗
该窗是进行各种 MATLAB 操作的最主要窗口。在该窗内，可键入各种送给(sònɡ ɡěi)MATLAB 运作的指令、函数、表达式；显示除图形外的所有运算结果；运行错误时，给出相关的出错提示。
仿真技术
第9页，共77页。
第九章 Simulink动态仿真
仿真技术
第6页，共77页。
第九章 Simulink动态仿真
5、 Simulink与建模仿真 （1） Simulink
Simulink是一种用来实现计算机仿真的软件工具。它是MATLAB 的 一个(yī ɡè)附加组件，可用于实现各种动态系统（包括连续系统、 离散系统和混合系统）的建模、分析和仿真。
第九章 Simulink动态仿真
Simulink动态(dòngtài)仿真
1 Simulink 基本操作 利用Simulink进行系统仿真的步骤是： ① 启动Simulink，打开Simulink模块库 ② 打开空白模型窗口； ③ 建立Smulink仿真模型； ④ 设置仿真参数，进行仿真； ⑤ 输出仿真结果。
仿真技术
第5页，共77页。
4、 仿真的三要素
第九章 Simulink动态仿真
计算机仿真的三个基本要素是系统、模型和计算机，联系着它 们的三项基本活动是模型建立、仿真模型建立（又称二次建模 ）和仿真试验。
数学仿真采用数学模型，用数学语言(yǔyán)对系统的特性进行描述， 其工作过程是：
1、建立系统的数学模型； 2、建立系统仿真模型，即设计算法，并转化为计算机程序，使 系统的数学模型能为计算机所接受并能在计算机上运行； 3、运行仿真模型，进行仿真试验，再根据仿真试验的结果进一 步修正系统的数学模型和仿真模型。
Simulink仿真技术及其应A用
Simulink仿真技术及其应用
Simulink仿真技术及其应用
Matlab计算与仿真技术
Simulink仿真技术及其应用
机电工程系 畅元江
Simulink仿真技术及其应用
• 在计算机技术飞速发展的今天，许多科学研究、工程设计由于其复杂性 越来越高，因此与计算机的接合日趋紧密。也正是计算机技术的介入， 改变了许多学科的结构、研究内容和研究方向。例如，计算流体力学、 计算物理学、计算声学等新兴学科的兴起，均与计算机技术的发展分不 开。控制理论、仿真技术本身与计算机的接合就十分紧密，而随着专业 领域的研究深入和计算机软硬件技术的发展，这种联系呈现更加紧密。 计算控制论的建立，足以说明这个问题。而这种发展，又以系统仿真技 术的发展分不开的。
1）移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的 位置即可。若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行 拖曳。
Simulink仿真技术及其应用
2）复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即 可复制同样的一个功能模块。 3）删除：选中模块，按Delete键即可。若要删除多个 模块，可以同时按住Shift键，再用鼠标选中多个模块， 按Delete键即可。也可以用鼠标选取某区域，再按 Delete键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删 除。 4）转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出 端，功能模块有时需要转向。在菜单Format中选择 Flip Block旋转180度，选择Rotate Block顺时针旋转 90度。或者直接按Ctrl+F键执行Flip Block，按Ctrl+R 键执行Rotate Block。
SIMULINK的仿真运行
图6-35
1、调整示波器Y轴范围： 在示波器模块的窗口中右点鼠标—点Axes properties —调整Y轴范围。 2、调整示波器X轴范围： 在波器模块的窗口中，利用快捷按钮“ ”， 可打开示波器模块参数对话框,调整Time range--点ok 3、波形失真的修改： 在模型编辑窗口，点菜单simulation– 点simulation parameters调整Max step size为 0.1或更小。 4、工具栏中快捷按钮 自动调整X轴与Y轴范围。
5.4 SIMULINK模型的仿真运行 模型的仿真运行 构建好一个系统的模型之后，就是运行模型， 得出仿真结果。仿真的完整过程分成三个步骤： 1、设置仿真参数 仿真的目的就是求系统数学模型的解，最基本 的算法是数值积分法。在启动仿真之前，先设置仿 真算法和参数。 2、启动仿真 3、仿真结果分析
一、设置仿真参数和选择解算器 设置仿真参数和选择解算器，在模型编辑窗口 选择Simulation菜单下的Parameters命令，就会 弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面 来管理仿真的参数。 I. Solver页，它允许用户设置仿真的开始和结束 时间，选择解算器，说明解算器参数及选择一 些输出选项。
kp=0.478,ki=9.36
仿真步长模式：用户在Type后面的第一个下拉选 项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的 有Variable-step（变步长）和Fixed-step（固定步 长）方式。变步长模式可以在仿真的过程中改 变步长，提供误差控制和过零检测。固定步长 模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误 差控制和过零检测。 用户还可以在第二个下拉选项框中选择对应模式 下仿真所采用的算法。 变步长模式解法器有：ode45，ode23，ode113， ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。
simulink仿真入门
【File】菜单
2．【Edit】菜单
【Edit】菜单中各选项的名称与功能如 下表所示。
【Edit】菜单
3．【View】菜单
【View】菜单中部分主要选项的名称 与功能如下表所示。
【View】菜单
4．【Simulation】菜单
【Simulation】菜单如下图所示。
【Simulation】菜单各选项的功能如下 ： � 【Start】：开始运行仿真； � 【Stop】：停止仿真； � 【Configuration Parameters】：设置
（3）按照如下图所示设置【Icon页】。 ① Icon options面板：定义图标的边框是否
用法进行注释； � Priority：定义该模块在模型中执行的优
先顺序； � Tag：为模块添加文本格式的标记。
（2）【Block Annotation】页 用于指定在图标下显示模块的参数、
取值及格式。
（3）【Callbacks】页 用于定义该模块发生某种指定行为时
所要执行的回调函数。 对信号进行标注以及对模型进行注
1．图形化模型与数学模型间的关系
现实中每个系统都有输入、输出和状 态3个基本要素，以及它们之间随时间变化 的数学函数关系，即数学模型。
图形化模型也体现了输入、输出和状 态间随时间变化的某种关系，如下图所示。
只要这两种关系在数学上是等价的， 那么就可以图形化模型代替数学模型。
2．图形化模型的仿真过程
Simulink的仿真过程包括如下几个阶 段： � 模型编译阶段； � 连接阶段； � 仿真环阶段。
（1）模型编译阶段 Simulink引擎调用模型编译器，将模
型编译成可执行文件。 编译器完成以下任务：
� 计算模块参数的表达式以确定它们的值； � 确定信号属性（如名字、数据类型等）； � 传递信号属性以确定未定义信号的属性。
教材-第九章Simulink仿真介绍
下篇电机学MATLAB仿真MATLAB因其完整的专业体系和先进的设计开发思路，在多个领域得到了广泛应用。
其产品SIMULINK是一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包，在SIMULINK提供的图形用户界面（GUI）上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型，它能让使用者在可视化图形方式下以最小的代价来模拟系统的动态运行过程。
电机的SIMULINK仿真模型构建主要使用SIMULINK中的电力系统仿真模块库（SimPowerSystem），该库是由加拿大的Hydro Quebec公司和TECSIM International公司共同开发的，功能非常强大，可以应用于电路、电力电子系统、电机系统、电路系统等领域的仿真。
使用者可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。
为加深学生对电机学理论知识及先前实验的理解，本教材下篇应用MATLAB R2009b 软件，借助于MATLAB/SIMULINK强大功能，对电机与拖动控制中主要实验进行建模仿真。
第九章Simulink简介其产品SIMULINK是一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包，在SIMULINK 提供的图形用户界面（GUI）上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型，它能让使用者在可视化图形方式下以最小的代价来模拟系统的动态运行过程。
SIMULINK 是Simulation和Link两个英文单词的缩写，意思是仿真链接，MATLAB模型库都在此环境中使用，从模型库中提取模型放到SIMULINK的仿真平台上进行仿真。
所以，有关SIMULINK的操作是仿真应用的基础。
电机的SIMULINK仿真模型构建主要使用SIMULINK中的电力系统仿真模块库（SimPowerSystem），该库是由加拿大的Hydro Quebec 公司和TECSIM International公司共同开发的，功能非常强大，可以应用于电路、电力电子系统、电机系统、电路系统等领域的仿真。
第9讲 simulink仿真
e) 改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记 进行拖曳即可。 f) 模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一 下，然后直接更改即可。名称在功能模块上的位 置也可以变换180度，可以用Format菜单中的Flip Name来实现，也可以直接通过鼠标进行拖曳。 Hide Name可以隐藏模块名称。 g) 颜色设定： Format菜单中的Foreground Color可 以改变模块的前景颜色，Background Color可以 改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通 过Screen Color来改变。
Simulink 的仿真方法
I. 仿真算法
在求解器选项 (Solver options)最第二行的两个选择 框中，可选择相应的仿真算法。
变步长(Variable-step)算法
可以选择的变步长算法有以下几种: ode45,ode23,ode15s,ode23s,ode23t,ode23tb,discrete. 缺省情况下，连续系统采用ode45；离散系统采用 discrete,刚性系统采用ode23 。
h) 参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参 数设定窗口，从而对模块进行参数设定。参数设定 窗口包含了该模块的基本功能帮助，为获得更详尽 的帮助，可以点击其上的help按钮。通过对模块的 参数设定，就可以获得需要的功能模块。 i) 属性设定：选中模块，打开Edit菜单的Block Properties可以对模块进行属性设定。包括 Description属性、 Priority优先级属性、Tag属性、 Open function属性、Attributes format string属性。 其中Open function属性是一个很有用的属性，通过 它指定一个函数名，则当该模块被双击之后， Simulink就会调用该函数执行，这种函数在 MATLAB中称为回调函数。
SIMULINK仿真方法简介
SIMULINK仿真方法简介SIMULINK是一个进行动态系统的建模、仿真和综合分析的集成软件包.它可以处理的系统包括:线性、非线性系统;离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。
在SIMULINK提供的图形用户界面GUI上,只要进行鼠标的简单拖拉操作就可以构造出复杂的仿真模型。
它的外表以方框图形式呈现，且采用分层结构。
从建模角度，SIMULINK既适用于自上而下的设计流程,又适用于自下而上的逆程设计.从分析研究角度，这种SIMULINK模型不仅让用户知道具体环节的动态细节，而且能够让用户清晰的了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分的交互影响。
1。
应用SIMULINK的基本操作1)在MATLAB的命令窗运行指令simulink或点击命令窗口中的图标,便可以打开如图B1-2所示的SIMULINK模块库浏览器（Simulink Library Browser）.图B1—2 SIMULINK库浏览器2）点击Source字库前的“+”号（或双击字库名）,便可以得到各种信源模块，如图B1-3。
图B1—3 信源子库的模块3)点击“新建”图标,打开一个名为untitled的空白模型窗口，如图B1—4.图B1-4 SIMULINK的新建模型窗口4）用鼠标指向所需的信号源(如阶跃信号Step）,按下鼠标左键，把它拖至untitled窗，就生成一个阶跃信号的复制品.,如图B1—5.图B1—5模型创建中的模型窗口5)采用上述方法，将信宿库Sink中的示波器scope拷贝到模型窗口，把鼠标指向信源右侧的输出端，当光标变成十字符时，按住鼠标任意键，移向示波器的输入端，就完成了两个模块间的信号连接，如图B1-6。
图B1—6 创建模型完毕中的模型窗口6）进行仿真,双击示波器，打开示波器显示屏，如图1-7。
点击模型窗口中的“仿真启动”图标或点击simulink菜单下的start,仿真就开始了，就可以观测到阶跃信号的波形了，如图B1-7。
simulink仿真教程计算机软件及应用it计算机专业资料课件
Block Parabmeters
Ports d Subsystems Signal Attributes Signal Routing
Open the 'Sinks'Library Sourees
User-Defined Functions
Library: siulink/Sinks
Eile Edit Yiew Tarmt Help
Parameters Numerator;
[25]
Denominator:
1347]
Absolute tolerance;
auto
0K
Cancel
Melp
spply
仿真技术
9
第九章 Simulink动态仿真
9.1.2建立Simulink仿真模型
f) 模块的连接
■ 模块之间的连接是用连接线将一个模块的输出端与另一模块 的输入端连接起来；也可用分支线把一个模块的输出端与几 个模块的输入端连接起来。
存(s)即可。
第九章 Simulink动态仿真
Eile Edit Yiew Simulation Format Iools Help
No
保存在T):
untitled adl
2s+1
3s2+s+1 Transfer Fcn
tt_et_rtw nonlinesrSystem ndl
[说明]
文件名q): 保存类型①): Simulink Models(.ma)
Initial step size
Output options
Refine oupu
Refine factor
[说明]若不设置仿真参数，则采用Simulink缺省设置.
《Simulink仿真》PPT课件
单击模块，拖曳模块到合适的位置，松开鼠标按键
旋转模块
适应实际系统的方向，调 整整个模型的布置
方法1：选中模块，选择菜单命令[Diagram>Rotate &
Flip>Clockwise/Counterclockwise],模块&标签顺/逆时针旋转 90°；选择菜单命令[Diagram>Rotate & Flip>Flip Block]，
启动Simulink有如下3种方式：
在MATLAB的命令窗口直接键入 命令simulink；
用鼠标左键单击MATLAB工具条 上的按钮；
在MATLAB菜单上选择【File】| 【New】|【Model】选项
精选课件ppt
8
7.2.2 Simulink的工作环境
精选课件ppt
9
7.3 模型的创建
精选课件ppt
3
7.1 初识Simulink
典型的Simulink模型包括：
元素1：信号源（Source） 元素2：被模拟的系统模块 元素3：信号输出（Sink）
仿真步骤
建立系统仿真模型
包括添加模块、 设置模块参数、 进行模块连接等操作
设置仿真参数 启动仿真 分析仿真结果
精选课件ppt
discrete 针对非连续系统(离散系统)的特殊算法
ode5
采用 Dormand-Prince 的算法，即固定步长的 ode45 算法
ode4 固定
ode3 步长类
ode2 算法
ode1
采用固定步长的 4 阶 Runge-Kutta 算法 采用固定步长的 Bogacki-Shampine 算法 采用固定步长的 2 阶 Runge-Kutta 算法，也称 Heun 算法 固定步长的 Eular 算法
Simulink仿真应用
Display
实时的数值显示
XY Graph 显示二维图形 To File(.mat) 输出到数据文件
Stop
输入非0时停止仿
Simulation 真
表8：输入源模块（Sources）功能
模块名 Constant From Workspace
Signal Generator
Pulse Generator Step
示波器参数设置
仿真参数的设置
18
仿真中示波器的两个关键参数为：
1) 时间范围 ( Time range ) 决定了时窗的宽度，相当于示波器的扫描速度开关。频率愈高的信
号，自然需要短的时窗(高的扫描速度 )，信号关于时间快速变化的特性 才能得以展现。对1GHz的正弦信号一个周期为1×10-9s，时间范围设置 为5e-9 (5×10-9s)，正好显示五个完整的正弦波。
例如，观察1GHz正弦波所需要的示波器在一般实验室并不常见，但 正确应用示波器(Scope)模块，可以观察任意频率的信号。
16
用示波器观察1GHz正弦波的仿真系统如左图所示，其中正弦波信号 参数设置如右图。
1GHz正弦波显示仿真系统框图
1GHz正弦波信号参数设置
17
示波器参数设置左图，仿真参数设置如右图所示。
3
Simulink提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动便能迅速 地建立起系统框图模型，甚至不需要编写一行代码。
Simulink仿真环境附带了许多专业仿真模块库，利用这些模块库可 快速建立有关专业领域的系统模型并进行仿真，不需要详细了解各模块 内部的实施细节，大大方便了复杂大系统的建模。
Simulink全方位支持动态系统的建模仿真，支持连续系统、离散系 统、连续离散混合系统、非线性系统、时不变系统、时变系统的建模仿 真，也支持具有多采样速率的多速率系统。对通用仿真领域，Simulink 无所不包。
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105第九章 Simulink 高级仿真技术第八章对动态系统的建模、仿真与分析方法做了详细的介绍，这些方法足够用户对简单的动态系统进行仿真研究，但对于复杂的系统来说还略显不足。
况且要想灵活高效的使用Simulink ，还必须了解Simulink 的工作原理。
本章主要介绍Simulink 的高级仿真技术,包括Scope 模块的高级使用技术、Simulink 的工作原理、过零事件、系统代数环的概念与解决方案、高级积分器的使用方法等。
9.1 Scope 模块的高级使用技术从前面章节所举出的仿真示例中可以看出，在对系统进行仿真分析时，通常使用Scope 示波器模块来观察动态系统的仿真结果或系统中指定的信号。
用户可以很方便地对Scope 模块进行各种控制以便对指定信号进行观测，以便对系统进行有效的分析。
Scope 模块也可以设置成悬浮Scope 模块，因而本节主要对Scope 模块和悬浮Scope 模块做详细的介绍。
9.1.1 Scope 模块的使用Scope 模块是一个用途很广的显示模块，我们前面章节给出的Simulink 仿真系统中多半都使用了这种模块，它是以图形的方式直接显示指定的信号。
当无需对输出结果进行定量分析，可以从Scope 模块输出的曲线中直接获知系统的运动规律。
Scope 模块给用户提供了很多控制方法，可以使用户对Scope 模块的输出曲线进行各种控制调整，以便用户观测和分析输出结果。
Scope 模块的工具栏按钮命令如图9.1所示。
下面分别介绍各项功能。
一、打印输出（Print ）将系统仿真结果的输出信号打印出来。
二、视图自动缩放（Autoscale ）点击此按钮可以自动调整显示范围以匹配系统仿真输出信号的动态范围。
三、X 轴缩放、Y 轴缩放以及视图整体缩放可以分别对X 坐标轴、Y 坐标轴或同时对X 、Y 坐标轴的信号显示进行缩放，以满足用户对信号做局部观察的需要。
使用时，单击缩放按钮后选择需要观察的信号范围即可。
若需要缩小视图，单击鼠标右键，选择弹出菜单的Zoom out 即可。
四、保存和恢复坐标轴设置图9.1 Scope 模块的工具栏按钮命令106使用Scope 模块观察输出信号时，用户可以保存坐标轴设置。
这样，当信号的视图发生改变后，单击恢复坐标轴设置可以恢复以前保存的坐标轴设置。
五、Scope 参数设置点击Scope 模块工具栏的参数设置按钮（Parameters ），可以打开Scope 模块的参数设置界面，见图9.2(a)。
Scope 模块的参数设置包含两个选项卡：General 和Data History 。
1、 General 选项卡通常参数设置界面首先显示General 选项卡的内容。
在General 选项卡中可以进行下列设置： （1）坐标系数目（Number of axes ）在一个Scope 模块中可以使用多个坐标系窗口同时输出多个信号。
同时可使用的坐标系数目由此处设置。
默认设置下，Scope 模块仅显示一个坐标系窗口。
（2）悬浮Scope 开关（floating scope ）用来将Scope 模块切换为悬浮Scope 模块。
悬浮Scope 模块将在9.1.2中介绍。
（3）显示时间范围（Time range ）用来设置信号的显示时间范围。
需要注意的是信号显示的时间范围和系统仿真的时间范围可以不同。
坐标系所显示的时间范围并非为绝对时间，而是指相对时间范围，坐标系左下角的时间偏移（Time offset ）规定时间的起始时刻。
（a ）Scope 模块的General选项卡(b) Scope 模块的Data history 选项卡图9.2 Scope 模块的参数设置界面107(4)坐标系标签（Tick labels ）确定Scope 模块中各坐标系是否带有坐标系标签。
此选项提供3种选择：全部坐标系都使用坐标系标签（all ）、最下方坐标系使用标签（bottom axis only ）以及都不使用标签（none ）. 2、Data history 选项卡在Data history 选项卡中可以进行下列设置： （1）信号显示点数限制（Limit data points to last ）用来限制显示信号的数据点的数目，Scope 模块会自动对信号进行截取，只显示信号最后n 个点（n 为设置的点数）。
（2）保存信号至工作空间（Save data to workspace ）将Scope 模块显示的信号保存至MATLAB 工作空间中，以便于对信号进行更深入的定量分析。
（3）数据保存变量名设置被保存至MATLAB 工作空间中数据的变量名。
（4）数据保存类型设置被保存至MATLAB 工作空间中数据的保存类型。
数据的保存类型有三种：带时间变量的结构体（Structure with time ）、结构体（Structure ）以及数组变量（Array ）。
另外，在Scope 模块中的坐标系中单击鼠标右键，选择弹出菜单中的坐标系属性（axes properties ），将弹出如图9.3所示的对话框。
用户可以对Scope 模块的坐标系标题和信号显示范围进行设置，以便于更好地分析显示信号。
9.1.2 悬浮Scope 模块的使用在进行系统仿真分析时，用户往往需要对多个信号进行观察和做定性的分析。
如果将每个信号都与一个Scope 模块相连接，则系统模型中就会存在多个Scope 模块，使得系统模型显得凌乱、不简练，且不易对不同Scope 模块中显示的信号进行比较。
使用悬浮Scope 模块可以解决这个问题。
与Scope 模块不同，悬浮Scope 模块没有输入端口，它在仿真过程中可以显示任何选定的信号，而Scope 模块只能显示输入到其端口的信号。
这里以8.4节中例8.2连续的非线性系统的输出结果为例说明悬浮Scope 模块的使用技术。
图8.28求解Van der Pol 方程的Simulink 模型中Scope1是一个悬浮Scope 模块。
在Simulink 模型中，悬浮Scope 模块的创建有三种方法。
第一，直接从Sink 模型库中选择悬浮Scope 模块；第二，点中普通的Scope 模块的parameters 中的floating scope 选项，将普通的Scope 模块设置为悬浮Scope 模块；第三，点击图9.1所示的悬浮Scope 开关也可将普通的Scope 模块设置为悬浮Scope 模块。
要使用悬浮Scope 模块显示指定的信号，必须进行正确的设置。
一、设置需要显示的信号显示信号的选择是悬浮Scope 使用的关键。
使用悬浮Scope模块的信号选择器选择需要显示的信号。
图9.3 坐标系属性设置对话框108点击图9.1所示的悬浮时信号选择器即可打开信号选择器对话框，见图9.4，然后在可显示信号列表中选择需要显示的信号。
二、设置信号存储缓冲区与全局变量默认情况下，Simulink 的信号都是局部变量，Simulink重复使用存储信号的缓冲区。
使用悬浮Scope 模块时，由于信号和模块之间没有实际的连接，用户需要对要显示的信号进行正确设置以避免Simulink 对变量的缓冲区重复使用。
关闭Simulink 仿真参数对话框（Configuration Parameters）中的Optimization 选项卡，选择禁用Signal storage reuse 功能可以避免Simulink 对变量的缓冲区重复使用。
如图9.5。
对于例8.2，使用悬浮Scope 模块的信号选择器选择需要显示的信号1x 和2x ，在进行了必要的信号存储缓冲区及全局变量设置后，重新运行，悬浮Scope 模块的显示的仿真结果见图9.6。
图9.4 悬浮Scope 模块的信号选择 图9.5 信号存储缓冲区设置1099.2 Simulink 的工作原理尽管Simulink 的初衷是为用户提供一个具有友好用户界面的系统级仿真平台，通过它的图形化仿真环境，可以为用户屏蔽掉许多繁琐的编程工作，而把主要精力放在模型的构建上，从而使用户快速完成系统的设计任务。
但为了能够高效灵活地使用Simulink ，必须了解Simulink 的工作原理。
Simulink 通过系统模型（框图）与MATLAB 求解器直接的交互对话完成系统仿真的，见图9.7。
Simulink 传递模块参数和差分（微分）方程给MATLAB 求解器，而MATLAB 求解器计算系统模块的输出以更新离散系统的状态并确定下一步仿真时间。
9.2.1 系统模型 简单地说，Simulink 中的每个模块都是一个具有输入、输出和状态三个基本元素的系统。
在Simulink 中，模块都是用向量来表示这三个基本元素的，假设u 、x 和y 分别表示输入、状态和输出向量。
图9.8能够表示这三个元素的关系。
其中状态向量是非常重要的概念，状态决定了模块的输出，而它的当前值是前一个时间模块的状态和（或）输入的函数。
拥有状态的模块必须能够保存前面的状态值，计算当前的状态值，并且具有保存以前状态值或输入值的存储空间。
Simulink 的Integrator 模块是有状态的模块，Integrator 模块输出的是输入信号从仿真开始时刻到当前时刻的积分值，当前积分值依赖于Integrator 模块的输入的历史记录，因此积分值是模块的一个状态。
而Gain图9.8 Simulink 模块的基本模型 图9.7 Simulink 仿真原理示意图 图9.6 悬浮Scope 显示的例8.2的仿真结果模块则是无状态的模块，其输出完全由当前的输入值和增益决定，因此，Gain模块没有状态。
Simulink中的状态向量可以分为连续状态、离散状态或两者的结合。
无论是连续系统还是离散系统，在用计算机进行仿真时，都需要在采样时间点（即采样时间步长）估计系统的输入、输出和状态向量。
在每一个采样时刻，Simulink根据当前的时间、输入和状态来决定该采样时刻的输出。
9.2.2 Simulink求解器概念Simulink求解器在Simulink进行仿真计算的过程中起着非常重要的作用，它是Simulink进行仿真计算的核心。
因此，要了解Simulink的工作原理，必须先对Simulink求解器有所了解。
一、离散求解器离散系统一般是用差分方程描述的，其输入与输出仅在离散的采样时刻取值，系统的状态每隔固定的时间才更新一次，而Simulink对离散系统的仿真核心是对离散系统差分方程的求解。
因此，Simulink 可以做到对离散系统仿真的绝对精确（除了有限的数据截断误差）。
要对纯粹的离散系统进行仿真，需要使用离散求解器对其进行求解。
用户需要选择Simulink仿真参数设置对话框中的求解器选项卡中的discrete（no continuous states）选项，即没有连续状态的离散求解器，便可对离散系统进行精确的求解与仿真。