第7章：动态系统Simulink建模与仿真

继电模块输出值可以在两个设定值之间切换。当 继电器吸合时，它保持吸合状态输出直到输入信 号值小于继电断开值（Switch off point）。当继 电器分离时，它保持分离状态输出直到输入信号 可按设定的穿越检测方向 （Hit crossing direction） 值大于继电吸合值（Switch on point）。 检测信号达到设定值的时 磁滞回环模块（Backlash）：建立间隙模型。 间。此时输出一个正脉冲。 继电模块（Relay）
（1）在MATLAB命令窗口输入“simulink”命令。 （2）单击MATLAB主窗口左下角的“Start”按钮，在弹出的快 捷菜单中单击【Simulink】→【Library Browser】命令。 （3）单击MATLAB主窗口工具栏里的工具。
图7-1 Simulink窗口界面
2 Simulink模块库组件
5.模块的连接


将鼠标移动到模块的输出端子上，当鼠标出现“十字”符号 后，按下鼠标左键并拖动到下级模块的输入端子上，完成模 块信号的连接。如上图所示。 选中信号输出模块，按下键盘“Ctrl”键并单击下级模块完成 模块信号的连接。 在已存在的信号线上引出新的信号线时，可用鼠标右键单击 源信号线，并按住不放拖动到指定位置，完成信号线的分支 连接。如图所示，在模块没有完成连接时，以红色虚线显示， 当连接完成后以黑色实线显示。
Simulink是Simulation（仿真）与link（连接）的简写形式， 它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境 ，是 MATLAB最重要的组件之一，也是其它仿真工具箱的可视化 仿真平台 。 优点：建模方便灵活， 适用面广， 结构和流程清晰， 效率高等。
7.1.2 Simulink组成 1 Simulink启动
仿真参数配置完毕后，可运行仿真，方法有三种： ①单击模型窗口工具栏 工具 ②单击“Simulation”菜单，在弹出的下拉菜单中单击“Start”命令 ③同时按下快捷键“Ctrl+T”。 双击“Scope”模块，弹出如图所示仿真输出结果
3. 运行仿真与仿真输出
7.3动态系统Simulink仿真模型的建立
其它模块请参考MATLAB软件！
7.2 Simulink建模与仿真基本方法
7.2.1
简单系统仿真模型的建立
Simulink空白模型的建立可方法如下： 在MATLAB主窗口中选择菜单File/New/Model。 选择Simulink模块库浏览器窗口的菜单 File/New/Model。 单击Simulink模块库浏览器工具栏的新建图标 “”。



逻辑操作（Logic Operator）模块， 信号合成器（Mux）模块， 输出接口（Out1）模块， 乘法（Product）模块， 关系操作（Relational Operator）模块， 饱和（Saturation）模块， 示波器（Scope）模块， 子系统（Subsystem）模块， 求和模块（Sum）, 开关转换模块（Switch）， 信号终端（Terminator）模块， 单位延迟（Unit Delay）模块。
Simulink7.1模块库共包含16个子模块库，它们是:



Commonly Used Blocks（常用模块库） Continuous（连续系统模块库） Discontinuous（非连续系统模块库） Discrete（离散系统模块库） Logic and Bit Operations（逻辑与位操作模块库） Lookup Tables（查询表模块库） Math Operations（数学操作模块库） Model Verification（模型验证模块库）



离散状态空间模型（Discrete State-Space）：离散状态空间模型实现 下面系统模型 一阶离散传递函数功能模块（Transfer Fcn First Order）：用于建立 一阶的离散传递函数模型。 传递函数引导或终止模块（Transfer Fcn Lead or Lag）：用于实现输 入信号的离散时间引导或终止补偿。 实数零点传递函数功能模块（Transfer Fcn Real Zero）：用于实现具 有一个实数零点而无极点的传递函数模型。 加权滑动平均模块（Weighted Moving Average）：模块采样并保持 最近N个输入信号，并根据设定的权重参数值（weights）计算它们的 平均值。该模块适用于SISO系统或SIMO系统模型。 记忆模块（Memory）：输出前一时刻的输入信号值。 一阶保持器（First-Order Hold）：实现离散采样系统的一阶采样保持 功能。 零阶保持器（Zero-Order Hold）：实现离散采样系统的零阶采样保持 功能。


量化模块（Quantizer）：用于输入信号的量化处理。 穿越值检测模块（Hit Crossing）： 库仑与黏性摩擦（Coulomb & Viscous Friction）: 返回零模块（Wrap to Zero）
当输入信号值超过设定的极限值 （Threshold），输出信号返回到 零值。
由系统框图建立Simulink仿真模型
由传递函数建立Simulink仿真模型 由状态方程建立Simulink仿真模型 由微分方程建立Simulink仿真模型
7.1.1 由系统框图建立Simulink仿真模型
建立上图所示系统框图的Simulink仿真模型的基本方法如下； 1.启动MATLAB/Simulink工具箱 2.建立Simulink空白模型
3.根据系统框图选择模块 4.模块的复制与删除操作 在模块库选中模块后，按住鼠标左键不放并拖动到Simulink 模型窗口指定位置，释放鼠标左键，完成模块的复制操作。 在模块库选中模块后，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中， 单击“Add to Example_Model”命令将模块添加到指定模型 窗口，完成模块的复制操作。 在模块库选中模块后，在库浏览器窗口的Edit菜单中选择 Copy命令，用鼠标单击目标模型窗口中指定位置，再从模 型窗口的Edit菜单中选择Paste，完成模块的复制操作。 当模型窗口已有所需模块时，也可以直接从该处复制模块， 操作方是单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中单击“Copy” 命令，然后用鼠标右键单击模型窗口空白处，在弹出的快进 诶菜单中单击“Paste”命令来完成粘贴任务。此外，也可以 使用编辑菜单进行复制、粘贴操作。当然还可以用鼠标右键 按住所需复制的模块不放，并拖动到指定位置完成复制操作， 这可大大加快建模速度。

将各子模块连接起来后，构成如图所示的系统模型
7.2.2 Simulink仿真模型参数设置
1.基本模块参数设置 在完成模块的信号线连接并建立起系统的Simulink仿真模型 后，需要设置模块的参数。在Simulink模型里，双击需要修 改参数的模块，弹出参数设置对话框。
2. 仿真参数设置 单击模型窗口的“Simulation”菜单，在弹出的下拉菜单中单 击“Configuration Parameters”命令，打开“Configuration Parameters”对话框如图所示。



Model-Wide Utility， Ports & Subsystems(接口与子系统模块库)， Signal Attributes（信号属性模块库） Signal Routing（信号路由模块库） Sinks（输出模块库） Sources（信号源模块库） User-Defined Functions（用户自定义模块库） Additional Math & Discrete （附加数学和离散系统模块库）
在零值为不连续点，在其它值 为连续线性增益。
（3）离散系统模块库 离散系统模块库主要包括用于建立离散采样系统的模块 ，包括：





单位延迟模块（Unit Delay）：延迟一个采样周期 整数延迟模块（Integer Delay）：延迟输入N个采样周期，N为自然数。 触发延迟模块（Tapped Delay）：延迟N个采样周期后并输出全部的 输入信息。 离散时间积分器（Discrete-Time Integrator）：离散积分器模块可以 代替积分器用来建立纯离散采样系统。在离散积分器模块参数对话框 里，可以设定初始状态值、增益值、输出饱和值。 离散传递函数功能模块（Discrete Transfer Fcn）：可以建立离散传 递函数模型。 离散滤波器模块（Discrete Filter）：用于建立离散系统滤波器仿真模 型。 离散零极点增益模型（Discrete Zero-Pole）：使用零点、极点、增益 图7-4 值建立离散系统的零极点增益模型。 离散微分模块（Difference）：输出当前输入信号值与前一个采样值 之差。派生离散微分模块（Discrete Derivative）：模块的输出值按下 式计算：
(2) 连续系统模块库 连续系统（Continuous）模块库提供了连续系统Simulink建 模与仿真的基本模块，有： 微分环节模块（Derivative）， 积分环节模块（Integrator）， 状态空间模型（State-space）， 传递函数功能模块（Transfer Fun）， 传输延迟模块（Transport Delay）， 可变时间延迟模块（Veriable Transport Delay）， 可变传输延迟模块（Veriable Transport Delay） 零极点增益模块（Zero-Pole） 图7-3
用于设定死区区间。动态死 性模块（Saturation Danymic ）可以根据 区非线性模块（Dead Zone 输入端口Up和Lo的设定值动态设置输出 非连续系统模块库（DisContinity ）在以前版本中也称为非 Danymic）可以根据输入端 的上限和下限。 口Up和Lo的设定值动态设置 用于设置信号输出变化率 线性模块库，包含一些常用的非线性运算模块，主要包括： 死区区间。 限幅，即：上升变化率限幅 （Rising slew rate）和下降 变化率限幅（Falling slew rate）。 饱和非线性模块（Saturation）
(1) Commonly Used Blocks（常用模块库） 是为了加快建模速度，节省建模过程中寻找模块的时间而将 最常用的基本模块集中放在一起形成的，在初学Simulink建 模与仿真时，是使用最为频繁的模块库。
图7-2
常用模块库包括







总线信号生成器（Bus Creator）模块、 总线信号选择器（Bus Selector）模块、 常数模块（Constant）、 数据类型转换（Data Type Conversion）模块， 信号分离器（Demux）模块， 离散时间积分（Discrete-Time Integrator）模块， 增益（Gain）模块， 信号地（Ground）模块， 输入接口（In1）模块， 积分（Integrator）模块，
第7章：动态系统Simulink建模与仿真
本章内容： Simulink工具箱简介 Simulink建模与仿真基本方法 动态系统Simulink仿真模型的建立 Simulink子系统技术 S-函数与Simulink仿真 *模糊逻辑工具箱简介
7.1 Simulink工具箱简介
7.1.1 Simulink工具箱ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ介
（用于设置饱和输出上下限。动态饱和非线 3） 非连续系统模块库
死区非线性模块（Dead Zone） 变化率限幅模块（Rate Limiter） 变化率动态限幅模块（Rate Limiter Dynamic）
可以根据输入端口Up和Lo的 设定值动态设置信号上升变 化率限幅参数R和下降变化 率限幅参数L。