MATLABSimulink用法教学文案.docx

1、MATLABSimulink用法教学文案MATLAB-Simulink用法Simulink仿真环境基础学习Simulink是面向框图的仿真软件。7.1演示一个Simulink的简单程序【例7.1】创建一个正弦信号的仿真模型。步骤如下：(1) 在MATLAB的命令窗口运行simulink命令，或单击工具栏中的图标，就可以打开Simulink模块库浏览器(Simulink Library Browser) 窗口，如图7.1所示。 (2) 单击工具栏上的图标或选择菜单“File”“New”“Model”，新建一个名为“untitled”的空白模型窗口。(3) 在上图的右侧子模块窗口中，单击“Sour

2、ce”子模块库前的“+”(或双击Source)，或者直接在左侧模块和工具箱栏单击Simulink下的Source子模块库，便可看到各种输入源模块。(4) 用鼠标单击所需要的输入信号源模块“Sine Wave”(正弦信号)，将其拖放到的空白模型窗口“untitled”，则“Sine Wave”模块就被添加到untitled窗口；也可以用鼠标选中“Sine Wave”模块，单击鼠标右键，在快捷菜单中选择“add to untitled”命令，就可以将“Sine Wave”模块添加到untitled窗口，如图7.2所示。 (5) 用同样的方法打开接收模块库“Sinks”，选择其中的“Scope”模块

3、(示波器)拖放到“untitled”窗口中。(6) 在“untitled”窗口中，用鼠标指向“Sine Wave”右侧的输出端，当光标变为十字符时，按住鼠标拖向“Scope”模块的输入端，松开鼠标按键，就完成了两个模块间的信号线连接，一个简单模型已经建成。如图7.3所示。 (7) 开始仿真，单击“untitled”模型窗口中“开始仿真”图标，或者选择菜单“Simulink”“Start”，则仿真开始。双击“Scope”模块出现示波器显示屏，可以看到黄色的正弦波形。如图7.4所示。(8) 保存模型，单击工具栏的图标，将该模型保存为“Ex0701.mdl”文件。7.2 Simulink的文件操作和

4、模型窗口7.2.1 Simulink的文件操作1. 新建文件新建仿真模型文件有几种操作： 在MATLAB的命令窗口选择菜单“File”“New”“Model”。 在图7.1的Simulink模块库浏览器窗口选择菜单“File”“New”“Model”，或者单击工具栏的图标。 在图7.3的Simulink模型窗口选择菜单“File”“New”“Model”，或者单击工具栏的图标。2. 打开文件打开仿真模型文件有几种操作： 在MATLAB的命令窗口输入不加扩展名的文件名，该文件必须在当前搜索路径中，例如输入“Ex0701”。 在MATLAB的命令窗口选择菜单“File”Open”或者单击工具栏的图

5、标打开文件。 在图7.1的Simulink模块库浏览器窗口选择菜单“File”“Open”或者单击工具栏的图标打开“.mdl”文件。 在图7.3的Simulink模型窗口中选择菜单“File”“Open”或者单击工具栏的图标打开文件。7.2.2 Simulink的模型窗口模型窗口由菜单、工具栏、模型浏览器窗口、模型框图窗口以及状态栏组成。1. 状态栏2. 工具栏模型窗口工具栏如图7.6所示。3. 菜单Simulink的模型窗口的常用菜单如表7.1所示。表7.1模型窗口常用菜单表菜单名菜单项功能FileNewModel新建模型Model properties模型属性PreferencesSIMU

6、LINK界面的默认设置选项Print打印模型Close关闭当前Simulink窗口Exit MATLAB退出MATLAB系统EditCreate subsystem创建子系统Mask subsystem封装子系统Look under mask查看封装子系统的内部结构Update diagram更新模型框图的外观ViewGo to parent显示当前系统的父系统Model browser options模型浏览器设置Block data tips options鼠标位于模块上方时显示模块内部数据Library browser显示库浏览器Fit system to view自动选择最合适的显示比

7、例Normal以正常比例(100%)显示模型SimulationStartStop启动停止仿真PauseContinue暂停继续仿真Simulation Parameters设置仿真参数Normal普通Simulink模型Accelerator产生加速Simulink模型FormatText alignment标注文字对齐工具Filp name翻转模块名ShowHide name显示隐藏模块名Filp block翻转模块Rotate Block旋转模块Library link display显示库链接ShowHide drop shadow显示隐藏阴影效果Sample time colors设

8、置不同的采样时间序列的颜色Wide nonscalar lines粗线表示多信号构成的向量信号线Signal dimensions注明向量信号线的信号数Port data types标明端口数据的类型Storage class显示存储类型ToolsData explorer数据浏览器Simulink debuggerSimulink调试器Data class designer用户定义数据类型设计器Linear Analysis线性化分析工具 7.3 模型的创建7.3.1模块的操作1. 对象的选定 选定单个对象选定对象只要在对象上单击鼠标，被选定的对象的四角处会出现小黑块编辑框。 选定多个对象如

9、果选定多个对象，可以按下Shift键，然后再单击所需选定的模块；或者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，如图7.7所示。 选定所有对象如果要选定所有对象，可以选择菜单“Edit”“Select all”。2. 模块的复制(1) 不同模型窗口(包括模型库窗口)之间的模块复制 选定模块，用鼠标将其拖到另一模型窗口。 选定模块，使用菜单的“Copy”和“Paste”命令。 选定模块，使用工具栏的“Copy”和“Paste”按钮。(2) 在同一模型窗口内的复制模块(如图7.8所示) 选定模块，按下鼠标右键，拖动模块到合适的地方，释放鼠标。 选定模块，按住Ctrl

10、键，再用鼠标拖动对象到合适的地方，释放鼠标。 使用菜单和工具栏中的“Copy”和“Paste”按钮。3. 模块的移动 在同一模型窗口移动模块选定需要移动模块，用鼠标将模块拖到合适的地方。 在不同模型窗之间移动模块在不同模型窗之间移动模块，在用鼠标移动的同时按下Shift键。当模块移动时，与之相连的连线也随之移动。 4. 模块的删除要删除模块，应选定待删除模块，按Delete键；或者用菜单“Edit”“Clear”或“Cut”；或者用工具栏的“Cut”按钮。 5. 改变模块大小选定需要改变大小的模块，出现小黑块编辑框后，用鼠标拖动编辑框，可以实现放大或缩小。6. 模块的翻转 模块翻转180度选定

11、模块，选择菜单“Format”“Flip Block”可以将模块旋转180度，如同7.9中间为翻转180度示波器模块。 模块翻转90度选定模块，选择菜单“Format”“RotateBlock”可以将模块旋转90度，如图7.9右边示波器所示。如果一次翻转不能达到要求，可以多次翻转来实现。7. 模块名的编辑 修改模块名单击模块下面或旁边的模块名，出现虚线编辑框就可对模块名进行修改。 模块名字体设置选定模块，选择菜单“Format”“Font”，打开字体对话框设置字体。 模块名的显示和隐藏选定模块，选择菜单“Format”“Hide /Show name”，可以隐藏或显示模块名。 模块名的翻转选定

12、模块，选择菜单“Format”“Flip name”，可以翻转模块名。7.3.2信号线的操作1. 模块间连线先将光标指向一个模块的输出端，待光标变为十字符后，按下鼠标键并拖动，直到另一模块的输入端。2. 信号线的分支和折曲(1) 分支的产生将光标指向信号线的分支点上，按鼠标右键，光标变为十字符，拖动鼠标直到分支线的终点，释放鼠标；或者按住Ctrl键，同时按下鼠标左键拖动鼠标到分支线的终点，如图7.10所示。 (2) 信号线的折线选中已存在的信号线，将光标指向折点处，按住Shift键，同时按下鼠标左键，当光标变成小圆圈时，用鼠标拖动小圆圈将折点拉至合适处，释放鼠标，如图7.11所示。3. 信号线

13、文本注释(label) 添加文本注释双击需要添加文本注释的信号线，则出现一个空的文字填写框，在其中输入文本。 修改文本注释单击需要修改的文本注释，出现虚线编辑框即可修改文本。 移动文本注释单击标识，出现编辑框后，就可以移动编辑框。 复制文本注释单击需要复制的文本注释，按下Ctrl键同时移动文本注释，或者用菜单和工具栏的复制操作。4. 在信号线中插入模块如果模块只有一个输入端口和一个输出端口，则该模块可以直接被插入到一条信号线中。7.3.3给模型添加文本注释(1) 添加模型的文本注释在需要当作注释区的中心位置，双击鼠标左键，就会出现编辑框，在编辑框中就可以输入文字注释。(2) 注释的移动在注释文

14、字处单击鼠标左键，当出现文本编辑框后，用鼠标就可以拖动该文本编辑框。7.4 Simulink的基本模块7.4.1基本模块Simulink的基本模块包括9个子模块库。1. 输入信号源模块库(Sources)输入信号源模块是用来向模型提供输入信号。常用的输入信号源模块源如表7.2所示。表7.2 常用的输入信号源模块表名称模块形状功能说明Constant恒值常数，可设置数值Step阶跃信号Ramp线性增加或减小的信号Sine Wave正弦波输出Signal Generator信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿波和随机波信号From File从文件获取数据From Workspace从当前工作空间定

15、义的矩阵读数据Clock仿真时钟，输出每个仿真步点的时间In输入模块2. 接收模块库(Sinks)接收模块是用来接收模块信号的，常用的接收模块如表7.3所示。表7.3 常用的接收模块表名称模块形状功能说明Scope示波器，显示实时信号Display实时数值显示XY Graph显示X-Y两个信号的关系图To File把数据保存为文件To Workspace把数据写成矩阵输出到工作空间Stop Simulation输入不为零时终止仿真，常与关系模块配合使用Out输出模块3. 连续系统模块库(Continuous)连续系统模块是构成连续系统的环节，常用的连续系统模块如表7.4所示。表7.4 常用的连

16、续系统模块表名称模块形状功能说明Integrator积分环节Derivative微分环节State-Space状态方程模型Transfer Fcn传递函数模型Zero-Pole零极点增益模型Transport Delay把输入信号按给定的时间做延时4. 离散系统模块库(Discrete)离散系统模块是用来构成离散系统的环节，常用的离散系统模块如表7.5所示。表7.5 常用的离散系统模块表名称模块形状功能说明Discrete Transfer Fcn离散传递函数模型Discrete Zero-Pole离散零极点增益模型Discrete State-Space离散状态方程模型Discrete Fi

17、lter离散滤波器Zero-Order Hold零阶保持器First-Order Hold一阶保持器Unit Delay采样保持，延迟一个周期7.4.2常用模块的参数和属性设置1. 模块参数设置(1) 正弦信号源(Sine Wave)双击正弦信号源模块，会出现如图7.13所示的参数设置对话框。图7.13的上部分为参数说明，仔细阅读可以帮助用户设置参数。Sine type为正弦类型，包括Time-based和Sample-based；Amplitude为正弦幅值；Bias为幅值偏移值；Frequency为正弦频率；Phrase为初始相角；Sample time为采样时间。(2) 阶跃信号源(St

18、ep)阶跃信号模块是输入信号源，其模块参数对话框如图7.14所示。其中：Step time为阶跃信号的变化时刻，initial value为初始值，Final value为终止值，Sample time为采样时间。(3) 从工作空间获取数据(From workspace)从工作空间获取数据模块的输入信号源为工作空间。【例7.2】在工作空间计算变量t和y，将其运算的结果作为系统的输入。 t=0:0.1:10; y=sin(t); t=t; y=y; 然后将“From Workspace”模块的参数设置对话框打开，如图7.15(a)所示，在“Data”栏填写“t,y”，单击“OK”按钮完成。则在模

19、型窗口中该模块就显示为图7.15(b)。用示波器作为接收模块，可以查看输出波形为正弦波。 “Data”的输入有几种，可以是矩阵、包含时间数据的结构数组。“From Workspace”模块的接收模块必须有输入端口，“Data”矩阵的列数应等于输入端口的个数+1，第一列自动当成时间向量，后面几列依次对应各端口。 t=0:0.1:2*pi; y=sin(t); y1=t;y; save Ex0702 y1 %保存在“Ex0702.mat”文件中(4) 从文件获取数据(From file)从文件获取数据模块是指从mat数据文件中获取数据为系统的输入。将【例7.2】中的数据保存到.mat文件： t=0

20、:0.1:2*pi; y=sin(t); y1=t;y; save Ex0702 y1 %保存在“Ex0702.mat”文件中 然后将“From File”模块的参数设置对话框打开，如图7.16所示，在“File name”栏填写“Ex0702.mat”，单击“OK”按钮完成。用示波器作为接收模块，可以查看输出波形。(5) 传递函数(Transfer function)传递函数模块是用来构成连续系统结构的模块，其模块参数对话框如图7.17所示。在上图中设置“Denominator”为“1 1.414 1”，则在模型窗口中显示为如图7.18所示。(6) 示波器(Scope)示波器模块是用来接收输

21、入信号并实时显示信号波形曲线，示波器窗口的工具栏可以调整显示的波形，显示正弦信号的示波器如图7.19所示。2. 模块属性设置每个模块的属性对话框的内容都相同，如图7.22所示。 (1) 说明(Description)对模块在模型中用法的注释。(2) 优先级(Priority)规定该模块在模型中相对于其它模块执行的优先顺序。(3) 标记(Tag)用户为模块添加的文本格式标记。(4) 调用函数(Open function)当用户双击该模块时调用的MATLAB函数。(5) 属性格式字符串(Attributes format string)指定在该模块的图标下显示模块的哪个参数和格式。7.5复杂系统的

22、仿真与分析Simulink的模型实际上是定义了仿真系统的微分或差分方程组，而仿真则是用数值解算法来求解方程。7.5.1仿真的设置在模型窗口选择菜单“Simulation”“Simulation parameters”，则会打开参数设置对话框，如图7.24所示。1. Solver页的参数设置(1) 仿真的起始和结束时间仿真的起始时间(Start time)仿真的结束时间(Stop time)(2) 仿真步长仿真的过程一般是求解微分方程组，“Solve options”的内容是针对解微分方程组的设置。(3) 仿真解法Type的右边：设置仿真解法的具体算法类型。(4) 输出模式根据需要选择输出模式(

23、Output options)，可以达到不同的输出效果。2. Workspace I/O(工作空间输入输出)页的设置如图7.25所示，可以设置Simulink从工作空间输入数据、初始化状态模块，也可以把仿真的结果、状态模块数据保存到当前工作空间。 (1) 从工作空间装载数据(Load from workspace)(2) 保存数据到工作空间(Save to workspace) Time栏勾选Time栏后，模型将把(时间)变量以在右边空白栏填写的变量名(默认名为tout)存放于工作空间。 States栏勾选States栏后，模型将把其状态变量在右边空白栏填写的变量名(默认名为xout)存放于工

24、作空间。 Output栏如果模型窗口中使用输出模块“Out”，那么就必须勾选Output栏，并填写在工作空间中的输出数据变量名(默认名为yout)。 Final state栏Final state栏的勾选，将向工作空间以在右边空白栏填写的名称(默认名为xFinal)，存放最终状态值。(3) 变量存放选项(Save options)Save options必须与Save to workspace配合使用。7.5.2连续系统仿真【例7.3】建立二阶系统的仿真模型。方法一：输入信号源使用阶跃信号，系统使用开环传递函数，接受模块使用示波器来构成模型。(1) 在“Sources”模块库选择“Step”模

25、块，在“Continuous”模块库选择“Transfer Fcn”模块，在“Math Operations”模块库选择“Sum”模块，在“Sinks”模块库选择“Scope”。(2) 连接各模块，从信号线引出分支点，构成闭环系统。 (3) 设置模块参数，打开“Sum”模块参数设置对话框，如图7.26所示。将“Icon shape”设置为“rectangular”，将“List of signs”设置为“|+-”，其中“|”表示上面的入口为空。“Transfer Fcn”模块的参数设置对话框中，将分母多项式“Denominator”设置为“1 0.6 0”。将“Step”模块的参数设置对话框中

26、，将“Step time”修改为0。(4) 添加信号线文本注释双击信号线，出现编辑框后，就输入文本。则模型如图7.27所示。 (5) 仿真并分析单击工具栏的“Start simulation”按钮，开始仿真，在示波器上就显示出阶跃响应。在Simulink模型窗口，选择菜单“Simulation”“Simulation parameters”命令，在“Solver”页将“Stop time”设置为15，然后单击“Start simulation”按钮，示波器显示的就到15秒结束。打开示波器的Y坐标设置对话框，将Y坐标的“Y-min”改为0，“Y-max”改为2，将“Title”设置为“二阶系统时

27、域响应”，则示波器如图7.28所示。方法二：(1) 系统使用积分模块(Integrator)和零极点模块(zero-pole)串联，反馈使用“Math Operations”模块库中的“Gain”模块构成反馈环的增益为-1。(2) 连接模块，由于“Gain”模块在反馈环中，因此需要使用“Flip Block”翻转该模块。(3) 设置模块参数，将“zero-pole”模块参数对话框中的“Zeros”栏改为“”，将“Poles”栏改为-0.6。将“Gain”模块的“Gain”参数改为-1。模型如图7.29所示。如果将示波器换成“Sinks”模块库中的“Out”模块；然后在仿真参数设置对话框的“Wo

28、rkspace I/O” 页(工作空间输入输出)，将“Time”和“Output”栏勾选，并分别设置保存在工作空间的时间量和输出变量为“tout”和“yout”。仿真后在工作空间就可以使用这两个变量来绘制曲线，如图7.30所示： plot(tout,yout)7.5.3离散系统仿真【例7.4】控制部分为离散环节，被控对象为两个连续环节，其中一个有反馈环，反馈环引入了零阶保持器，输入为阶跃信号。创建模型并仿真：(1) 选择一个“Step”模块，选择两个“Transfer Fcn”模块，选择两个“Sum”模块，选择两个“Scope”模块，选择一个“Gain”模块，在“Discrete”模块库选择一

29、个“Discrete Filter”和一个“Zero-Order Hold”模块。(2) 连接模块，将反馈环的“Gain”模块和“Zero-Order Hold”模块翻转。(3) 设置参数，“Discrete Filter”和“Zero-Order Hold”模块的“Sample time”都设置为0.1s。 (4) 添加文本注释，系统框图如图7.31所示。(5) 设置颜色，Simulink为帮助用户方便地跟踪不同采样频率的运作范围和信号流向，可以采用不同的颜色表示不同的采样频率，选择菜单“Format”“Sample time color”，就可以看到不同采样频率的模块颜色不同。(6) 开始仿真，在Simulink模型窗口，选择菜单“Simulation”“Simulation parameters”，将“Max step size”设置为0.05s，则两个示波器“Scope”和“Scope1”的显示如图7.32所示。可以看出当T=Tk=0.1时系统的输出响应较平稳。 (7) 修改参数，将“Discrete Filter”模块的“Sample time”设置为0.6s，“Zero-Order Hold”模块的“Sample time”不变；选择菜单“Edit”“Update diagram