Simulink基础入门指导.pptx

Simulink基础入门指导.pptx

《Simulink基础入门指导.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Simulink基础入门指导.pptx（174页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

SIMULINK

（1）,快速入门,本章主要内容和学习目的,首先介绍计算机仿真技术和仿真建模方法的基本概念，以便对建模和仿真有个初步和整体的认识；然后对Simulink进行简单介绍，并以一个简单例子进行引导；最后介绍Simulink的工作原理，为后续的深入掌握Simulink打下基础。

动态系统的计算机仿真仿真三要素Simulink与建模仿真Simulink的安装创建一个简单模型模型基本结构,1.1动态系统的计算机仿真,1.1.1系统与模型系统系统只指具有某些特定功能、相互联系、相互作用的元素的集合。

这里的系统是指广义上的系统，泛指自然界的一切现象与过程，例如工程系统如控制系统、通讯系统等，非工程系统如股市系统、交通系统、生物系统等。

系统模型系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质（或是系统的某种特性）的一种描述。

模型具有与系统相似的特性。

好的模型能够反映实际系统的主要特征和运动规律。

模型可以分为实体模型和数学模型。

实体模型又称物理效应模型，是根据系统之间的相似性而建立起来的物理模型，如建筑模型等。

数学模型包括原始系统数学模型和仿真系统数学模型。

原始系统数学模型是对系统的原始数学描述。

仿真系统数学模型是一种适合于在计算机上演算的模型，主要是指根据计算机的运算特点、仿真方式、计算方法、精度要求将原始系统数学模型转换为计算机程序。

1.1.2计算机仿真,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的一门综合性技术。

仿真分类

（1）实物仿真：

又称物理仿真。

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。

优点：

直观，形象，至今仍然广泛应用。

缺点：

投资巨大、周期长，难于改变参数，灵活性差。

数学仿真：

是用数学语言去描述一个系统，并编制程序在计算机上对实际系统进行研究的过程。

优点：

灵活性高，便于改变系统结构和参数，效率高（可以在很短时间内完成实际系统很长时间的动态演变过程），重复性好缺点：

对某些复杂系统可能很难用数学模型来表达，或者难以建立其精确模型，或者由于数学模型过于复杂而难以求解半实物仿真：

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物理仿真或者半物理仿真，如飞机半实物仿真等。

3.计算机仿真,计算机仿真是在研究系统过程中根据相似性原理，利用计算机来逼真模拟研究系统。

研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的系统。

在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的物理模型来进行研究的，即物理仿真。

物理仿真的优点是直接、形象、可信，缺点是模型受限、易破坏、难以重用。

计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程，包括方案论证、技术指标确定、设计分析、故障处理等各个阶段。

如训练飞行员、宇航员的方针工作台和仿真机舱等。

1.2仿真的三要素,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，用数学语言对系统的特性进行描述，其工作过程是：

建立系统的数学模型；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；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。

1.3Simulink与建模仿真,SimulinkSimulink是一种用来实现计算机仿真的软件工具。

它是MATLAB的一个附加组件，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。

特点：

易学易用，能够依托MATLAB提供的丰富的仿真资源Simulink的应用领域,

（2）航空航天系统；（4）船舶系统；（6）金融系统；,

（1）通讯与卫星系统；（3）生物系统；（5）汽车系统；（7）控制系统。

1.3.3Simulink应用举例,（原教材P6例子）,在Matlab命令窗口中输入dblcart1,DoubleMass-SpringSystem（Doubleclickonthe?

formoreinfo）,Tostartandstopthesimulation,usetheStart/StopselectionintheSimulationpull-downmenu,In1,Out1,Stateestimator,x=Ax+Buy=Cx+Du,Plant,DoubleclickhereforSIMULINKHelp,?

Inputs&Sensors1,In1,OuItn12,Inputs&Sensors,K,FeedbackgainusingLQRdesign.,EstimatedPosition,Demux,crtanim2,Animationfunction,ActualPosition,右图所示的模型用来模拟双质量弹簧系统在光滑平面上受一个周期力情况下的运动状态，其中周期力只作用在左边的质量块上。

F（t）,此模型中使用了状态判断和LQR控制。

模型中还有几个“隐藏了真实身份”的子系统，如图中的Inputs&Sensors模块和Stateestimator模块。

双击后可看到它们的“真实面目”。

1Out1,Mux,Inputs&Sensors,1In12In2,1Out1,x=Ax+Buy=Cx+Du,Stateestimator,1In1,DoubleMass-SpringSystem（Doubleclickonthe?

formoreinfo）,Tostartandstopthesimulation,usetheStart/StopselectionintheSimulationpull-downmenu,In1,Out1,Stateestimator,x=Ax+Buy=Cx+Du,Plant,DoubleclickhereforSIMULINKHelp,?

Inputs&Sensors1,In1,OuItn12,Inputs&Sensors,K,FeedbackgainusingLQRdesign.,EstimatedPosition,Demux,crtanim2,Animationfunction,ActualPosition,运行菜单选项【SimulationStart】，则屏幕上出现双质量弹簧系统运动状态的动画图形。

模型中的ActuralPosition模块和EstimatedPosition模块用来显示在一个周期内的左边质量块的位置轨迹。

1.4Simulink的安装,系统要求：

奔腾100以上CPU，16MB以上内存，Windows9x或WindowsNT安装：

随MATLAB安装或单独安装。

启动Simulink：

首先启动MATLAB，然后在MATLAB窗口中单击上面的Simulink按钮或在命令窗口中输入simulink。

1.5创建一个简单模型,两个例子,例子1,x（0）0,x&（t）sin（t）,C1,x（t）cos（t）1,x（t）cos（t）CC为常数利用初始条件,步骤一：

添加模块,Scope,1s,SineWaveIntegrator,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,0.20,0.4,0.6,0.8,1,1.2,1.61.4,1.8,2,SineWave,Scope,1s,Integrator,步骤二：

连接模块,步骤三：

运行仿真,创建模型步骤,从源模块库（Sources）中复制正弦波模块（SineWave）。

连续模块库（Continuous）复制积分模块（Integrator）。

输出显示模块库（Sinks）复制示波器模块（Scope）。

双击示波器模块，打开Scope窗口。

双击模型窗口菜单中的【SimulationStart】，仿真执行，结果如图所示。

x（0）0,x&（t）sin（t）,x（t）cos（t）1,x（t）cos（t）,x（0）1,x&（t）sin（t）,如果将以上算例的初始条件改为：

x（0）1,C0,利用初始条件,系统的解析解为：

在仿真时，需要将积分,模块的初始值设置,为1，最终可以得到,标准的余弦曲线,1s,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,-0.4-0.6-0.8-1,-0.2,0,0.2,0.4,0.6,10.8,SineWave,Scope,1s,Integrator,Simulink模型：

例子2,m&x&cx&kx0,00,0,0,0,xcos（,d,d,d,sin（t）,xx,t）,t,&,初始条件：

x（0）x01,x&（0）x&00,单自由度系统：

x（t）e其中：

要求：

采用Simulink对系统进行仿真。

已知参数：

m1,c1,k1解析解为：

m,k,0,系统固有频率,d012,阻尼固有频率,c,2km,相对阻尼系数,m&x&cx&kx0,x&（0）x&00c1,k1,x（0）x01,已知参数：

m1,&x&cx&kx0mm,1s,积分得到位移,1s,积分得到速度,1k/m,1c/m,Scope,初值设置为1,初值设置为0,&x&,x&,x,5,10,15,-0.60,10.80.60.40.20-0.2-0.4,如果系统中没有阻尼，则动力方程为：

m&x&kx0,0,0,0,0,0,x,sin（t）,&,t）,x（t）xcos（,解析解为：

初始条件：

x（0）x01,x&（0）x&00,已知参数：

m1,k1,m,k,0,其中：

系统固有频率,m&x&kx0,初始条件：

已知参数：

m1,k1x（0）x01,x&（0）x&00,m,&x&kx0,1,s,积分得到位移,1,s,积分得到速度,Scope,-1-k/m,初值为1,初值为0,&x&,x&,x,5,10,15,-10,10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8,1.6模型基本结构,一个典型的Simulink模型包括如下三种类型的元素：

信号源模块被模拟的系统模块输出显示模块,源模块系统模块显示模块Simulink模型元素关联图,信号源为系统的输入，它包括常数信号源、函数信号发生器（如正弦波和阶跃函数波等）和用户自己在MATLAB中创建的自定义信号。

系统模块作为中心模块是Simulink仿真建模所要解决的主要部分。

系统的输出由显示模块接收。

输出显示的形式包括图形显示、示波器显示和输出到文件或MATLAB工作空间中三种。

输出模块主要在Sinks库中。

SIMULINK

（2）,建模方法,本章内容和学习目的,本章介绍一些模块的特殊操作，如模块操作、信号线操作、模型注释等，对模块和信号线有一个整体认识，以便为后续的动力学建模和仿真打下基础。

掌握模块操作、信号线操作、模型注释的基本技巧。

打开模型模块操作信号线操作模型注释创建一个复杂模型模型和图形拷贝到Word文档中,2.1打开模型,新建模型打开一个已存在的模型方法1：

通过【FileOpen】命令；方法2：

在MATLAB命令窗中直接键入模型名。

2.2模块操作,方法4：

选中模块，CtrlC复制，CtrlV粘贴,方法2：

右键拖曳模块,方法3：

【EditCopy】和【EditPaste】,调整模块大小选中模块，模块四角出现小方块，然后按住鼠标拖曳旋转模块选中模块，然后选择菜单命令【FormatRotate】，模块将顺时针方向旋转90度。

模块的内部复制方法1：

先按Ctrl键，再单击模块,删除模块方法1：

选中模块，按Delete键方法2：

选中模块，然后从模型窗口菜单中选择【EditClear】方法3：

选中模块，然后选择菜单【EditCut】，删至剪贴板选中多个模块方法1：

按住Shift键，同时用鼠标单击想要选中的模块方法2：

使用“范围框”。

在使用“范围框”后，若像继续选择模块，可按住Shift键，再单击要选的模块即可。

若多个模块被选中，则这些模块可以被当作一个整体进行操作，如移动、复制和删除等，操作方法和单个模块的操作方法相同。

改变模块的标签在标签的位置上双击鼠标，则模块标签进行编辑状态。

编辑完标签后，在标签外的任意位置上单击鼠标，则新的合法标签将被承认。

改变标签位置选择菜单命令【FormatFlipName】，模块的标签将发生翻转。

若原标签位置在模块的左边，则翻转到右边。

若原标签位置在模块的下方，则翻转到上方。

隐藏标签选择菜单命令【FormatHideName】，则模块的标签从屏幕上消失。

此时【HideName】变成为【ShowName】，选中它可以重新显示标签。

2.2.8增加阴影选择菜单命令【FormatShowDropShadow】，则模块增加阴影。

此时【ShowDropShadow】变成为【HideDropShadow】，选中它可以隐藏阴影。

2.3信号线操作,绘制信号线移动线段移动节点删除信号线分割信号线置信号线标签模型注释增加注释的方法改变注释字体注意：

要养成及时对模块和信号线的命名以及及时对模型加标注的习惯，这会提高模型的可读性。

2.3.1绘制信号线,由输出端口拖曳鼠标到输入端口，或拖曳鼠标由输入端口到输出端口,1s,Integrator,1,Gain,+,1s,Integrator,1,Gain,2.3.2移动线段,若想移动信号线的某段，单击选中此段。

移动鼠标到目标线段上，则鼠标的形状变为移动图标。

按住鼠标，并拖曳到新位置。

放开鼠标，则信号线被移动到新的位置。

1s,Integrator,1,Gain,1s,Integrator,1,Gain,2.3.3移动节点,若想移动信号线的某段，单击选中此段。

移动鼠标到目标线段上，则鼠标的形状变为移动图标。

按住鼠标，并拖曳到新位置。

放开鼠标，则信号线被移动到新的位置。

1s,Integrator,1,Gain,1s,Integrator,1,Gain,2.3.4删除信号线,同删除模块一样，删除信号线可以选中信号线，然后按Delete键，或者利用菜单【Edit/Clear】或【Edit/Cut】选项进行删除。

2.3.5分割信号线置,先选中信号线。

按住Shift键，然后在信号线上需要分割的点上单击鼠标，拖动节点到新的位置，放开鼠标即可。

1s,Integrator,1,Gain,1s,Integrator,1,Gain,2.3.6信号线标签,每段信号线都可以有一个标签。

双击要标注的信号线，则信号线的附近就会出现一个编辑区，在编辑区内输入标签的内容即可。

1s,Integrator,1Gain,2.4模型注释,使用模型注释可以使模型更易读懂，其效果如同MATLAB程序中的注释行一样。

对于经常使用Simulink的用户，养成经常使用注释的习惯是非常重要的。

增加注释的方法在模型窗口中的任何想要注释的部位上双击鼠标，将会出现一个编辑框，在该框内输入想要注释的内容即可。

改变注释字体要改变注释内容的字体，先选中注释，选择模型窗口菜单中的【FormatFont】选项，就会出现一个字体选择的对话框，选中认为合适的字体，然后按【OK】。

2.5创建一个复杂模型通过两个算例来说明建模中的其他一些技巧例子1一个生长在罐中的细菌的简单模型。

假定细菌的出生率和当前细菌的总数成正比，死亡率和当前的总数的平方成正比。

若以x代表当前细菌的总数，则细菌,的出生率可表示为：

birth_ratebx,细菌的死亡率可表示为：

death_ratepx2细菌总数的总变化率可表示为出生率与死亡率之差。

因此系统可表示为如下,的微分方程形式：

x&bxpx2假定b1/h，p0.5/h，当前细菌的总数为100，计算一个小时后罐中的细菌总数。

x&bxpx2,1s,Integrator,x&,x,步骤一：

添加模块这是一个一阶系统，因此一个用来解微分方程的积分模块是必要的。

积分模块的输入为x&，输出为x。

x&bxpx2,Sum,Scope,Product,1s,Integrator,1,Gain1,1,Gain,Sum,求和模块，来源于数学模块库（Math）,乘法模块，来源于数学模块库（Math），用于实现x2,示波器模块，来源于输出显示模块库（Sink）,增益模块，来源于数学模块库（Math）,积分模块，来源于连续模块库（Continuous）,增益模块，来源于数学模块库（Math）,x&bxpx2,步骤二：

连接模块,Sum,Scope,Product,1s,Integrator,1Gain1,1,Gain,Sum,.,.,x&bxpx2,b1,p0.5,当前细菌的总数为100，计算一个消失后罐中的细菌总数,Sum,Scope,Product,1s,Integrator,1,Gain1,0.5,Gain,Sum,.双击积分模块，,将初值设置为100,双击求和模块，设置为“”,步骤三：

设置仿真参数p0.5,b1,.,模型的起始时间默认为0，终止时间默认为10.0。

需要改变终止时间时，旋转模型菜单【SimulinkParameters】，打开模型参数对话框，设置【Stoptime】为10.0。

现在模型就全部完成了，选择【FileSave】命令保存模型为bio_example，Simulink将以bio_example.mdl为文件名保存到指定的位置。

步骤四：

运行模型,双击示波器模块，并选择【SimulinkStart】命令运行模型，示波器将绘制出仿真结果。

1,2,3,4,6,7,8,9,10,00,100908070605040302010,5Time,m,m,m,k,k,2k,例子2：

三自由度结构的强迫振动x1x2x3,P0sin（wt）2k,00,0,0,0,2,0x1,3kx3,kx2,3kkk2kk,x,m00,P0sin（t）,m&x&3,&,0&x&1,动力学方程：

m0,P（t）,m,0,0,m00M0m0,2,x3,x1,Xx,0,Kk,P0sin（t）,P（t）003kk02kkk3k,写成矩阵形式：

MX&KX,要求：

采用Simulink对系统进行动态仿真，并与解析解进行对照，计算时间050,0.0882,0,2,2P0sin（wt）,2,k,2,3,P,k,3,sin（wt）2.630P0sin（wt）0.21,1,k,1,x（t）,x（t）,3,x1（t）,00,0,0,0,0,2,0x1,3kx3,kx2,3kkxk2kk,m0m0,P0sin（t）,m&x&3,&,0&x&1,已知参数：

m=1,k=1,P0=1,0.5解析解：

倪振华振动力学P189P233,SineWave频率调整为0.5,Scope,1s,Integrator1,1s,Integrator,K*u,质量阵的逆M1,K*u1;0;0,K*u,质量阵的逆M1,K*u,刚度阵K,已知参数：

m=1,k=1,P0=1,0.5,P（t）,MX&KX,00,0,0,0,0,2,0x1,3kx3,kx2,3kkxk2kk,m0m0,P0sin（t）,m&x&3,&,0&x&1,1KX,M1P（t）,X&M,0;0;0,0;0;0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,-0.80,0.60.40.20-0.2-0.4-0.6,2.6模型和图形拷贝到Word文档中,拷贝到Word文档使用【EditCopyModel】命令，然后在Word中粘贴在Word文档中编辑模型和图形使用取消组合命令,SIMULINK（3）,运行仿真,本章内容和学习目的,介绍两种Simulink运行仿真的方法使用窗口运行仿真使用MATLAB命令运行仿真掌握以上两种运行仿真的方法,3.1使用窗口运行仿真,1.设置仿真参数,优点：

人机交互性强，不必记住繁琐的命令语句即可进行操作。

使用窗口运行仿真主要可以完成以下一些操作。

3.启动仿真,4.停止仿真,5.中断仿真,6.仿真诊断,2.应用仿真参数,仿真参数和算法选择的设置,仿真参数和算法设置后，使之生效,选择命令运行仿真,选择命令停止仿真,可以在中断点继续启动仿真，而停止仿真则不能,在仿真中若出现错误，Simulink将会终止仿真并在仿真诊断对话框中显示错误信息,1.设置仿真参数,选择菜单选项【SimulationParameters】，可以对仿真参数及算法进行设置，共有五个选项卡解法设置（Solver）工作间I/O（WorkspaceI/O）诊断页（Diagnostics）高级设置（Advanced）实时工具对话框（Real-TimeWorkshop）,解法设置（Solver）（讲）设置起始和终止时间，选择积分分解法，指定求解参数和选择输出选项工作间I/O（WorkspaceI/O）（讲）管理MATLAB工作间的输入输出项诊断页（Diagnostics）（不讲，自学）选择在仿真中警告信息的等级高级设置（Advanced）（不讲，自学）对仿真的一些高级配置进行设置实时工具对话框（Real-TimeWorkshop）（不讲，自学）对实时工具中若干参数进行设置。

若没有安装实时工具，不出现此框。

（1）解法设置页,当选中菜单选项【SimulationParameters】后，出现参数及算法等设置页。

再点击【Solver】，则出现解法设置页。

解法设置页包括三项内容：

设置仿真的启动时间和终止时间选择算法并指定参数选择输出项,仿真时间,仿真解法（各种解法说明见下页）默认解法（ode45）变步长解法：

ode45，ode23，ode113，ode15，discrete定步长解法：

ode5，ode4，ode3，ode2，ode1，discrete最大步长初始步长输出选项：

用户用来控制仿真输出个数的对话框，共有三个菜单选项：

定义输出，产生附加输出，产生指定输出。

各种ode命令的说明,

（2）工作间I/O,Simulink作为MATLAB的一个附件，理应与MATLAB很好地结合，它的输入数据可以从MATLAB的工作空间中获得，其仿真结果也可以被引入到MATLAB的工作空间。

实现此项功能需要用到仿真参数对话框中的工作间I/O页。

工作间I/O页大致可以分为三个部分：

从MATLAB工作空间获得系统输入（Loadfromworkspace）仿真结果输出到MATLAB的工作空间（Savetoworkspace）输出选项（Saveoption）下面对WorkspaceI/O选项页的功能与使用分别予以简介。

从MATLAB工作空间加载（Loadfromworkspace）虽然Simulink提供了多种系统输入信号，但并不能完全满足需要。

Simulink允许使用用户自定义的信号作为系统输入信号。

在Loadfromworkspace框中，用户可以设置MATLAB中的变量作为系统输入信号或系统状态初值，如下所述：

（1）Input：

用来设置系统输入信号，其格式为t,u，其中t、u均为列向量，t为输入信号的时间向量，u为相应时刻的信号取值。

可以使用多个信号输入，如t,u1,u2。

输入信号与Simulink的接口由Inport模块（In1模块）实现。

2Out2,1Out1,Scope,1s,Integrator1,1s,Integrator,2In2,1