第5章 simulink在系统仿真中的应用

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Simulink的发展历史
• MATLAB的一个组成部分 • 1990 年 前 后 由 MathWorks 公 司 推 出 SimuLAB
• 1992年改为simulink
• Simu（仿真）+link（连接）
• 2007年，支持simscape语言
simulink 强大的功能

SIMULINK 库浏览器界面
5.1.2 Simulink 下常用模块简介
1. 输入模块组 Sources 2. 输出模块组 sbf Sinks 3. 连续系统模块组 Continuous 4. 离散系统模块组 Discrete 5. 非线性模块组 Discontinuities 6. 数学函数模块组 Math Operations 7. 查表模组块 Look-up Tables 8. 用户自定义函数模块组 User-defined Functions 9. 信号模块组 Signal Routing 10. 信号属性模块组 Signal Attributes
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5.1.3 Simulink 下其他工具箱的 模块组
除了上述的各个标准模块组之外，随着 MATLAB 工具箱安装的不同，还有若干工 具箱模块组和模块集 ( blockset ) ，其他模 块组如下图所示。
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5.2Simulink 建模与仿真

x(0) y (0) z (0) 0
• • • •
a=0.2;b=0.2;c=5.7;x0=[0;0;0]; f=@(t,x)[-x(2)-x(3);x(1)+a*x(2);b+[x(1)-c]*x(3)]; [t,x]=ode45(f,[0,10],x0); plot(t,x)
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
0
2
4
6
8
10
x(t ) y (t ) z (t ) y (t ) x(t ) ay (t ) z (t ) b x(t ) c z (t )
这样用下面的语句就可以绘制出各个状态变量 的时间响应曲线，如图
源模块
系统模块
显示模块
复杂系统传递函数的求取
在Siumlink环境下输入系统的方框图则可
以方便的得到其传递函数： 1、系统方框图的输入（例5.1）
2、 将构建的方框图保存自定文件名，保存在默认 的目录下，文件名例如:li51s 。 3、 求取方框图表示的系统的传递函数 ① 有理多项式形式 在MATLAB命令窗口（Command Window）键入以 下程序： >> [n,d]=linmod(‘li51s’) 注：' '中是自定的文件名。 输出结果：
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(4) 旋转：从标准模块库中复制到模型编辑窗口中模 块，在默认状态下是输入端（大于符号）在左，而 输出端（三角符号）在右，在绘制系统方框图时， 有时为了使得连线更容易，避免不必要的交叉线， 增加框图的可读性，需要对某些模块翻转或旋转， 使得其输入端和输出端改变方向。
在菜单Format中选择Flip Block旋转180°，选 择Rotate Block顺时针旋转90°，或者直接按 Ctrl+F键执行Flip Block，按Ctrl+R键执行Rotate Block。
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(5) 改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标 记进行拖放即可。
(6) 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放。 Hide/Show Name可以隐藏/显示模块名称。
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Simulink建模
一个典型的Simulink模型包括如下三种类型的元素： ① 信号源模块 ② 被模拟的系统模块 ③ 输出显示模块 如图所示说明了这三种元素之间的典型关系。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；信号源为系统的输入，它包括常数信号源函数信号发 生器（如正弦和阶跃函数波等）和用户自己在Matlab中 创建的自定义信号或Matlab工作间中三种。输出模块主 要在Sinks库中。

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② 零极点增益模型 在MATLAB命令窗口键入以下程序： >> [a,b,c,d]=linmod2(' li51s ');G=ss(a,b,c,d);G1=ZPK(G)

结果：
如果结果比较复杂，可以minreal()函数得到最小实现。
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5.2.3 Simulink功能模块的基本操作
功能模块的基本操作，包括模块的移动、复制、 删除、转向、改变大小、模块命名、颜色设定、参 数设定、属性设定、模块输入输出信号等。 模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖放（选 中模块，按住鼠标左键不放）而放到模型窗口中进 行处理。在模型窗口中，选中模块，则可以对模块 进行以下的基本操作。
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(2) 复制：选中模块，然后按住鼠标左键进行拖放即 可在另一窗口复制同样的一个功能模块。 在同一窗口中复制模块时按下Ctrl键同时用鼠标 选中待复制的模块将其拖放到指定位置即可。如果 采用鼠标右键，以上复制过程就省掉按Ctrl键了。 (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。
• Simulink 建模方法简介 • 仿真算法与控制参数选择 • Simulink 在控制系统仿真研究中的应 用举例
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5.2.1 Simulink建模方法简介
建模仿真步骤： •打开模块库 •打开一个空白的编辑窗口 •复制相关模块 •修改模块参数 •模块连接 •系统仿真研究
例 5.1 用Simulink求出闭环系统的阶跃响应曲线
• Simulink 下其他工具箱的模块组
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5.1.1
Simulink 简介
控制系统仿真研究的一种很常见的要求是通过计 算机得出系统在某信号驱动下的时间响应，从中得 出期望的结论。 对线性系统来说，可以按照第4章介绍的方法， 对于更复杂的系统来说，Simulink 环境就是解决这 样问题的理想工具，它提供了各种各样的模块，允 许用户用框图的形式搭建起任意复杂的系统，从而 对之进行准确的仿真。

单击 MATLAB 命令窗口工具栏中的Simulink 图标，可以打开 Simulink 模块浏览器窗口。 输入 open_system (‘ simulink ’) 命令将打开模 型库，库中还有下一级的模块组，如连续模块组、 离散模块组和输入输出模块组等，用户可以用双 击的方式打开下一级的模块组，寻找及使用所需 要的模块。
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Sim
• 除了用simulation菜单启动系统仿真的进程外， 还可以调用sim( )函数进行仿真分析 • 其中，模型名为对应的simulink文件名 • 后缀.mdl可以省略 • 函数调用后，返回的t为时间向量 • x为状态矩阵，其各列为各个状态变量 • 返回变量 y 的各列为各个输出信号（ Outport 构 成的矩阵）
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• Solver options 的 Type 栏目有两个选项，允许 用户选择定步长和变步长算法。 • 仿真精度控制有 Relative Tolerance 选项、 Absolute Tolerance 等，其中相对误差限的默认 值设置为 1e-3，该值在实际仿真中显得偏大，建 议选择 1e-6 和 1e-7。值得指出的是，由于采用 的变步长仿真算法，所以将误差限设置到这样小 的值也不会增加太大的运算量。
5.2.2 仿真算法与控制参数选择
选中 Simulink 模型窗口的 Simulation 菜单项， 其中的 Configuration Parameters 菜单项允许用户设 置 仿真控制参数：
• 设置如下仿真参数： • State time和Stop time（仿真时间） • Solver options（算法）/Type • Relative Tolerance（相对误差限） • Absolute Tolerance （绝对误差限） • Max step size/Min step size（步长） • Diagnostics（警告信息） 2016/5/16
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(9) 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。
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(7) 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。 (8) 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描述，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。
• 交互建模
• 交互仿真 • 能够扩充和定制 • 与MATLAB和工具箱集成 • 专 用 模 型 库 （ Blocksets ）