动态系统的Simulink仿真
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simulink仿真
Neural Network Blockset：神经网络工具箱；
Simulink Extras：补充Simulink公共模块库； Stateflow：用来对复杂的事件驱动系统进行建模和仿真； Real-Time Workshop (简称RTW)：可以直接将simulink模型框图和 Stateflow的状态图转换成高效优化的程序代码。
将其输入写入工作空间 X-Y示波器模块
16
5、 Sources(信号源模块组) 及其用途
18个基本模块，包 括模型及子系统输入 与信号发生器两种。 其子模块组的名称和 用途见表3-5。
17
表3-5 信号源模块组子模块的名称及用途
模 块 名 称
Chirp Signal Clock Constant Digital Clock From Workspace From File Ground In1 Pulse Generator
工具栏区：含4个按钮： 是新建与打开按钮， 是将模 块放在桌面最上层按钮，Find是用来查找模块库中的模块按
钮。
文字说明区：对所选模块的文字说明； 模块库区：含模块库及其相应的模块组； 状态栏区：即最下方显示Ready区，用来显示浏览器状态。
4
二、基本模块库的分类及其用途
SIMULINK 有13类基本模块库，分别为： Continuous(连续模块组)、 Discontinuities(非连续模块组)、 Discrete(离散模块组)、 Look-Utions(数学运算模块组)、 Model Verification(模型检验模块组)、
模
块
用
途
Band-Limited White Noise 带宽限幅白噪声模块
线性调频信号模块(频率随时间线性增加的 正弦信号)，可用于非线性系统谱分析 在每一仿真步输出当前仿真时间(连续时间) 输出与时间无关的实数或复数 仅在指定的采样间隔内输出仿真时间，在 其它时间输出保持前一次值不变(离散时间) 从MATLAB工作空间中读取数据 从一个指定的文件中读取数据并输出 接地模块 输入端口模块(同端口与子系统模块中In1) 产生固定频率脉冲序列
Simulink动态系统仿真入门
Simulink动态系统仿真入门Simulink是基于MA TLAB的图形化仿真设计环境，是MATLAB 提供的进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。
它使用图形化的系统模块对动态系统进行描述，并在此基础上采用MATLAB 的计算引擎对动态系统在时域内进行求解。
它可以处理的系统包括：线性、非线性、离散、连续及混合、单任务、多任务离散事件等。
在MATLAB7.X版本中，可以直接在Simulink环境中运作的工具箱和模型库很多，已经覆盖了航天、航空、通信、控制、信号处理等等诸多领域，涉及内容专业性很强。
1、Simulink系统的启动由于Simulink和MATLAB是高度集成在一起的，因此启动Simulink必须先启动MA TLAB。
在MA TLAB启动Simulink可以通过在命令窗口输入Simulink，或者点击MATLAB工具栏的Simulink 快速启动图标。
启动Simulink后，出现Simulink的主窗口，选择主菜单File中的New\model，即可以打开系统模型编辑器。
下图依次是MATLAB 主窗口、Simulink主窗口和系统模型编辑窗口，图中的箭头表示了操作顺序。
在打开一个新的系统模型文件以后，用户可以从Simulink模块库中选择适合的系统模块或自定义模块来建立系统模型。
我们通过一个简单的例子来分步说明Simulink建模和仿真的能力。
1）在MATLAB 窗口运行Simulink。
打开Simulink模块库浏览器。
2）点击Source子库前的“+”展开库，可以看到各种信源模块。
3）点击新建图标，打开一个空白型的模型窗口。
4）用鼠标选中需要的信源模块，把它拖入新建的空白模型编辑窗口，生成一个正弦波的复制品。
5）同样将信宿库Sinks中的示波器Scope拷贝到模型窗口。
6）利用鼠标完成两个模块的连线操作，完成一个简单的模型。
7）为进行仿真，双击示波器模块，打开示波器显示屏。
Simulink仿真操作基本教程
b) 选取模块或模块组
◼ 在 Simulink 模 型 或 模 块 库 窗
口内，用鼠标左键单击所需 模块图标，图标四角出现黑 色小方点，表明该模块已经 选中。
c) 模块拷贝及删除
◼ 在模块库中选中模块后，按 住鼠标左键不放并移动鼠标 至目标模型窗口指定位置， 释放鼠标即完成模块拷贝。
◼ 模块的删除只需选定删除的 模块，按Del键即可。
a) 启动Simulink。
➢ 单击MATLAB Command窗口工具条上的Simulink图标，或者
在MATLAB命令窗口输入simulink，即弹出图示的模块库窗 口界面(Simulink Library Browser)。该界面右边的窗口给出 Simulink所有的子模块库。
➢ 常用的子模块库有 Sources( 信 号 源 ) ， Sink( 显 示输出),Continuous(线性连 续系统)，Discrete（线性离 散系统)，Function & Table （函数与表格)，Math(数学 运算)， Discontinuities (非 线性)，Demo（演示）等。
图9-15 定步长算法
图9-16 变步长算法
第一章 Simulink动态仿真
① Solver页 ➢ Error Tolerance（误差限度）： 算法的误差是指当前状态值与当前
状态估计值的差值，分为Relative tolerance（相对限度）和Absolute tolerance（绝对限度），通常可选auto。
第一章 Simulink动态仿真
a) 启动Simulink
① 用鼠标右键点击Simulink菜单项，则弹出一菜单条，点击该菜单
条即弹出该子库的标准模块窗口.如单击左图中的【Sinks】,出现 “Open the ‘Sinks’Library”菜单条，单击该菜单条，则弹出右图所 示的该子库的标准模块窗口。
◼ 在 Simulink 模 型 或 模 块 库 窗
口内，用鼠标左键单击所需 模块图标，图标四角出现黑 色小方点，表明该模块已经 选中。
c) 模块拷贝及删除
◼ 在模块库中选中模块后，按 住鼠标左键不放并移动鼠标 至目标模型窗口指定位置， 释放鼠标即完成模块拷贝。
◼ 模块的删除只需选定删除的 模块，按Del键即可。
a) 启动Simulink。
➢ 单击MATLAB Command窗口工具条上的Simulink图标，或者
在MATLAB命令窗口输入simulink，即弹出图示的模块库窗 口界面(Simulink Library Browser)。该界面右边的窗口给出 Simulink所有的子模块库。
➢ 常用的子模块库有 Sources( 信 号 源 ) ， Sink( 显 示输出),Continuous(线性连 续系统)，Discrete（线性离 散系统)，Function & Table （函数与表格)，Math(数学 运算)， Discontinuities (非 线性)，Demo（演示）等。
图9-15 定步长算法
图9-16 变步长算法
第一章 Simulink动态仿真
① Solver页 ➢ Error Tolerance（误差限度）： 算法的误差是指当前状态值与当前
状态估计值的差值，分为Relative tolerance（相对限度）和Absolute tolerance（绝对限度），通常可选auto。
第一章 Simulink动态仿真
a) 启动Simulink
① 用鼠标右键点击Simulink菜单项，则弹出一菜单条，点击该菜单
条即弹出该子库的标准模块窗口.如单击左图中的【Sinks】,出现 “Open the ‘Sinks’Library”菜单条，单击该菜单条，则弹出右图所 示的该子库的标准模块窗口。
simulink动态系统建模仿真 第7章
图7-6
当选择变步长算法仿真模型时，Solver options选项区 中的Zero crossing control选项可以控制是否启动过零检测， 如图7-7所示。对于大多数模型来说，当选择较大步长仿真 模型时，启动过零检测会加速仿真过程。但是，如果模型有 极大的动态变化，则关闭过零检测会加速仿真过程，但会降 低仿真结果的精确度。
表7-1列出了Simulink中具有过零的模块，每个模块的过 零类型是不同的，有的过零只是用来通知求解器的模式是否 发生了改变，另外一些过零类型则与信号有关，用来驱动其 他模块。
模块 Abs Backlash De adZo ne From Workspace Hit Crossing If
Inte gra to r
图7-7
对于模型中的某些模块，用户可以在模块的参数对话框 中不选择Enable zero crossing detection选项来关闭模块的过 零检测，并设置Zero crossing control选项为Use local settings，表示只对模型进行局部过零检测。局部过零检测 可以减少Simulink频繁地对模型进行过零检测，而模型中的 其他模块同样可以获得使用过零检测带来的高精度。
这里将Sine Wave模块中的Frequency(rad/sec)值设置为2，把 模型中的输出数据传送到MATLAB工作区，在工作区中利用 plot(tout，yout)命令绘制输出结果曲线，可得到如图7-9所示的结 果。从图中可以看到，实线是Function模块的输出，该模块未检 测到过零事件，因此输出曲线在拐点处漏掉了一些点，正弦波的 绝对值输出不完全正确；虚线是Abs模块的输出，该模块检测到 了过零事件，在MATLAB工作区中输入下列命令：
复习四：基于Matlab_Simulink的动态系统仿真1
三、Simulink 模型的构建
1、对 Simulink 库浏览器的基本操作 2、模块的基本操作： 1）模块的选择
51
2)模块的连接 3)模块的复制 4)模块的移动 5)模块的删除 6)模块的旋转 7）模块名的操作 修改模块名、模块名字体设置、改变模块名的位置、隐藏模块名 8）模块的阴影效果 9）模块颜色的改变 10）模块的插入 3、信号的操作
Simulink 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 事件系统等。在 MATLAB7 版本中，可直接在 Simulink 环境中运作的工具箱很多，已覆盖航空/航天、通 信、控制、信号处理、电力系统、机电系统等诸多领域，所涉内容专业性极强。
一、启用 Simulink 并建立系统模型
仿真时间设置
求解法设置
仿真步长设置
过零控制
误差设置
2）运行仿真
图 8.25 仿真参数设置对话框
四、基于 Simulink 系统仿真技术应用举例
例
连续的非线性系统举例。利用
Simulink
计算
Van
der
pol
方程：
⎧ ⎨ ⎩
x 2
=
x1 = x2 −m(x12 − 1)x2
−
x1
，并用示波
器 Scope 显示状态量 x1 和 x2 。
图 8.3 Simulink 的公共模型库
50
2、Simulink 的专业模型库 前面对 Simulink 的公共模型库做了详细的介绍，除了公共模型库外，Simulink 中还集成了许多面向
不同专业的专业模型库，不同领域的系统设计师可以使用这些系统模块快速构建自己的系统模型，然后 在此基础上进行系统的仿真、分析，从而完成设计任务。下面仅介绍几种控制工程师可能用到的专业模 型库的主要功能。 1）航空航天模型库（Aerospace Blockset）
1、对 Simulink 库浏览器的基本操作 2、模块的基本操作： 1）模块的选择
51
2)模块的连接 3)模块的复制 4)模块的移动 5)模块的删除 6)模块的旋转 7）模块名的操作 修改模块名、模块名字体设置、改变模块名的位置、隐藏模块名 8）模块的阴影效果 9）模块颜色的改变 10）模块的插入 3、信号的操作
Simulink 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 事件系统等。在 MATLAB7 版本中，可直接在 Simulink 环境中运作的工具箱很多，已覆盖航空/航天、通 信、控制、信号处理、电力系统、机电系统等诸多领域，所涉内容专业性极强。
一、启用 Simulink 并建立系统模型
仿真时间设置
求解法设置
仿真步长设置
过零控制
误差设置
2）运行仿真
图 8.25 仿真参数设置对话框
四、基于 Simulink 系统仿真技术应用举例
例
连续的非线性系统举例。利用
Simulink
计算
Van
der
pol
方程：
⎧ ⎨ ⎩
x 2
=
x1 = x2 −m(x12 − 1)x2
−
x1
，并用示波
器 Scope 显示状态量 x1 和 x2 。
图 8.3 Simulink 的公共模型库
50
2、Simulink 的专业模型库 前面对 Simulink 的公共模型库做了详细的介绍，除了公共模型库外，Simulink 中还集成了许多面向
不同专业的专业模型库，不同领域的系统设计师可以使用这些系统模块快速构建自己的系统模型，然后 在此基础上进行系统的仿真、分析，从而完成设计任务。下面仅介绍几种控制工程师可能用到的专业模 型库的主要功能。 1）航空航天模型库（Aerospace Blockset）
第7章 Simulink仿真
Matrix Gain
Math Function Trigonometric function
矩阵增益
数学运算函数 三角函数
Complex to Magnitude-Angle
Magnitude-Angle to Complex Complex to Real-Imag
复数的模和辐角
模和辐角合成函数 复数的实部和虚部 实部和虚部合成复 数 强迫输入信号为零
MinMax
Abs
求最大值
求绝对值
Real-Imag to Complex
Algebraic Constraint
Sign
符号函数
第7章 Simulink仿真
7.2 Simulink模块操作
一、模块的编辑处理
1．模块的操作 （1）添加模块 当要把一个模块添加到模型中，先在Simulink模块库中 找到它，然后直接将这个模块拖入模型窗口中即可。 （2）选取模块 当模块已经位于模型窗口中时，只要用鼠标在模块上 单击就可以选中该模块，这时模块的四角上出现一些 黑色的小方块，这些小方块就是该模块的关键点，拖 动这些黑色小方块可以改变模块的大小。
功能 零阶保持器 单位延时采样保持 离散时间积分
模块 Discrete Filter
功能 离散滤波器 离散传递函数 离散零极点
Discrete Transfer Fcn
Discrete Zero-Pole
离散状态方程
First-Order Hold
一阶保持器
第7章 Simulink仿真
8．数学运算模块（Math Operations） 数学运算模块提供了基本数学运算函数、三角函数、 复数运算函数以及矩阵运算函数。
第7章 Simulink仿真
simulink仿真流程
simulink仿真流程标题，深入了解Simulink仿真流程。
Simulink是一种用于建模、仿真和分析动态系统的工具，它可以帮助工程师们更好地理解和设计复杂的控制系统。
在本文中，我们将深入探讨Simulink的仿真流程，以帮助读者更好地了解如何使用Simulink进行系统仿真。
Simulink仿真流程可以分为以下几个步骤：1. 模型建立，首先，我们需要在Simulink中建立系统的模型。
这可以通过拖放各种组件来实现，包括传感器、执行器、控制器等。
这些组件可以通过连接线连接起来，以构建系统的整体模型。
2. 参数设置，在建立模型后，我们需要设置各个组件的参数，包括传感器的灵敏度、执行器的动态响应等。
这些参数设置将直接影响系统的仿真结果。
3. 信号输入，接下来，我们需要确定系统的输入信号，这可以是一个预先定义的信号，也可以是一个外部输入。
这些输入信号将作为系统的激励，驱动系统进行仿真。
4. 仿真运行，一切就绪后，我们可以开始运行仿真。
Simulink将根据模型和参数设置，以及输入信号，模拟系统的动态行为，并输出相应的仿真结果。
5. 结果分析，最后，我们需要对仿真结果进行分析。
这包括系统的响应曲线、稳定性分析、频域特性等。
通过对仿真结果的分析，我们可以评估系统的性能，并进行必要的调整和优化。
总的来说，Simulink的仿真流程涉及模型建立、参数设置、信号输入、仿真运行和结果分析等多个环节。
通过深入了解Simulink的仿真流程，我们可以更好地利用这一工具来进行系统建模和分析，从而更好地理解和设计复杂的控制系统。
第4章 SIMULINK仿真
• （9）Signal Attributes（信号属性模块库）和Signal Attributes（信号属性模块库） Routing（信号路由模块库） Routing（信号路由模块库）
• • • • • • • • • • • • • • • 这两个模块库主要是由描述信号系统的模块构成，其中主要模块有： Data Type Conversion （数据类型转换器） IC（初始状态）； Probe（探测器）； Width（带宽）； Bus Creator（总线生成器）； Bus Selector（总线选择器）； Data Store Memory（数据记忆存储）； Data Store Read（数据读存储）； Data Store Write（数据写存储）； From（导入）； Goto（传出）； Goto Tag Visibility（传出标记符可视性）； Multiport Switch （多路选择开关）； Mux（混合）
• （7）Model Verification（模型辨识模块库）和ModelVerification（模型辨识模块库） ModelUtilities（扩展模型模块库） Wide Utilities（扩展模型模块库） • 这两个模块库由描述模型辨识的和扩展模型模块构成，其 中主要模块有： • Assertion（确认）； • Check Discrete Gradient（检查离散梯度）； • Check Dynamic Range（检查动态系统范围）； • Check Dynamic Lower Bound（检查动态系统低段范围） • Check Static Range（检查静态系统范围）； • Check Input Resolution （检查输入分辨率）； • DocBlock（模块注释文本）； • Model Info（模型信息）； • Timed-Based Linearization（基于时间的线性化模型）
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❖ 系统仿真涉及相似论、控制论、计 算机科学、系统工程理论、数值计算、 概率论、数理统计、时间序列分析等多 种学科。
❖
相似性原理是仿真主要的理论依
据。所谓相似，是指各类事务或对象间
存在的某些共性。相似性是客观世界的
一种普遍现象，它反映了客观世界不同
事物之间存在着某些共同的规律。采用
相似性技术建立实际系统的相似模型就
器：一类是专用物理仿真器，如在飞行
仿真中得到广泛应用的转台，各种风洞、
水洞等；另一类是用于培训目的的各种
是仿真的本质过程。
❖
2. 仿真分类
❖ 按照实现方式的不同可以将系统仿 真分为如下几类：
❖
(1) 实物仿真：又称物理仿真。它
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。它的优点是直观形象，至今
仍然广泛应用。但是为系统构造一套物
理模型，将是一件非常复杂的事情，投
资巨大，周期长，且很难改变参数，灵
❖
组成系统的实体之间相互作用而
引起的实体属性的变化，通常用状态变
量来描述。研究系统主要研究系统的动
态变化。除了研究系统的实体属性活动
外，还需要研究影响系统活动的外部条
件，这些外部条件称之为环境。
❖
2. 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。模型可视为对真实世界中
以在很短的时间内完成实际系统很长时
间的动态演变过程；精确度高，可以根
据需要改变仿真的精度；重复性好，可
以很容易地再现仿真过程。
❖
(3) 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，
间的等等。表1.1列出了各种类型的数学
模型及其数学描述。
表1.1 数学模型分类
模型类型
静态系统模 型
数学描述
代数方程
动态系统模型
连续系统模型
集中参数
分布参数
离散时间
离散系统 模型
微分方程 状态方程 传递函数
偏微分方程
差分方程
离散状态方 程
概率分布 排队论
❖ 1.1.1计算机仿真
❖ 1. 仿真的概念
❖
数学模型可以分为许多类型。按
照状述系统状态变化过程的数学模型
称为动态模型。而静态模型仅仅反映系
统在平衡状态下系统特征值间的关系，
这种关系常用代数方程来描述。按照输
入和输出的关系可分为确定性模型和随
机性模型。若一个系统的输出完全可以
用它的输入来表示，则称之为确定性系
统。若系统的输出是随机的，即对于给
定的输入存在多种可能的输出，则该系
统是随机系统。
❖
离散系统是指系统的操作和状态变
化仅在离散时刻产生的系统，如交通系
统、电话系统、通信网络系统等等，常
常用各种概率模型来描述。连续系统模
型还可分为集中参数的和分布参数的，
线性的和非线性的，时变的和时不变的，
时域的和频域的，连续时间的和离散时
❖ (2) 欠实时仿真：仿真时钟比实际时 钟慢。当对仿真的实时性没有严格的要 求时，仿真时钟比实际时钟慢，不影响 仿真的目的，采取欠实时仿真则可节约
❖
3. 计算机仿真
❖
计算机仿真是在研究系统过程中
根据相似原理，利用计算机来逼真模拟
研究对象。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
物体或过程的信息进行形式化的结果。
模型具有与系统相似的特性，可以以各
种形式给出我们所感兴趣的信息。
❖ 模型可以分为实体模型和数学模型。 实体模型又称为物理效应模型，是根据 系统之间的相似性而建立起来的物理模 型。实体模型最常见的是比例模型，如 风洞吹风实验常用的翼型模型或建筑模 型。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。
活性差。
❖
(2) 数学仿真：数学仿真就是用数
学语言去表述一个系统，并编制程序在
计算机上对实际系统进行研究的过程。
这种数学表述就是数学模型。数学仿真
把研究对象的结构特征或者输入输出关
系抽象为一种数学描述(微分方程、状态
方程，可分为解析模型、统计模型)来研
究，具有很大的灵活性，它可以方便地
改变系统结构、参数；而且速度快，可
的一切现象与过程。它具有两个基本特
征：整体性和相关性。整体性是指系统
作为一个整体存在而表现出某项特定的
功能，它是不可分割的。
❖ 对于任何系统的研究都必须从如下三个 方面考虑：
❖ (1) 实体：组成系统的元素、对象。
❖ (2) 属性：实体的特征。
❖ (3) 活动：系统由一个状态到另一个状态 的变化过程。
❖ 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研究 的一门综合性技术。它利用物理或数学 方法来建立模型，类比模拟现实过程或 者建立假想系统，以寻求过程的规律， 研究系统的动态特性，从而达到认识和 改造实际系统的目的。
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。
❖
计算机作为一种最重要的仿真工
具，已经推出了模拟机、模拟数字机、
数字通用机、仿真专用机等各种机型并
应用在不同的仿真领域。除了计算机这
种主要的仿真工具外还有两类专用仿真
1.1 动态系统的计算机仿真
❖ 1.1.1 系统与模型
❖
为了能全面、正确地理解系统仿真，
需要对系统仿真所研究的对象进行概要的了
解。这里对与系统仿真相关的知识——系统 与系统模型进行简单的介绍。
❖ 1. 系统
❖
系统是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
这种在仿真环节中存在实体的仿真称为
半实物仿真或者半物理仿真。这样的仿
真系统有飞机半实物仿真、射频制导导
弹半实物仿真等，并且许多模拟器也属
于半实物仿真。
❖
按照仿真系统与实际系统时间尺度
上的关系，又可将其分为如下几类：
❖ (1) 实时仿真：仿真时钟与系统实际 时钟完全一致。许多仿真应用需要满足 实时性，这时往往需要实时操作系统或 者专用实时仿真硬件的支持。