第五章 Simulink与电力系统仿真

1993年出现了Simulink,这是一个基于框图的仿真 平台，它建立在MATLAB的基础上，依托MATLAB的强 大计算功能，可以采用模块框图直观地进行控制系统的
构建，不需要记忆众多的仿真算法和参数设置，它们都 可以在Simulation Parameters当中轻松地设置。在 Simulink平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真 对象的模型框图，并对模型进行仿真。在Simulink中建
Model(Ctrl+N) ③在MATLAB主窗口的file菜单New下选择Model
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5.3 重点模块的基本功能 1、仿真结果的显示和数据的保存及输出 (1)仿真结果的显示
在Simulink/Sinks模型库中共有6种可以用于结果输出 的存储或直接显示的模块。因为MATLAB软件规定， 在Simulink仿真中必须有输出显示环节，否则会给出 仿真出错信息。这6个模块中，有4个可以直接将结果
选择“Decimation”时，为数据取样方式，右边栏中输
入的数据为N,则每N个数据只取出一个用于显示，故N
越大，则显示的波形越粗糙，一般该项保持默认值“1”，
这样，所有进入示波器的数据将全部被显示出来，显示
的波形更逼真；当选择“Sample time”时，为显示采样
方式，右边栏中应该输入显示采样的间隔时间，这时，
端，它不能动态地显示输出过程，只能提供最终的结果
数据。这对于只需要结果而不必关心过程的情况是非常
实用的。如图1－9所示，利用这个系统求sin10的值。双
击Display图标，出现Display模块参数设置对话框如图1
－10所示，其中最为关键的是Format项，即输出数据
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格式的选择，共有short、long、short_e、long_e、bank 型5中结果显示形式，对应5种不同的显示精度。显示的 结果是－0.544（short）、－0.54402111088937（long）、 －5.4402e-001（short_e）、－0.5440211108893698 e-0 01(long_e)及－0.54（bank）。
下图所示的正弦信号放大系统中，输入信号为
sin(314*t+1.2)，对Sope的Data history选项卡设置如下 页所示，那么，运行仿真后，在数据空间可以得到输出 矩阵y和时间列向量tout(时间列向量是系统自带的)。
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而利用Sope存储到数据空间的相关数据，采用MATLAB
已经远远地超出了“矩阵相关计算”这个狭小的范围。 由于MATLAB在其软件设计之初，其开发者Cleve Moler 教授就秉承开放性的理念，在1993年的Simulink1.0出现
以后，人们发现这是许多科学家和工程技术人员梦寐以 求的仿真形式，从此以后，许多领域的顶尖科研人员以
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MATLAB语言为依托，编写了自己所从事领域的 Simulink工具箱，如控制界最流行的控制系统工具箱 （Control System Toolbox），系统辩识工具箱（System Identification Toolbox），鲁棒控制工具箱（Robust Control Toolbox），神经网络工具箱（Neural Network Toolbox），模型预测控制工具箱（Model Predictive Control Toolbox），还有如航空宇宙模块集（Aerospace Blockset），机械系统仿真模块（SimMechanics），电 力系统仿真模块（SimPowerSystems）甚至如生物系统 仿真模块（SimBiology）等。这其中，也有一些杰出中 国学者的贡献，如东北大学薛定宇教授在Control Kit的 基础上开发的CtrlLAB工具箱是专门用于反馈控制系统
所示。下面简单介绍一下这两选项卡中重要参数的设置。
General选项卡： “Number of axes”用于设定示波器可以显示的信号路数， 即Y轴的数量。例如将其设置成5，则可以同时观察5路 信号。
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“Time range”用于设定示波器时间轴的最大值，一般不
需要对这个项的默认设置（auto）进行改动，这样，X
>> simulink 马上就会弹出Simulink Library Browser窗口如 右所示。 ②在MATLAB的主窗的工 具栏中点击 图标，也 可进入Simulink Library Browser窗口。
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rary Browser窗口内容简介
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⑤ Simulink\Discrete库
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⑥ Simulink\Discrete库
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3、Simulink仿真文件的建立 ①在Simulink Library Browser窗口工具栏上单击 图标
点 击
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②在Simulink Library Browser的file菜单New下选择
双击To Workshop模块图标，可得模块参数设置对话框
如左下示，其设置与Scope中的完全一样。如果是标量
信号或者是一维信号，我们可将数据装在类型选择为
Array或者Structure，而当一个信号除了有大小，还有与
之对应的时间因素，就是一个2－D信号，必须采用
格式适用于只有一个输入变量的情况， Structure with
time 可以矢量的形式表示多个变量，且时间同时得以保
存， Structure也可以矢量的形式表示多个变量，但它
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并不同时保存时间。这样，如果要用Array、Structure形 式的数据绘制输出波形图时，则会缺少相应的时间向量。 为此，可在Simulink仿真文件中加入“Clock”模块，并 将其连接一个示波器，用示波器的save data to workshop 功能将时间作为一个变量同时保存起来，这样，便有了 时间向量。所以，相比之下，Structure with time这种数 据保存形式更为简单方便。
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立的仿真模型可读性很强，这就避免了在MATLAB窗口 中使用MATLAB命令和函数仿真时需要记忆大量M函数
的麻烦，这对于期盼一种简介、直观、高效的仿真软件 的广大科技人员来说无疑是最好的福音。
现在，Simulink已经成为MATLAB软件的一个不可 或缺的组成部分，完全有理由说Simulink的出现和发展 已经决不仅仅是为MATLAB增光添彩，而是很多时候 “反客为主”了！从1993年的MATLAB4.0/Simulink1.0 到2007年的MATLAB7.4/Simulink6.6，MATLAB的功能
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1990年推出的MATLAB3.5i版是第一个可以运行 于Microsoft Windows下的版本，它可以在两个窗口 上分页显示命令行计算结果和输出的结果波形。稍后， Mathworks公司推出的SimuLAB环境首次引入了基于 框图的仿真功能，其模型输入方式改为对基本环节的框 图连接，这种方式简便直观，令人耳目一新，其实，这 就是现在的我们称之为Simulink的最初形式。
致的)。
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②浮动示波器（Floating Scope）（略） ③函数记录仪（XY Graph）
这是MATLAB中一个十分重要的用来绘制输出函数
轨迹的输出显示模块。其图标和端口的基本情况如下 图所示。
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④数字显示（Display）
Display是可以最终以数字量直观地显示结果的输出终
轴就自动以“系统仿真参数设置”中设定起始和终止时
间作为示波器的时间显示范围。
“Tick labels” 用于轴标度的显示，默认设置为“bottom
axis only”；而当选择“non”时，示波器将不显示横、纵
坐标的刻度，只显示波形的形状；当选择“all”时，将
显示所有的轴标度。
“Sampling”为数据取样方式/显示采样方式的选择。当
没有什么两样，但操作却更简单，显示也更智能。双击 示波器模块图标，即可弹出示波器的窗口如下所示：
这其中，比较重要的设置在“示波器参数”按钮下。单
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“示波器参数”，出现“Scope parameters”对话框，有 “General”和“Data history”两个基本选项卡，见下图
这样，所有的数据都将显示，在所需显示的数据相对较
多时，需要计算机有较大的内存容量。
“save data to workshop”被选中时，可以将显示数据放
到工作空间去，以备MATLAB的绘图命令调用。与此相
关的项目有两个，“Variable name” 代表要保存的数据
名称；“Format”为数据的保存格式，共有三种，Array
绘图命令plot(y(:,1)',y(:,2)')得出的输出结果如下页示(其
实，这里的矩阵y是201×2维的，其第一列y(:,1)的含义与
单独的时间向量tout完全一样，而列项量y(:,2)是输出到
示波器Sope显示的纵坐标值。故plot(y(:,1)',y(:,2)')与
plot(tout'，y(:,2)')两个命令得出的Figure图形是完全一
的分析与设计的计算机程序，利用该模块进行系统的分
析与综合，比用MATLAB/Simulink更加方便快捷，已
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经成为国际上许多学校自动控制课程的教学辅助工具， 在MathWorks网站控制类工具箱下载中长期排名第一。