控制系统计算机仿真(内蒙古工业大学)MATLAB基础第6章 SIMULINK仿真基础
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控制系统计算机仿真(内蒙古工业大学)MATLAB基础第6章 SIMULINK仿真基础
10、Signal Routing(信号路由) Bus Creator:由输入产生总线信号 Bus Selector：总线信号选择器 Data Store Memory：用户定义的数据存储区 Data Store Read：从数据存储区读出数据 Data Store Write：向数据存储区写入数据 Demux：信号分解器 From：从Goto模块中获得信号 Goto：向Goto模块传递信号
11、Sinks（系统输出模块）
Display：以数值形式显示输入信号
Floating Scope：悬浮信号显示器（不需任何连线，可显示 任何指定信号） Out1：为子系统或其它模型提供输出端口 Scope：示波器 Stop Simulation：当输入非零时停止仿真 Terminator：信号终结器（防止输出信号无连接） To File(.mat)：将仿真输出写入(.mat)数据文件 To Workspace：将仿真输出写入MATLAB的工作空间 XY Graph：使用MATLAB图形显示二维图形
Abs：取绝对值
Algebraic Constraint：输出强制系统输入为零的代数状态
Assignment：对信号进行分配
Bitwise Logical Operator：按位逻辑运算
Combinatorial Logic：逻辑真值查找
Complex to Magnitude-Angle：输出输入复数的幅值与相位 Complex to Real-Imag：输出系统输入的实部或虚部 Dot Product：点乘运算 Gain：比例运算（信号增益）
7、 Model-Wide Utilities（模型信号宽度）
Docblock：文字说明
Model Info：模块控制信息
第6章_SIMULINK仿真环境
Selector
在输入信号中选择并输出
信号输出模块(Sinks)
信号输出模块(Sinks)包括的主要模块如图所示。
表
Sinks库
模
块
名
说 明
显示输入信号的值 显示信号的波形 当输入信号为0时结束仿真
Display Scope Stop simulation
To file
To workspace XY graph
3.模块的连接
一般情况下，每个模块都有一个或者多个输入口或者输出口。输入口通 常是模块的左边的“>”符号；输出口是右边的“>”符号。 模块的连接方法：把鼠标指针放到模块的输出口，这时，鼠标指针将 变为“+”十字形；然后，拖运鼠标至其它模块的输入口，这时信号线就变 成了带有方向箭头的线段。此时，说明这两个模块的连接成功，否则需要 重新进行连接。
Demux
Enable From Goto Goto tag visibility Ground
将一个向量信号分解输出
为子系统增加激活断口 从一个Goto模块接受信号 传递信号到From模块 定义Goto模块标记的可视域 将末连接的输入端接地
表 Signal and Systems库
模 块 名 Hit crossing IC 说 检测过零点 设置一个信号的初始值 明
Complex to real-imag
Dot product Gain Logical operator Magnitude-angle to complex
输出一个复数信号的实部和虚部
向量信号的点积 将模块的输入信号乘上一个增益 输入信号的逻辑操作 将模和幅角的信号转换成为复数 信号
Math function Matrix gain Minmax
MATLAB的仿真工具箱Simulink模型的建立与仿真学习教程优秀PPT课件(基本库原件、搭建
•
Ignore limit and reset when linearizing：若勾选此选项，则表示当系统为线性化系统时，前
面的积分上下线限制和触发事件无效，默认缺省值为不勾选；
•
Enable zero-crossing detection：使系统通过零点检验，默认勾选。
• 搭建Integrator模块如图3-35所示。
•
Pulse Generator其模块属性如图3-19所示。
• 如图3-19所示Pulse Generator模块，对于其属性窗口：
• Amplitude：脉冲信号的振幅，指定为标量或矢量，默认值为1。
• Period(secs)：脉冲数字采样周期，默认值为10。
• Pulse width：脉冲宽度，输入为矢量或标量，默认值为5。
• External reset：设置信号的触发事件（rising, falling, either, level, level hold, none），默认设置为 none，保持系统原态。
• Initial condition source：参数输入的状态，分为外部输入external和内部输入internal，通常默认设 置为internal。
3.3.3 Transfer Fcn模块
• Transfer Fcn其模块属性如图3-37所示。
• 如图3-37所示Transfer Fcn模块，对于其属性窗口：
• Numerator coefficients：传递函数分子系数，系统默认值为[1]；
• Denominator coefficients：传递函数分母系数，系统默认值为[1,1]；
• Derivative模块，表示微分环节，Derivative其模块属性如图3-31所示。 • 如图3-31所示Derivative模块，对于其属性窗口： • 搭建Derivative模块如图3-32所示。
Matlab系列之Simulink仿真教程
Simulink中的所有功 能都通过模块来实现， 用户可以通过组合不 同的模块来构建复杂 的系统模型。
交互式仿真
Simulink支持交互式 仿真，用户可以在仿 真运行过程中进行实 时的分析和调试。
可扩展性
Simulink具有开放式 架构，可以与其他 MATLAB工具箱无缝 集成，从而扩展其功 能。
Simulink的应用领域
指数运算模块
用于实现信号的指数运算。
减法器
用于实现两个信号的减法 运算。
除法器
用于实现两个信号的除法 运算。
对数运算模块
用于实现信号的对数运算。
输出模块
模拟输出模块
用于将模拟信号输出 到外部设备或传感器。
数字输出模块
用于将数字信号输出 到外部设备或传感器。
频谱分析仪
用于分析信号的频谱 特性。
波形显示器
控制工程
Simulink在控制工程领域 中应用广泛，可用于设计 和分析各种控制系统。
信号处理
Simulink中的信号处理模 块可用于实现各种信号处 理算法，如滤波器设计、 频谱分析等。
通信系统
Simulink可以用于设计和 仿真通信系统，如调制解 调、信道编码等。
图像处理
Simulink中的图像处理模 块可用于实现各种图像处 理算法，如图像滤波、边 缘检测等。
用于将时域信号转换为频域信号，如傅里叶变换、 拉普拉斯变换等。
03 时域变换模块
用于将频域信号转换为时域信号，如逆傅里叶变 换、逆拉普拉斯变换等。
04
仿真过程设置
仿真时间的设置
仿真起始时间
设置仿真的起始时间，通 常为0秒。
步长模式
选择固定步长或变步长模 式，以满足不同的仿真需 求。
交互式仿真
Simulink支持交互式 仿真，用户可以在仿 真运行过程中进行实 时的分析和调试。
可扩展性
Simulink具有开放式 架构，可以与其他 MATLAB工具箱无缝 集成，从而扩展其功 能。
Simulink的应用领域
指数运算模块
用于实现信号的指数运算。
减法器
用于实现两个信号的减法 运算。
除法器
用于实现两个信号的除法 运算。
对数运算模块
用于实现信号的对数运算。
输出模块
模拟输出模块
用于将模拟信号输出 到外部设备或传感器。
数字输出模块
用于将数字信号输出 到外部设备或传感器。
频谱分析仪
用于分析信号的频谱 特性。
波形显示器
控制工程
Simulink在控制工程领域 中应用广泛，可用于设计 和分析各种控制系统。
信号处理
Simulink中的信号处理模 块可用于实现各种信号处 理算法，如滤波器设计、 频谱分析等。
通信系统
Simulink可以用于设计和 仿真通信系统，如调制解 调、信道编码等。
图像处理
Simulink中的图像处理模 块可用于实现各种图像处 理算法，如图像滤波、边 缘检测等。
用于将时域信号转换为频域信号，如傅里叶变换、 拉普拉斯变换等。
03 时域变换模块
用于将频域信号转换为时域信号，如逆傅里叶变 换、逆拉普拉斯变换等。
04
仿真过程设置
仿真时间的设置
仿真起始时间
设置仿真的起始时间，通 常为0秒。
步长模式
选择固定步长或变步长模 式，以满足不同的仿真需 求。
控制系统的Simulink仿真
可以观察到非线性系统的动态行为，从而更好地理解其性能和行为特性。
06 结论与展望
结论
控制系统Simulink仿真是一种有 效的工具，可用于模拟和分析各 种控制系统的性能。通过使用 Simulink，研究人员和工程师可 以轻松地构建和修改控制系统模 型，并使用各种仿真工具进行系 统分析和优化。
Simulink提供了广泛的模块库和 工具，可用于构建各种类型的控 制系统模型，包括线性、非线性、 离散和连续系统。这些模块可以 方便地组合和修改，以适应特定 的控制系统需求。
非线性系统仿真
总结词
对非线性系统的动态行为进行模拟的过程。
详细描述
非线性系统在Simulink中可以通过使用非线性模块进行模拟。非线性系统是指系统的 输出与输入不成比例的系统，例如某些电子设备或机械系统。在Simulink中，可以使 用非线性模块来模拟这些系统的行为，例如非线性增益、饱和等。通过调整模块参数，
• 未来，Simulink可能会引入更多先进的仿真技术和算法，以提高仿真精度和 效率。例如，基于模型的控制设计、自适应控制、预测控制等先进控制算法可 能会被集成到Simulink中，以提供更强大的分析和优化工具。
• 此外，随着物联网和智能制造等领域的快速发展，Simulink可能会扩展其模 块库和工具箱，以支持这些领域的控制系统建模和仿真。例如，增加与传感器 、执行器和其他智能设备的接口模块，以及支持实时仿真和嵌入式系统开发的 工具箱。
保障生产安全
控制系统能够及时检测和预防潜在的安全隐患， 降低事故发生的可能性。
3
节能减排
优化控制参数，降低能耗和排放，符合绿色环保 要求。
控制系统的发展历程
01
02
03
模拟控制系统
06 结论与展望
结论
控制系统Simulink仿真是一种有 效的工具，可用于模拟和分析各 种控制系统的性能。通过使用 Simulink，研究人员和工程师可 以轻松地构建和修改控制系统模 型，并使用各种仿真工具进行系 统分析和优化。
Simulink提供了广泛的模块库和 工具，可用于构建各种类型的控 制系统模型，包括线性、非线性、 离散和连续系统。这些模块可以 方便地组合和修改，以适应特定 的控制系统需求。
非线性系统仿真
总结词
对非线性系统的动态行为进行模拟的过程。
详细描述
非线性系统在Simulink中可以通过使用非线性模块进行模拟。非线性系统是指系统的 输出与输入不成比例的系统，例如某些电子设备或机械系统。在Simulink中，可以使 用非线性模块来模拟这些系统的行为，例如非线性增益、饱和等。通过调整模块参数，
• 未来，Simulink可能会引入更多先进的仿真技术和算法，以提高仿真精度和 效率。例如，基于模型的控制设计、自适应控制、预测控制等先进控制算法可 能会被集成到Simulink中，以提供更强大的分析和优化工具。
• 此外，随着物联网和智能制造等领域的快速发展，Simulink可能会扩展其模 块库和工具箱，以支持这些领域的控制系统建模和仿真。例如，增加与传感器 、执行器和其他智能设备的接口模块，以及支持实时仿真和嵌入式系统开发的 工具箱。
保障生产安全
控制系统能够及时检测和预防潜在的安全隐患， 降低事故发生的可能性。
3
节能减排
优化控制参数，降低能耗和排放，符合绿色环保 要求。
控制系统的发展历程
01
02
03
模拟控制系统
MATLABSimulink控制系统建模最全资料
MATLABSimulink控制系统建模最全资料Simulink 控制系统建模dSPACE 的软件环境主要由两⼤部分组成，⼀部分是实时代码的⽣成和下载软件RTI （Real Time Interface ），它是连接dSPACE 实时系统与MA TLAB/Simulink 的纽带，通过对RTW （Real time workshop ）进⾏扩展，可以实现从Simulink 模型到dSPACE 实时硬件代码的⾃动下载。
另⼀部分为测试软件，其中包含了综合实验与测试环境ControlDesk 、⾃动试验及参数调整软件MLIB/MTRACE 、PC 与实时处理器通信软件CLIB 以及实时动画软件RealMotion 等。
连续模块库(Continuous)在连续模块(Continuous)库中包括了常见的连续模块，这些模块如图所⽰。
1. 积分模块(Integrator)：功能：对输⼊变量进⾏积分。
说明：模块的输⼊可以是标量，也可以是⽮量；输⼊信号的维数必须与输⼊信号保持⼀致。
2. 微分模块(Derivative)功能：通过计算差分?u/ ?t 近似计算输⼊变量的微分。
3. 线性状态空间模块(State-Space)功能：⽤于实现以下数学⽅程描述的系统：+=+=Du Cx y Bu Ax x '4. 传递函数模块(Transfer Fcn)功能：⽤执⾏⼀个线性传递函数。
5. 零极点传递函数模块(Zero-Pole)功能：⽤于建⽴⼀个预先指定的零点、极点，并⽤延迟算⼦s 表⽰的连续。
6．存储器模块(Memory)功能：保持输出前⼀步的输⼊值。
7．传输延迟模块(Transport Delay)功能：⽤于将输⼊端的信号延迟指定的时间后再传输给输出信号。
8．可变传输延迟模块(Variable Transport Delay)功能：⽤于将输⼊端的信号进⾏可变时间的延迟。
离散模块库(Discrete)离散模块库(Discrete)主要⽤于建⽴离散采样的系统模型，包括的主要模块，如图所⽰。
MATLAB——06
n
固定步长模式解法器有：ode5，ode4，ode3， ode2，ode1和discrete。
q
q q q q q
ode5：缺省值，是ode45的固定步长版本，适用于大多数连 续或离散系统，不适用于刚性系统。 ode4：四阶龙格－库塔法，具有一定的计算精度。 ode3：固定步长的二/三阶龙格－库塔法。 ode2：改进的欧拉法。 ode1：欧拉法。 discrete：是一个实现积分的固定步长解法器，它适合于离 散无连续状态的系统。
n
k b
X
n
如图所示的系统，已知质 量 m = 1 kg，阻尼 b = 2N.s/m，弹性系数 k = 100N/s，质量块的初始位 移 x(0) = 0.05m，其初始 速度 x’(0) = 0 m/s 利用Simulink建模并仿真
步骤
u u
n n n n
建立理论/数学模型 在SIMULINK中创建仿真模型
n
7、Sinks（接收器模块） sinks.mdl
q q q q
Scope：示波器。 XY Graph：显示二维图形。 To Workspace：将输出写入MATLAB的工作空间。 To File(.mat)：将输出写入数据文件。
n
8、Sources（输入源模块） sources.mdl
q q q q q q q
q q
Constant：常数信号。 Clock：时钟信号。 From Workspace：来自MATLAB的工作空间。 From File(.mat)：来自数据文件。 Pulse Generator：脉冲发生器。 Repeating Sequence：重复信号。 Signal Generator：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯 齿波及随意波。 Sine Wave：正弦波信号。 Step：阶跃波信号。
MATLAB控制系统仿真-simulink
6 4 u 2 0
系统为一个两输入两输出系统 》A=[1 6 9 10; 3 12 6 8; 4 7 9 11; 5 12 13 14]; 》B=[4 6; 2 4; 2 2; 1 0]; 》C=[0 0 2 1; 8 0 2 2]; 》D=zeros(2,2);
第五节
一、模型的转换
• 举例应用： 1）exp3_2.m 系统1为：
0 x1 1 y 1 1
1 0 x1 u1 2 1 3 x 1 u 1
系统2为：
0 x2 1 y 2 1 1 0 x2 u2 3 1 4 x 2
0 . 25 i s 2i 2 s 1
2s 9s 1
3
k= 2
结果表达式： G ( s ) 2
0 . 25 i s 2i
第四节
状态空间描述
状态方程与输出方程的组合称为状态空间表达式，又称 为动态方程，经典控制理论用传递函数将输入—输出关 系表达出来，而现代控制理论则用状态方程和输出方程 来表达输入—输出关系，揭示了系统内部状态对系统性 能的影响。
零极点增益模型： G ( s ) 4 3 2 s 9 s 45 s 87 s 50 》num=[1,11,30,0]; 》den=[1,9,45,87,50]; [z,p,k]=tf2zp(num,den) 》 z= p= k= 0 -6 -5 -3.0000+4.0000i -3.0000-4.0000i -2.0000 1
用法举例： 0 1）已知系统状态空间模型为： x 1
y 1
1 0 x u 2 1 3 x u
》A=[0 1; -1 -2]; B=[0;1]; 》C=[1,3]; D=[1]; 》[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,iu) ％iu用来指定第n个输入，当只有一个输入时可忽略。 》num=1 5 2; den=1 2 1; 》[z,p,k]=ss2zp(A,B,C,D,iu) 》z= -4.5616 p= -1 k=1 -0.4384 -1
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Transfer-Fcn：线性传递函数模型
Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出 Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出 Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型
2、Discontinuities （非线性模块） Backlash：死区间隙 Coulomb &Viscous Friction：库仑粘滞摩擦信号 Dead Zone：死区信号 Hit Crossing：将信号与特定的偏移值比较 Quantizer；量化器 Rate Limiter；信号上升、下降速率控制器 Relay：滞环比较器，限制输出值在某一范围内变化。 Saturation：饱和信号，让输出超过某一值时能够饱和。
第一节 SIMULINK简介 一、什么是SIMULINK
SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系 统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要 区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化 图形输入。
所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功 能分类的基本的系统模块，用户只需知道这些模块的输 入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现 的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就 可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取）， 进而进行仿真与分析。
三、SIMULINK的公共模块库
SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下子库： Continuous（连续模块） disontinuous （非线性模块） Discrete（离散模块） look up tables(查询表模块)
Math operations（数学模块）Model verification(模型检测) Model-wide Utilities（模型扩展功能模块） Ports&Systems（端口和子系统模块） Signal attributes(信号描述模块)
Abs：取绝对值
Algebraic Constraint：输出强制系统输入为零的代数状态
Assignment：对信号进行分配
3、 Discrete（离散模块）
Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型
Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型
Discrete Filter：IIR与FIR滤波器
Discrete State-Space：离散状态空间系统模型
Discrete-time Integrator：离散时间积分器
SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析 的集成软件包。它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。 在SIMULINK环境中，用户可观察到摩擦、风阻、齿隙、 饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的 影响。还可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地 观察系统行为的变化。 在MATLAB6.x版中，可直接在SIMULINK环境中运作的 工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、电力系统 等诸多领域，所涉内容专业性极强。
二、SIMULINK的启动
1、在MATLAB命令窗口中输入simulink 结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这 个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。 当然用户也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开Simulink Library Browser窗口。 2、在MATLAB命令窗口中输入simulink3 结果是在桌面上出现一个用图标形式显示的Library :simulink3的 Simulink模块库窗口。 两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人 喜好进行选用，一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者， 但使用时会打开太多的子窗口。
运算
Look-Up Table：对输入信号进行一维线性内插运算
Look-Up Table(2-D)：对输入信号进行二维线性内插运算
Look-Up Table (n-D)：对输入信号进行n维线性内插运算 PreLook-Up Index Search：查找输入信号所在范围
5、 Math Operations（数学模块）
CH6、SIMULINK仿真基础
在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助 专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复 杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。 1990年，Math Works软件公司为MATLAB提供了新的控 制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工 具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件 进入了模型化图形组态阶段。但因其名字与当时比较著名 的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名为 SIMULINK。 SIMULINK，该软件的名称表明了该系统的两个主要功能： Simu（仿真）和Link（连接），即该软件可以利用鼠标在 模型窗口上绘制出所需要的控制系统模型，然后利用 SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真和分析。
Signal routing(信号路由模块)
Sinks（接收器（输出显示）模块）Sources（信号源模块） User-defined functions(自定义模块)
1、 Continuous（连续模块） Derivative：输入信号微分
Integrator：输入信号ห้องสมุดไป่ตู้分
State-Space：线性状态空间系统模型
First-Order Hold：一阶采样和保持器 Memory：单步积分延迟，输出为前一个输入 Unit Delay：一个采样周期的延时 Zero-Order Hold：零阶采样和保持器
4、Look-up Tables（查询表模块） Direct Look-Up Table (n-D)：表数据选择器（从表中选数） Interpolation (n-D) using PreLook-Up：对输入信号进行内 插