Matlab(R2009a版)-第10讲_SIMULINK仿真设计
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第五章Simulink建模与仿真Ø系统仿真的基本概念Ø动态系统数学模型及其描述Ø动态系统的Simulink仿真Ø系统过零和代数环Ø子系统和S-函数Ø示例分析系统仿真的基本概念（一）系统（仿真的对象）•系统是指具有某些特定功能、按照某些规律结合起来、互相作用、互相依存的所有物体的集合或总和。
它具有整体性和相关性两个基本特征。
•研究系统通常从以下三方面考虑：实体：组成系统的元素、对象属性：实体的特征。
活动：系统由一个状态到另一个状态的变化过程系统仿真的基本概念（二）系统模型•系统模型是对实际系统的一种抽象，是系统本质的表述。
或者说模型是对真实世界中物体或过程的信息进行形式化的结果。
•系统仿真中所用的模型可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。
静态的实体模型最常见的是比例模型，如用于水洞实验以及实验水槽中的鱼雷比例模型。
模型类型静态系统模型动态系统模型连续系统模型离散事件系统集中参数分布参数时间离散数学描代数方程微分方程传递函数偏微分方差分方程、Z变换离散状态概率分布排系统仿真的基本概念述状态方程程方程队论应用举例系统稳态解工程动力学系统动力学热传导场计算机数据采样系统交通系统市场系统电话系统计算机分时系统Petri网状态机UML……系统仿真的基本概念（三）系统仿真的定义•系统仿真是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机和各种专用物理效应设备为工具，利用系统仿真的特殊功效•安全性•经济性系统仿真的作用•优化系统设计。
在复杂的系统建立以前，能够通过改变仿真模型结构和调整参数来优化系统设计。
•对系统或系统的某一部分进行性能评价。
•节省经费。
仿真试验只需在可重复使用的模型上进行，所花费的成本比在实际产品上作试验低。
•重现系统故障，以便判断故障产生的原因。
•可以避免试验的危险性。
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。
MATLAB的仿真工具箱Simulink常用命令库分析学习教程优秀PPT课件
Simulink常用命令库分析
Simulink模型库包含的模块很庞大，然而充分的利用每一个模块，并且 熟练的了解和掌握每一个模块的属性显得尤为重要，Simulink模型代码 抒写有利于用户更加好的掌握每一个模块的属性和参数值的含义。 Simulink命令代码属于底层代码调试过程，没有直接在Simulink模型库 中搭建模型更加直观，然而Simulink程序代码能够内嵌到很多可视化界 面下，从而简化显示的界面，特别是GUI界面下的调用Simulink仿真， Simulink命令代码表现一定的优势。 学习目标： （1）熟练掌握Simulink命令的表示方法； （2）熟练运用Simulink命令代码建模；
• 具体的find_system使用如下：
• find_system
•
运行程序输出结果如下：
• ans =
•
'ysw4_7'
•
'ysw4_7/Scope'
•
'ysw4_5'
•
'ysw4_5/Integrator'
•
'ysw4_5/Mux'
•
'ysw4_5/Scope'
•
'ysw4_5/Sine Wave'
产生一个常量值；
Digital Clock
在特定的采样间隔产生仿真时间；
Ground
将未连接的输入端口接地等。
（3）连续（Continuous）模块库：包括线性函数模型。包括有微分单元（Derivative）、积分单 元（Integrator）、线性状态空间系统单元（State-Space）、线性传递函数单元（Transfer Fen）、延时单元（Transport Delay）、可变传输延时单元（Variable Transport Delay）、指定 零极点输入函数单元（Zero-Pole）。
Simulink模型库包含的模块很庞大，然而充分的利用每一个模块，并且 熟练的了解和掌握每一个模块的属性显得尤为重要，Simulink模型代码 抒写有利于用户更加好的掌握每一个模块的属性和参数值的含义。 Simulink命令代码属于底层代码调试过程，没有直接在Simulink模型库 中搭建模型更加直观，然而Simulink程序代码能够内嵌到很多可视化界 面下，从而简化显示的界面，特别是GUI界面下的调用Simulink仿真， Simulink命令代码表现一定的优势。 学习目标： （1）熟练掌握Simulink命令的表示方法； （2）熟练运用Simulink命令代码建模；
• 具体的find_system使用如下：
• find_system
•
运行程序输出结果如下：
• ans =
•
'ysw4_7'
•
'ysw4_7/Scope'
•
'ysw4_5'
•
'ysw4_5/Integrator'
•
'ysw4_5/Mux'
•
'ysw4_5/Scope'
•
'ysw4_5/Sine Wave'
产生一个常量值；
Digital Clock
在特定的采样间隔产生仿真时间；
Ground
将未连接的输入端口接地等。
（3）连续（Continuous）模块库：包括线性函数模型。包括有微分单元（Derivative）、积分单 元（Integrator）、线性状态空间系统单元（State-Space）、线性传递函数单元（Transfer Fen）、延时单元（Transport Delay）、可变传输延时单元（Variable Transport Delay）、指定 零极点输入函数单元（Zero-Pole）。
第10章--MATLAB-Simulink仿真软件
方法1：用积分器直接构造求解微分方程的模型。 方法2：利用传递函数模块建模。 方法3：利用状态方程模块建模。
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21
2．通过已有的模块建立子系统
操作步骤为：
(1) 先选择要建立子系统的模块，不包括输入端口和 输出端口。
(2) 选择模型编辑窗口Edit菜单中的Create Subsystem 命令，这样，子系统就建好了。在这 种情况下，系统会自动把输入模块和输出模块添 加到子系统中，并把原来的模块变为子系统的图 标。
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5
2．Simulink的退出
为了退出Simulink，只要关闭所有模型编辑窗口和 Simulink模块库浏览器窗口即可。
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6
10.2 系统仿真模型
10.2.1 Simulink仿真模型概述
Simulink仿真模型(Model)在视觉上表现为直观的方 框图，在文件上则是扩展名为.mdl的ASCII代码， 在数学上体现了一组微分方程或者是差分方程， 在行为上模拟了物理器件构成的实际系统的动态 特性。
1．模块的参数设置
Simulink中几乎所有模块的参数都允许用户进行设 置，只要双击要设置的模块或在模块上按鼠标右 键并在弹出的快捷菜单中选择相应模块的参数设 置命令就会弹出模块参数对话框。该对话框分为 两部分，上面一部分是模块功能说明，下面一部 分用来进行模块参数设置。
同样，先选择要设置的模块，再在模型编辑窗口 Edit菜单下选择相应模块的参数设置命令也可以 打开模块参数对话框。
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12
例10.1 有系统的微分方程，试建立系统仿真模型。
x1' x2'
x2t x2e 0.5t
操作过程如下：
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2．通过已有的模块建立子系统
操作步骤为：
(1) 先选择要建立子系统的模块，不包括输入端口和 输出端口。
(2) 选择模型编辑窗口Edit菜单中的Create Subsystem 命令，这样，子系统就建好了。在这 种情况下，系统会自动把输入模块和输出模块添 加到子系统中，并把原来的模块变为子系统的图 标。
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5
2．Simulink的退出
为了退出Simulink，只要关闭所有模型编辑窗口和 Simulink模块库浏览器窗口即可。
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10.2 系统仿真模型
10.2.1 Simulink仿真模型概述
Simulink仿真模型(Model)在视觉上表现为直观的方 框图，在文件上则是扩展名为.mdl的ASCII代码， 在数学上体现了一组微分方程或者是差分方程， 在行为上模拟了物理器件构成的实际系统的动态 特性。
1．模块的参数设置
Simulink中几乎所有模块的参数都允许用户进行设 置，只要双击要设置的模块或在模块上按鼠标右 键并在弹出的快捷菜单中选择相应模块的参数设 置命令就会弹出模块参数对话框。该对话框分为 两部分，上面一部分是模块功能说明，下面一部 分用来进行模块参数设置。
同样，先选择要设置的模块，再在模型编辑窗口 Edit菜单下选择相应模块的参数设置命令也可以 打开模块参数对话框。
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例10.1 有系统的微分方程，试建立系统仿真模型。
x1' x2'
x2t x2e 0.5t
操作过程如下：
matlab simulink仿真
③设置模块参数并进行连接各模块组成仿
真系统。双击Fcn模块，打开对话框，在 Expression栏中输入u*log(1+u)，如下图 所示。其余模块参数不用设置。 设置模块参数后，用线将各模块连接起来 组成仿真模型，如下图
④设置系统仿真参数。单击模型窗口中的 Simulation菜单中的Simulation Parameters选项，打开仿真参数设置对话 框，选择Solver选项。在Start time和Stop time两个框中分别设置起始为0，停止为1s。 把算法选择中的Type设为Fixed-step，并 在具体算法选择框中选择ode5(DormandPrince)，再把Fixed step size设为0.001s。 （固定步长）
Simulink模块库简介
• 在Matlab的命令窗口中键入Simulink或 在Matlab的工具栏中单击 按钮 ， 可以打开Simulink的模块库，其界面又 称为模块库浏览器。
模 块 库
信 号 源 模 块 组
Sources
连 续 模 块 组
Continuous
离 散 模 块 组
Discrete
Simulink模型举例
• 例1 设系统的微分方程为：
x1 x 2 t 0 .5 t x2 x2 e
• 试建立系统仿真模型。
• 微分方程中的系统是时间t的函数，t由信号 源模块库(Sources)中的时钟模块(Clock)提 供，用数学运算模块库(Math Operation)中 的数学函数模块(Math Function)产生，再配 合以Sources库中的常数模块(Constant)、 Math Operations库中的乘积模块(Product) 和连续系统模块库(Continuous)中的积分模 块(Integrator)等，就可以建立系统模型。关 于输出可以用输出模块库(Sinks)中的输出端 口模块(Out)，也可以用Scope模块等等。
MATLABSIMULINK仿真.ppt
在MATLAB命令 窗口直接输入模 型文件名(不要加 扩展名.mdl)。
15
认识Simulink
SIMULINK仿真 2．Simulink的退出 为了退出Simulink，只要关闭所有模型编辑窗口和 Simulink模块库浏览器窗口即可。
16
教学内容
SIMULINK仿真
1 认识Simulink 2 Simulink的基本模块 3 Simulink的模块操作 4 仿真模型的参数设置
信号与系统 模块库
数学运算 函数与表
模块库
模块库
20
Simulink的基本模块
1. SIMULINK仿真 输入源模块库
模块
In1 Ground From File From Workspace Constant Signal Generator Pulse Generator Ramp Sine Wave Step Repeating S Chirp Signal Random Number Uniform R N Band-limited N Clock Digital Clock
5
认识Simulink
SIMULINK仿真 1.2 Simulink的启动与退出 1．Simulink的启动
在MATLAB窗口的工具栏中单击 在命令窗口中输入命令：
>>simulink
图标
6
认识Simulink
SIMULINK仿真 1.2 Simulink的启动与退出 1．Simulink的启动
功能
创建输入端 接地 从文件读数据 从工作空间读数据 常数 信号发生器 脉冲发生器 斜波 正弦波 阶跃信号 重复序列 快速正弦扫描 随机信号 均匀随机信号 带限白噪声 当时时间 数字时钟
15
认识Simulink
SIMULINK仿真 2．Simulink的退出 为了退出Simulink，只要关闭所有模型编辑窗口和 Simulink模块库浏览器窗口即可。
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教学内容
SIMULINK仿真
1 认识Simulink 2 Simulink的基本模块 3 Simulink的模块操作 4 仿真模型的参数设置
信号与系统 模块库
数学运算 函数与表
模块库
模块库
20
Simulink的基本模块
1. SIMULINK仿真 输入源模块库
模块
In1 Ground From File From Workspace Constant Signal Generator Pulse Generator Ramp Sine Wave Step Repeating S Chirp Signal Random Number Uniform R N Band-limited N Clock Digital Clock
5
认识Simulink
SIMULINK仿真 1.2 Simulink的启动与退出 1．Simulink的启动
在MATLAB窗口的工具栏中单击 在命令窗口中输入命令：
>>simulink
图标
6
认识Simulink
SIMULINK仿真 1.2 Simulink的启动与退出 1．Simulink的启动
功能
创建输入端 接地 从文件读数据 从工作空间读数据 常数 信号发生器 脉冲发生器 斜波 正弦波 阶跃信号 重复序列 快速正弦扫描 随机信号 均匀随机信号 带限白噪声 当时时间 数字时钟
MatlabSimulink仿真.ppt
-14-
2.3 模块的连接
连接两个模块
先移动光标到输出端，光标键头会变成十字形光标，这时按住鼠标左 键，移动鼠标到另一个模块的输入端，当十字形光标出现重影时，释 放鼠标左键就完成了连接
Sine Wave
Scope
Sine Wave1
Scope1
Sine Wave2
Scope2
-15-
2.3 模块的连接
-6-
1.2 Simulink的启动与退出
-7-
1.2 Simulink的启动与退出
-8-
1.2 Simulink的启动与退出
-9-
1.2 Simulink的启动与退出
-10-
1 Simulink操作基础 2 系统仿真模型 3 系统的仿真 4 使用命令操作对系统进行仿真 5 子系统及其封装技术 6 S函数的设计与应用
1 Out1
-0.5 Constant
Product1
eu
Math Fu n cti o n
Product2
1 s
Integrator1
2 Out2
-23-
2.4 模块的参数和属性设置
-24-
2.5 Simulink的几类基本模块
输入源模块
Model & Subsystem Inputs
1
unti tl ed.m at
2.1 Simulink仿真模型概述
Simulink仿真模型在视觉上表现为直观的方框图， 其扩展名为.mdl，在数学上体现了一组微分方程 或差分方程，在物理上模拟了物理器件构成的实 际系统的动态特性
模块是构成系统仿真模型的基本单元。从宏观角 度上看，simulink模型通常包含了3类模块：信源 （source）、系统（system）和信宿（sink）。
2.3 模块的连接
连接两个模块
先移动光标到输出端，光标键头会变成十字形光标，这时按住鼠标左 键，移动鼠标到另一个模块的输入端，当十字形光标出现重影时，释 放鼠标左键就完成了连接
Sine Wave
Scope
Sine Wave1
Scope1
Sine Wave2
Scope2
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2.3 模块的连接
-6-
1.2 Simulink的启动与退出
-7-
1.2 Simulink的启动与退出
-8-
1.2 Simulink的启动与退出
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1.2 Simulink的启动与退出
-10-
1 Simulink操作基础 2 系统仿真模型 3 系统的仿真 4 使用命令操作对系统进行仿真 5 子系统及其封装技术 6 S函数的设计与应用
1 Out1
-0.5 Constant
Product1
eu
Math Fu n cti o n
Product2
1 s
Integrator1
2 Out2
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2.4 模块的参数和属性设置
-24-
2.5 Simulink的几类基本模块
输入源模块
Model & Subsystem Inputs
1
unti tl ed.m at
2.1 Simulink仿真模型概述
Simulink仿真模型在视觉上表现为直观的方框图， 其扩展名为.mdl，在数学上体现了一组微分方程 或差分方程，在物理上模拟了物理器件构成的实 际系统的动态特性
模块是构成系统仿真模型的基本单元。从宏观角 度上看，simulink模型通常包含了3类模块：信源 （source）、系统（system）和信宿（sink）。
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2020/3/6
2
第10章 SIMULINK仿真初探
• SIMULINK简介：和MATLAB的其他组件相比， Simulink的一个突出特点就是它完全支持图形用户 界面，这样就极大地方便了用户的操作方法。在 MATLAB2009中，可以直接在Simulink环境中运行 时的工具包很多，包括通信、控制、信号、电力等 各个领域，所涉及的内容也比较广泛和专业。
为[0 13]。
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7
仿真模型
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8
积分模块设置
2020/3/6
9
仿真时间步设置
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10
2020/3/6
11
仿真结果输出
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12
程序实例
• 问题描述：使用simulink对y’=-10y+f(t)求解，其中 y(0)=1，f(t)=2sin(4t)， 0≤t≤3 。
• 4、积分模块：积分模块是用来计算输入信号从起 始时间开始到当前时刻对时间的积分。
• 5、传递函数模块：对照小车系统。
2020/3/6
6
程序实例
• 问题描述：使用simulink对y’=10sint在0≤t≤13时的 仿真解，其中y(0)=0。
• 解题步骤：建立仿真模型fangzhen1进行求解。 • 双击积分模块设置初始条件，然后设置时间区间
仿真结果
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43
2020/3/6
44
工程实例
• 问题描述：阻尼摆模型如图所示，采用仿真的方 法求解钟摆角度随时间变化关系，角速度随时间 变化关系和角加速度随时间的变化关系。
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45
• 解题思路：设角的初始值为pi/3，m=1kg，l=1m。 列出模型的微分方程如下所示。
format中查找相应的命令即可。
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5
10.3 基本模块介绍
• 1、增益模块：增益模块的作用是使输入信号乘以 一个常数并输出。
• 2、求和模块：求和模块可以对两个或多个输入信 号进行求和运算，求和模块必须至少有一个输入 且仅有一个输出。
• 3、微分模块：微分模块是用来计算输入对时间的 变化率。
2020/3/6
3
10.1 仿真环境介绍
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4
10.2 模块的基本操作
• 调整模块大小：采用鼠标左键拖大缩小即可。 • 旋转模块，改变模块的方向在format中找相应的
命令。 • 模块内部复制使用右键拖出即可。 • 改变模块的标签双击模块下面的名字修改即可。 • 改变标签位置、隐藏标签和增加阴影只需在
MATLAB2009 从入门到精通
课程主要内容
• 第1章 MATLAB简介 • 第2章 数值运算 • 第3章 单元数组和结构 • 第4章 字符串 • 第5章 符号运算 • 第6章 MATLAB绘图基础 • 第7章 程序设计 • 第8章 计算方法的MATLAB实现 • 第9章 优化设计 • 第10章 SIMULINK仿真初探
17
• 解题思路：把数学模型除最高阶到外所有项移到 等式右侧。
• 建立仿真模型fangzhen3，设置初始条件，设置时 间区间。
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仿真模型
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参数设置
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20
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仿真结果
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29
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30
2020/3/6
31
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32Biblioteka 2020/3/633
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34
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35
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36
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37
工程实例
• 问题描述：某细菌的繁殖率与当前细菌个数成如 下关系，试采用simulink方法求解细菌1秒后的个 数及细菌个数随时间的变化规律。初始细菌为100 个。
• 参照例：xijun
x x 0.5x2
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仿真模型
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仿真结果
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程序实例
• 问题描述：建立模型li1，求解如下模型的仿真情 况。
x1 x2
x2 0.5x1
2x2
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仿真模型
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42
• 解题步骤：建立仿真模型fangzhen2进行求解。 • 双击积分模块设置初始条件，然后设置时间区间
为[0 3]。
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13
仿真模型
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14
参数设置
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仿真结果
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工程实例
• 问题描述：两阻尼弹簧快的运动方程经化简后得 到下面的公式，采用SIMULINK仿真方法求解两 个质量块位移时间曲线、速度时间曲线和加速度 时间曲线。
5x1 12x1 5x1 8x2 4x2 0
3x2 8x2 4x2 8x1 4x1 f x
• f(t)为默认阶跃输入，初始条件如下
x10 0.2
x10 x2 0
0 0.5
x2 0 0
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• 参照li2。
c g sin( ) 0
ml2 l
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仿真模型
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仿真结果
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48
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49
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50
谢谢！
2020/3/6
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