Transcript simulink仿真

Simulink 简介
The Computer Simulation of Control System
1. Simulink 的启动
要启动Simulink必须先启动MATLAB。在
MATLAB
窗口中，有三种方法启动Simulink：
(1) 在MATLAB的命令窗口中，直接键入命令
simulink；
(2)在MATLAB窗口的工具条中，单击Simulink的快捷
启动按钮“
”；
(3) 在MATLAB窗口的左下角“Start”菜单中，单击
“Simulink” 子菜单中的“Library Browser”选项。
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Simulink 简介
The Computer Simulation of Control System

启动 Simulink后，便可显示如图5-1所示
的Simulink库浏览窗口（Simulink Library
Browser），窗口左边列出了该系统中所有
安装的一个树状结构的仿真模块集或工具箱，
同时右边显示当前左边所选仿真模块集或工
具箱中所包含的标准模块库。
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
启动 Simulink后，便可显示如图5-1所示
的Simulink库浏览窗口（Simulink Library
Browser），窗口左边列出了该系统中所有
安装的一个树状结构的仿真模块集或工具箱，
同时右边显示当前左边所选仿真模块集或工
具箱中所包含的标准模块库。
 Simulink库浏览窗口由功能菜单、工具栏
和模块集或工具箱三大部分组成，创建系统
模型时，将从这些仿真模块集或工具箱中利
用鼠标复制标准模块到用户模型编辑窗口中。
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5-1
图
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2. Simulink模块库简介
Simulink 下常用模块简介:
1). 输入模块组 Sources
2). 输出池模块组 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
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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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SIMULINK的基本模块
SIMULINK的基本模块主要有以下几部分∶
● 接收模块
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接受模块的功能表
子模块名
功能简介
Scope
示波器
XY Graph
两个信号的关系图
Display
实时数字显示
To File
保存到文件
To Workspace
输出到当前工作空间的变量
Stop Simulation
输入不为零时停止仿真
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● 输入模块
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输入模块的功能表
子模块名
功能简介
Signal Generator
信号发生器
Step
阶跃信号
Ramp
线性增加或减少的信号
Sine Wave
正弦波
Repeating Sequence
锯齿波
Discrete Pulse
Generator
Pulse Generator
方波
冲激信号
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Chirp Signal
变频正弦信号
Clock
输出当前的仿真时间
Digital Clock
按指定输出当前的仿真时间
From File
从文件读数据
From Workspace
从当前工作空间定义的矩阵
读数据
Random Number
按高斯分部的随机信号
Uniform Random Number
平均分部的随机信号
Band-Limited White Noise
带限白噪声
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● 连续系统模块
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连续系统输入模块的功能表
子模块名
功能简介
Integrator
积分环节
Derivative
微分环节
State-Space
状态方程
Zero-Pole
零-极点模型
Transfer Fcn
传递函数模型
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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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3. 模块的联机帮助系统
选中一个模块, 右键单击该模块, 选择Help, 则将打
开一个如下图所示的帮助窗口.
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常用模块的参数设置
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1 信号发生器
信号发生器(signal generator)是信源模块
子库Sources中的模块，双击信号发生器模
块，会出现参数设置对话框。
对话框的上半部分为参数说明;下半部分设
置参数，Wave form为信号类型，Time (t)
为仿真时间或外部时间，Amplitude为信号
幅值，Frequency为频率。
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三角函数
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三角函数(Trigonometric Function) 是
数学函数子库Math中的一个模块,双击三
角函数模块，会出现参数设置对话框。
对话框的上半部分为参数说明，下半部
为参数设置，其中Function为可供选择
的三角函数,Output signal type为自动、
实数和复数。
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数学函数
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数学函数（Math function）是数学函数子
库Math中的一个模块,双击Math function
模块，会出现参数设置对话框。上半部分
为参数说明，下半部分为参数设置,其中
Function 为 可 供 选 择 的 数 学 函 数 , Output
signal type为自动、实数和复数。
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示波器
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示波器(Scope)是常用的模块子库中的模块，
用来接收输入信号并实时显示信号波形的曲
线。
示 波 器 的 参 数 设 置 对 话 框 有 两 页 ， 其 中
General 页可设置坐标轴数目Number of
axes，浮点显示floating scope，时间范围
Time range ， 采 样 增 益 Sampling；
History 页 可 设 置 数 据 点 数 Limit data
points to last，是否保存到工作空间Save
data to workspace。
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Simulink 建模
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1. Simulink 模型窗口的建立
若想新建一个控制系统结构框图，则首先应该打开一个
标题为“Untitled”的空白模型编辑窗口，如下图所示。
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Simulink 建模
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创建一个新的模型编辑窗口有以下三种方法：
1）在Simulink库浏览窗口中，点击工
具条中的新建模型窗口按钮
；
2）在Simulink库窗口中选择菜单命令
File|New|Model；
3) 在MATLAB指令窗口中选择菜单命令
File|New|Model。
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Simulink 建模
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2. 模块的操作:
模块是Simulink模型构造的基本元素，利用鼠
标点击和拖拉方式可将仿真模块库(集)中标准模块拷
贝到用户模型编辑窗口中，并使其相互连接，便可得
到系统方框图。
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Simulink 建模
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2. 模块的操作:
模块是Simulink模型构造的基本元素，利用鼠
标点击和拖拉方式可将仿真模块库(集)中标准模块拷
贝到用户模型编辑窗口中，并使其相互连接，便可得
到系统方框图。
1) 对象的选定:
用鼠标单击待选对象，小黑四方块的“句柄”就
会出现在被选中模块的四个角上，或在被选中连
线的两个端点旁。
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Simulink 建模
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2) 模块的移动
3) 模块的删除
4) 模块的旋转
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2) 模块的移动
3) 模块的删除
4) 模块的旋转
首先用鼠标选中要旋转处理的模块，然后执行
Format|Flip block 命令将对此模块旋转180度；或
执行Format|Rotate block 命令将对此模块顺时针
方
向旋转90度。
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5) 模块间的连接线
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5) 模块间的连接线
(1)模块间的连接线是从某模块的输出端（三角符号）
出发直指另一模块的输入口（大于符号）的有向线段。
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5) 模块间的连接线
(1)模块间的连接线是从某模块的输出端（三角符号）
出发直指另一模块的输入口（大于符号）的有向线段。
它的生成方法是：把鼠标光标移到起点模块的输出端，
按鼠标左右的任何一键，看到光标变为“+”字后，拖动
“+”
字光标到终点模块的输入端，再释放鼠标按钮，则会自
动产生一条带箭头的线段，将两个模块连接起来，箭头
方向表示信号流向。如想消去某段连线，可先用鼠标单
击的方法选定该连线后，按Delete键，则可删除用方块
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Simulink 建模
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(2)画支线
支线是从一条已存在的有向线段上任意一点出发，指
向另一模块输入口的有向线段。
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(2)画支线
支线是从一条已存在的有向线段上任意一点出发，指
向另一模块输入口的有向线段。
支线生成的方法是：把鼠标光标移到有向线段上的任
意点处，在按下 Ctrl键的同时，按下鼠标左键，光标
由箭头变为“+”字，拖动鼠标到适当位置后放开左键，
屏幕上就出现一条由此点引出的箭头线，再从此箭头开
始按住鼠标左右任何一键，沿另一方向拖到适当位置后
松开按键，照此操作，直到整个支线绘完为止。如果采
用鼠标右键，以上过程中就省掉按 Ctrl键了。
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Simulink 建模
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6) 模块内部参数的修改
7) 信号标注
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Simulink 建模
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6) 模块内部参数的修改
用鼠标的左键双击待修改内部参数模块的图标，则可
打开该模块的参数设置对话框，通过改变对话框中适当
栏目中的数据便可。
7) 信号标注
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Simulink 建模
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6) 模块内部参数的修改
用鼠标的左键双击待修改内部参数模块的图标，则可
打开该模块的参数设置对话框，通过改变对话框中适当
栏目中的数据便可。
7) 信号标注
要对某一连线进行标注，只需双击标注处，并且
在插入点处输入标注即可，标注可移动到连线的任何
位置。标注的字体、字形和大小也可通过选择菜单命
令FormatFont来改变。
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Simulink 建模
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例1：
已知某单位反馈控制系统的开环传递函数为：
50
G(s) 
(0.1s  1)( s  5)
闭环后在单位阶跃信号作用下，观察系统的输出情况。
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完成上述仿真过程, 可分下面几步进行：
一、 选取所需模块
根据上述题意我们分别在线性模块，输入模块，输出
模块库中选出所需模块如下：
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二、 系统各环节参数调整
在系统各环节选取完毕后，往往需要对各环节参数进
行调节。
参数调节：用鼠标双击该环节模块，在弹出的参数
窗口中填写需要的参数。
三、 连接各环节
# 线的折弯：按住Shift键，再用鼠标在要折弯的线处
单击一下，就会出现圆圈，表示折点，利用折点就可
以改变线的形状。
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Simulink 建模
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根据题义而建的仿真模型如下(K=50)：
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● 四 仿真
连接好系统后就可进行仿真了。其方法如下：
仿真： 选择simulation命令下的start命令（或按ctrl+t键）。
下面的图形，是示波器窗口观察到的响应曲线（起始时
间T=1秒）。
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Simulink 建模
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Simulink 的仿真方法
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• 在启动仿真开始之前，首先应选择系统模型窗
口中的SimulationConfiguration
Parameters 命令来设置仿真算法和参数，这时
将给出一个如下图所示的对话框。
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Simulink 的仿真方法
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Simulink 的仿真方法
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1. 求解器(Solver)页面
该页面用来设置仿真开始和停止时间、选择仿
真
算法和指定算法的参数等。
1) 仿真时间(Simulation time)
仿真时间是由参数对话框中的开始时间(Start
Time)和停止时间(Stop Time)框中的内容来确定
的，它们均可修改，缺省的开始时间为0.0秒，
停止时间为10.0秒。在仿真过程中允许实时修改
仿真的终止时间(Stop Time)
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Simulink 的仿真方法
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2) 求解器选项 (Solver options)
仿真涉及常微分方程组的数值积分. Simulink提供了变
步长 (Variable-step)和定步长(Fixed-step) 两大类
数值积分算法供用户选择。对于变步长算法，可以设定
最大步长（Max step size）、最小步长(Min step
size)、起始步长（Initial step size）、相对容差
(Relative tolerance)和绝对容差(Absolute
tolerance)。对于定步长算法，可以设定固定步长
（Fixed step size）和选择仿真模式(Mode)
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Simulink 的仿真方法
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I. 仿真算法
在求解器选项 (Solver options)最第二行的两个选择
框中，可选择相应的仿真算法。

变步长(Variable-step)算法
可以选择的变步长算法有以下几种:
ode45,ode23,ode15s,ode23s,ode23t,ode23tb,discrete.
缺省情况下，连续系统采用ode45；离散系统采用
discrete,刚性系统采用ode23 。
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Simulink 的仿真方法
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
定步长(Fixed-step)算法
可以选择的定步长算法有以下几种:
ode5,ode4,ode3,ode2,ode1,discrete.缺省情况下，
采用ode5.
II. 仿真步长
在求解器选项 (Solver options)下面的选择框中。
对于变步长算法，可以设定最大步长（Max step
size）、最小步长(Min step size)和起始步长
（Initial step size）。
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Simulink 的仿真方法
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一般情况下，最大步长可以选择一个较大的数值，但
如果选择的过大，可能会出现在仿真点处仿真结果是正
确的，但仿真曲线不是很光滑的情况，故最大步长一般
选择为仿真范围的1/50。通常，最小步长都取的很小，
但如果取的太小，会增大计算量。仿真的最小步长和最
大步长均可在仿真过程中进行实时修改。
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Simulink 的仿真方法
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III. 误差容限
相对容差(Relative tolerance)和绝对容差
(Absolute tolerance)中所填写的容差值是用来定义仿真
精度的。在变步长仿真过程中，算法会把算得的局部估
计误差与这里填写的容许误差限来相比较，当误差超过
这一误差限时会自动地对仿真步长作适当的修正，所以
说在变步长仿真时，误差限的设置是很重要的，它将关
系到微分方程求解的精度。误差限经常在0.1和1e-6之
间取值，它越小，积分的步数就越多，精度也越高，但
是过小（如1e-10）由于计算舍入误差的显著增加，而
影响整个精度，误差限在仿真过程中允许实时修改。
IV. 仿真模式(Mode)
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Simulink 的仿真方法
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3) 输出选项(Output options)
在输出选项(Output options)中，可以选择以下三种
输出。
I. 细化输出(Refine output)
II. 产生额外的输出(Produce additional output)
III. 只产生指定的输出(Produce specified output
only)
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Simulink 的仿真方法
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2.数据输入/输出(Data Import/Export)页面
该页面可以将仿真的输出结果保存到MATLAB的
工作空间变量中，也可以从MATLAB的工作空间取
得输入和初始状态。
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Simulink 的仿真方法
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Simulink 的仿真方法
The Computer Simulation of Control System
1) 从MATLAB的工作空间装入输入和初始状态
(Load from workspace)
选中前面的复选框即可从MATLAB工作空间获取时
间和输入变量.时间变量定义为t,输入变量定义为
u.Initial state用来定义从MATLAB工作空间获得的
状态初始值的变量名.
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Simulink 的仿真方法
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2) 将结果保存到MATLAB的工作空间变量中
(Save to workspace)
用来设置存往MATLAB工作空间的变量类型和变量名,
选中变量类型前的复选框是相应的变量有效. 一般的,存
往工作空间的变量包括时间(Time)、状态(States)、输出
(Output).
 如果想保存一个稳定状态的结果并从那个已知的状态
重新启动仿真，那么保存最终状态(Final state)将非常有
用。
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Simulink 的仿真方法
The Computer Simulation of Control System

可以通过 Save options域来指定输出存储的格
式和限制保存输出的数量。其格式选项可以采用
下列任何一种形式。
(l)矩阵(Array)
Simulink 将 所 选 定 的 以 上 输 出 结 果 分 别 存 储 在
Save to Workspace域中各编辑框命名的矩阵中，
缺省值分别为tout,xout,yout和xFinal。矩阵的
每一列与模型的一个输出或状态相对应，第一行
与初始时间相对应。
(2)具有时间的结构(Structure with Time)
(3)结构(Structure)
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仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
设置完以上仿真控制参数后，则可选择
Simulation|Start命令来启动仿真过程,在仿真结束时
会自动发出一声鸣叫。在仿真过程中还允许采用
Simulation菜单下的Pause和 Continue命令来暂停或
继续仿真过程，若选择Simulation|Stop命令,则人为
中止仿真过程。
结果分析有助于模型的改进和完善，同时结果分
析也是仿真的主要目的。仿真结果可采用以下几种方
法得到。
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仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
(1) 利用示波器模块(Scope)得到输出结果
当利用示波器模块作输出时，它不仅会
自动地将仿真的结果从示波器上实时地显示
出来。而且也可同时把示波器缓冲区存储的
数据，送到MATLAB工作空间指定的变量中保
存起来，以便利用绘图命令在MATLAB命令窗
口里绘制出图形。
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仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System

在示波器模块的窗口中，利用快捷按钮“
”，
可打开如图所示的示波器模块参数(parameters)对话
框。示波器参数对话框中有两个页面，图（a）为一
般参数设置（General），图（b）为数据存储参数
设置（Data history）。
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仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
例3 对下图所示的系统进行仿真。
UESTC
仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
在Simulink中，仿真中的
动态数据的计算都是由数值
积分实现的。尽管本例从信
号发生器到示波器没通过其
他环节(实际上可认为经过
一个增益为1的比例环节)，
但动态数据仍是经数值积分
计算得到的，因此在仿真前，
仍需执行
SimulationConfiguration
Parameters命令来设置仿真
控制面板中相应的参数，参
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图6-31。
仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
在求解器选项 (Solver options)页面中，把固定步
长（Fixed-step size）一栏中的默认值auto改为0.05，
以确保最大仿真步长小于周期的1/10，否则波形就失
真，设置完参数后用鼠标单击【OK】按钮接收新参
数，同时关闭此对话框。
选择SimulationStart命令启动仿真过程，便可在示波
器上看到相应的曲线。
UESTC
仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
另外，在MATLAB命令窗口中利用以下命令，便可得
到如下图所示的输出曲线。
>>plot(y(:,1),y(:,2));title('sin')
sin
3
2
1
0
-1
-2
-3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
UESTC
10
仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
 除了示波器形象的输出之外，用户
还可以用To Workspace模块或Out1模
块将仿真结果返回到MATLAB的工作
空间变量中，这样返回的结果当然可
以利用MATLAB命令来进一步处理。
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仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
(2)利用输出接口模块(Out1)得到输出结果
利用输出接口(Out1)模块把仿真结果返回到
MATLAB 的 工 作 空 间 时 ， 就 必 须 选 定 Data
Import/Export页面中的时间变量(Time)和输出变
量(Output)对话框，对话框中的变量名即可采用
默认的，也可根据需要更名。状态变量(States)
和终值状态变量(Final state)对话框为任选。
UESTC
仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
例4 对图所示的模型框图进行仿真。
UESTC
仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System

选择SimulationConfiguration Parameters命令，
打开仿真参数控制面板，在求解器选项 (Solver
options)页面，把终止时间 (Stop time) 栏中的内容
改为20，其余参数采用默认值；在数据输入/输出
(Data Import/Export)页面，把时间变量(Time)和
输出变量(Output)对话框中的变量改为t和y，其余
参数采用默认值，按【OK】键返回。

选择SimulationStart命令开始仿真，等听到
一声嘟后仿真便结束，此时可返到MATLAB工作
窗口，运行命令
>> plot(t,y)
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仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
便可得到图所示的输出响应曲线。
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
UESTC
Simulink 的仿真方法
The Computer Simulation of Control System
( 3 ) 利 用 把 数 据 传 送 到 工 作 空 间 模 块 ( To
Workspace)得到输出结果
利用To Workspace 模块
向MATLAB工作空间传送
数据时，应该为其指定一
个变量名，它是通过用鼠
标左键双击该模块的图标
来完成的，这将给出如图
所示的对话框。用户可以
在Variable name (变量名)
引导的编辑框中输入相应
的变量名。
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仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
例5 对下图 所示系统模型进行仿真
UESTC
仿真结果分析
The Computer Simulation of Control System
MATLAB工作窗口，运行命令：
>>plot (t,y)
便可得到如图所示的图形。
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Simulink 的仿真方法
The Computer Simulation of Control System
【例6】非线性微分方程的框图求解
方程，其数学表达式为:
考虑如下
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Simulink 的仿真方法
The Computer Simulation of Control System
这样的微分方程在 Simulink 下也可以搭建相应
的仿真模型，从而进行仿真。如下图所示：
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Simulink 的仿真方法
The Computer Simulation of Control System
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
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课程实践
The Computer Simulation of Control System
SIMULINK 仿真
目的：
1.熟悉SIMULINK 工作环境及特点；
2.熟悉控制线性系统仿真常用基本模块的用法；
3.掌握SIMULINK 的建模与仿真方法；
4.掌握SIMULINK子系统模块化和封装技术.
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Simulink 建模
The Computer Simulation of Control System
1
已知某单位反馈控制系统的开环传递函数为：
s 1
G( s ) 
(0.2 s  1)( s  2)
闭环后在单位阶跃信号作用下，分别利用示波器模块
(Scope)，输出接口模块(Out1)和利用把数据传送到工
作空间模块(To Workspace)得到输出结果在Simulink
下观察系统的输出情况。
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课程实践
The Computer Simulation of Control System
2 考虑简单的线性微分方程
4 
3 

y  5 y  6 y  4 y  2 y  e  e sin( 4t  )
3
3 t
5 t
且方程的初值为
1 3 
y 0  1, y 0  y0  , y 0  0.2
2
试用simulink搭建起系统的仿真模块，并绘制出仿真
结果曲线。
UESTC
课程实践
The Computer Simulation of Control System
3. 用SIMULINK建立模型, 被控对象的传递函数为 ，
10
G( x)  3
s  s 2  10s  1
系统输入为单位阶跃，采用PID控制器进行闭环调节。
①
练习模块、连线的操作，并将仿真时间定为300 秒，其余
用缺省值；
②
设置出合适的PID参数，得出满意的响应曲线;
③
对该系统进行封装;

利用Ziegler-Nichols参数整定法对该系统设计PID控制器,
并绘制出图形.
UESTC