1、1,第6讲 SIMULINK交互式仿真集成环境,6.1 SIMULINK简介 6.2 SIMULINK功能模块的处理 6.3 SIMULINK自定义功能模块 6.4 SIMULINK仿真的运行 6.5 SIMULINK s-function的设计,2,6.1 SIMULINK简介,一、什么是SIMULINK? 二、 SIMULINK的启动 三、SIMULINK的模块库介绍 四、SIMULINK简单模型的建立及模型特点,3,一、什么是SIMULINK? SIMULINK是实现动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包，与用户交互的接口是基于Windows的模型化图形输入。 模型化图形输入：指SIM
2、ULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块（用户只需要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），通过调用、连接这些基本模块，就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），从而进行仿真与分析。 优点：用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。,4,SIMULINK模型的含义： 视觉上，直观的方框图； 文件上，扩展名为MDL的ASCII代码； 数学上，一组微分方程或差分方程； 行为上，模拟物理器件构成的实际系统的动态特性。 SIMULINK模型的一般组件：可处理的系统：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 可加
3、载的工具包：通信、控制、信号处理、DSP、电力系统等,5,二、SIMULINK的启动 1、在MATLAB命令窗口中输入simulink 打开Simulink Library Browser窗口，窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。2、在MATLAB命令窗口中输入simulink3 打开Library :simulink3的Simulink模块库窗口。,6,三、SIMULINK的模块库介绍 SIMILINK模块库按功能进行分类： Continuous（连续模块） Discrete（离散模块） Function&Tables（函数和平台模块） Math（数学模块） Nonlinear（非线性模
4、块） Signals&Systems（信号和系统模块） Sinks（接收器模块） Sources（输入源模块）,7,1、连续模块（Continuous） continuous.mdl Integrator：输入信号积分 Derivative：输入信号微分 State-Space：线性状态空间系统模型 Transfer-Fcn：线性传递函数模型 Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型 Memory：存储上一时刻的状态值 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,8,2、离散模块（Dis
5、crete） discrete.mdl Discrete-time Integrator：离散时间积分器 Discrete Filter：IIR与FIR滤波器 Discrete State-Space：离散状态空间系统模型 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 First-Order Hold：一阶采样和保持器 Zero-Order Hold：零阶采样和保持器 Unit Delay：一个采样周期的延时,9,3、 Function&Tables（函数和平台模块） function.mdl Fcn：用自定
6、义的函数（表达式）进行运算 MATLAB Fcn：利用matlab的现有函数进行运算 S-Function：调用自编的S函数的程序进行运算 Look-Up Table：建立输入信号的查询表（线性峰值匹配） Look-Up Table(2-D)：建立两个输入信号的查询表（线性峰值匹配）,10,4、 Math（数学模块） math.mdl Sum：加减运算 Product：乘运算 Dot Product：点乘运算 Gain：比例运算 Math Function：包括指数函数、对数函数、求平方、开根号等常用数学函数 Trigonometric Function：三角函数，包括正弦、余弦、正切等 Mi
7、nMax：最值运算 Abs：取绝对值 Sign：符号函数,11,Logical Operator：逻辑运算 Relational Operator：关系运算 Complex to Magnitude-Angle：由复数输入转为幅值和相角输出 Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角输入合成复数输出 Complex to Real-Imag：由复数输入转为实部和虚部输出 Real-Imag to Complex：由实部和虚部输入合成复数输出,12,5、 Nonlinear（非线性模块） nonlinear.mdl Saturation：饱和输出， 让输出超过某一值时能够
8、饱和。 Relay：滞环比较器， 限制输出值在某一范围内变化。 Switch：开关选择， 当第二个输入端大于临界值时， 输出由第一个输入端而来， 否则输出由第三个输入端而来。 Manual Switch：手动选择开关,13,6、Signal&Systems（信号和系统模块） sigsys.mdl In1：输入端。 Out1：输出端。 Mux：将多个单一输入转化为一个复合输出。 Demux：将一个复合输入转化为多个单一输出。 Ground：连接到没有连接到的输入端。 Terminator：连接到没有连接到的输出端。 SubSystem：建立新的封装（Mask）功能模块,14,7、Sinks（接收
9、器模块） sinks.mdl 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。,15,8、Sources（输入源模块） sources.mdl 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
10、。 Sine Wave：正弦波信号。 Step：阶跃波信号。,16,四、SIMULINK简单模型的建立及模型特点 1、简单模型的建立 exp5_1.mdl （1）建立模型窗口 （2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口 （3）对模块进行连接，从而构成需要的系统模型 2、模型的特点 提供了许多如Scope的接收器模块，使得SIMULNK仿真具有像做实验一般的图形化显示效果。 SIMULINK的模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统。 SIMULINK提供了对子系统进行封装的功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。,17,例：求微分方程的数值解并给定初始条件y(0)=1, y(
11、0)=2。,18,6.2 SIMULINK功能模块的处理,一、 SIMULINK功能模块的处理二、SIMULINK线的处理,19,一、 SIMULINK功能模块的处理功能模块的基本操作，包括模块的移动、复制、删除、转向、改变大小、模块命名、颜色设定、参数设定、属性设定、模块输入输出信号等。模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳（选中模块，按住鼠标左键不放）而放到模型窗口中进行处理。,20,对模块的基本操作： 移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳。 复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块。 删除：选中模块
12、，按Delete键即可。也可以用鼠标选取某区域，再按Delete键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删除。 转向：在菜单Format中选择Flip Block旋转180度，选择Rotate Block顺时针旋转90度。或者直接按Ctrl+F键执行Flip Block，按Ctrl+R键执行Rotate Block。 改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳。,21,模块命名：先用鼠标单击需要更改的名称，然后直接更改。Hide Name可以隐藏模块名称。 颜色设定： Format菜单中的Foreground Color可以改变模块的前景颜色，Background Color可以改变模
13、块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过Screen Color来改变。 参数设定：用鼠标双击模块，对模块进行参数设定。通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。 属性设定：选中模块，打开Edit菜单的Block Properties对模块进行属性设定。包括Description属性、 Priority优先级属性、Tag属性、Open function属性、Attributes format string属性。 模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一种单一信号，而向量信号为一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。,22,例exp5_2.
14、mdl,23,例exp5_3.mdl,24,二、SIMULINK线的处理 exp5_4.mdl,1）改变粗细 2）设定标签 3）线的折弯 4）分支,SIMULINK模型的构建是通过用线将各种功能模块连接而构成的。 可以对线做如下操作：,25,6.3 SIMULINK自定义功能模块,一、自定义功能模块的方法二、自定义功能模块的封装,26,一、自定义功能模块的方法 （1）采用Signal&Systems 模块库中的Subsystem功能模块，利用其编辑区设计组合新的功能模块；A. 将模块库中的Subsystem功能模块复制到打开的模型窗口中。 B. 双击Subsystem功能模块，进入自定义功能模
15、块窗口，从而可以利用已有的基本功能模块设计出新的功能模块。,27,例 exp5_5.mdl,28,（2）将现有的多个功能模块组合起来，形成新的功能模块。对于很大的SIMULINK模型，通过自定义功能模块可以简化图形，减少功能模块的个数，有利于模型的分层构建。A. 在模型窗口中建立所定义功能模块的子模块。 B. 用鼠标将这些需要组合的功能模块框住，然后选择Edit菜单下的Create Subsystem即可。,29,例exp5_6.mdl,30,三、自定义功能模块的封装 exp5_7.mdl exp5_8.mdl exp5_9.mdl exp5_10.mdl 首先选中Subsystem功能模块，
16、再打开Edit菜单中的Mask Subsystem进入mask的编辑窗口，可以看出有3个标签页。 Icon：设定功能模块的外观。 Initialization：设定输入数据窗口（Prompt List）。 Documentation：设计该功能模块的文字说明。,31,1、Icon标签页,Drawing Commands，在该区域内可以用disp指令设定功能模块的文字名称，用plot指令画线，用dpoly指令画转换函数。 disp(text)：在功能模块上显示设定的文字内容。disp(text1ntext2)分行显示文字text1和text2 plot(x1 x2 xn,y1 y2 yn)：在功
17、能模块上画出由x1 y1经x2 y2经x3 y3 直到xn,yn为止的直线。功能模块的左下角会根据目前的坐标刻度被正规化为0,0，右上角则会依据目前的坐标刻度被正规化为1,1。 dpoly(num,den)：按s次数的降幂排序，在功能模块上显示连续的传递函数。 dpoly(num,den,z)：按z次数的降幂排序，在功能模块上显示离散的传递函数。,32,用户还可以设置一些参数来控制图标的属性，这些属性在Icon页左侧的下拉式列表中进行选择。 Icon frame：Visible 显示外框线；Invisible：隐藏外框线。 Icon Transparency：Opaque 隐藏输入输出的标签；
18、Transparent：显示输入输出的标签。 Icon Rotation：旋转模块。 Drawing coordinate：画图时的坐标系。,33,2、Initialization标签页,主要是设计输入提示（prompt）以及对应的变量名称（variable）。若配合在initialization commands内编辑程序，可以发挥功能模块的功能来执行特定的操作。 在prompt编辑框中输入文字，这些文字就会出现在prompt列表中；在variable列表中输入变量名称，则prompt中的文字对应该变量的说明。如果要增加新的项目，可以点击边上的Add键。Up和Down按钮用于执行项目间的位置
19、调整。 Control type列表给用户提供选择设计的编辑区。 Assignment属性用于配合Control type的不同选择来提供不同的变量值，变量值有Evaluate和Literal两种,34,3、Documentation标签页,主要针对完成的功能模块编写相应的说明文字和Help。 在Block description中输入的文字，会出现在参数窗口的说明部分。 在Block help中输入的文字则会显示在单击参数窗口中的help按钮后浏览器所加载的HTML文件中。 Mask type：在此处输入的文字作为封装模块的标注性说明，在模型窗口下，将鼠标指向模块，则会显示该文字。当然必须先
20、在View菜单中选择Block Data TipsShow Block Data Tips。,35,6.4 SIMULINK仿真的运行,一、设置仿真参数和选择解法器 二、启动仿真 三、仿真结果分析,36,一、设置仿真参数和选择解法器 选择Simulation菜单下的Configuration Parameters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面来管理仿真的参数。 Solver页，它允许用户设置仿真的开始和结束时间，选择解法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。 Workspace I/O页，作用是管理模型从MATLAB工作空间的输入和对它的输出。 Diagnostics页，允
21、许用户选择Simulink在仿真中显示的警告信息的等级。,37,1、Solver页,可以进行的设置有：选择仿真开始和结束的时间；选择解法器，并设定它的参数；选择输出项。 仿真时间：注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示。总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。 仿真步长模式：用户在Type后面的第一个下拉选项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的有Variable-step（变步长）和Fixed-step（固定步长）方式。变步长模式可以在仿真的过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。固定
22、步长模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测。,38,变步长模式解法器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。 ode45：缺省值，四/五阶龙格库塔法，适用于大多数连续或离散系统，但不适用于刚性（stiff）系统。它是单步解法器。一般来说，面对一个仿真问题最好是首先试试ode45。 ode23：二/三阶龙格库塔法，它在误差限要求不高和求解的问题不太难的情况下，可能会比ode45更有效。也是一个单步解法器。 ode113：是一种阶数可变的解法器，它在误差容许要求严格的情况下通常比ode45有效。ode1
23、13是一种多步解法器，也就是在计算当前时刻输出时，它需要以前多个时刻的解。 ode15s：是一种基于数字微分公式的解法器（NDFs）。也是一种多步解法器。适用于刚性系统，当用户估计要解决的问题是比较困难的，或者不能使用ode45，或者即使使用效果也不好，就可以用ode15s。,39,ode23s：它是一种单步解法器，专门应用于刚性系统，在弱误差允许下的效果好于ode15s。它能解决某些ode15s所不能有效解决的stiff问题。 ode23t：是梯形规则的一种自由插值实现。这种解法器适用于求解适度stiff的问题而用户又需要一个无数字振荡的解法器的情况。 ode23tb：是TR-BDF2的一种
24、实现， TR-BDF2 是具有两个阶段的隐式龙格库塔公式。 discrtet：当Simulink检查到模型没有连续状态时使用它。,40,固定步长模式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete。 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。,41,步长参数（变步长模式） Maximum step si
25、ze（最大步长参数）：它决定了解法器能够使用的最大时间步长，它的缺省值为“仿真时间/50” 。一般建议对于仿真时间不超过15s的采用默认值即可，对于超过15s的每秒至少保证5个采样点，对于超过100s的，每秒至少保证3个采样点。 Initial step size（初始步长参数）：一般建议使用“auto” 即可。 仿真精度的定义（变步长模式） Relative tolerance（相对误差）：它是指误差相对于状态的值，是一个百分比，缺省值为1e-3，表示状态的计算值要精确到0.1%。 Absolute tolerance（绝对误差）：表示误差值的门限，或者是说在状态值为零的情况下，可以接受的误
26、差。如果它被设成了auto，那么simulink为每一个状态设置初始绝对误差为1e-6。,42,Mode（固定步长模式选择） Multitasking：使用速率转换模块可以减少模型中的非法速率转换。Simulink提供了两个这样的模块：unit delay模块（从慢速率到快速率的非法转换）和zero-order hold模块（快速率到慢速率的转换）。 Singletasking：不检查模块间的速率转换，它在建立单任务系统模型时非常有用，在这种系统就不存在任务同步问题。 Auto：simulink会根据模型中模块的采样速率是否一致，自动决定切换到multitasking和singletaskin
27、g。,43,输出选项（变步长模式） Refine output：产生更光滑的输出曲线，改变精细因子比减小仿真步长更有效。精细输出只能在变步长模式中才能使用，并且在ode45效果最好。 Produce additional output：它允许用户直接指定产生输出的时间点。与精细因子相比，这个选项会改变仿真的步长。 Produce specified output only：它让simulink只在指定的时间点上产生输出。为此解法器要调整仿真步长以使之和指定的时间点重合。这个选项在比较不同的仿真时可以确保它们在相同的时间输出。,44,2、Workspace I/O页,主要设置SIMULINK与M
28、ATLAB工作空间交换数值的有关选项。 Load from workspace：可从MATLAB工作空间获取时间和输入变量，一般时间变量定义为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。 Save to workspace：用来设置存往MATLAB工作空间的变量类型和变量名。一般存往工作空间的变量包括输出时间向量（Time）、状态向量（States）和输出变量（Output）。 Final state用来定义将系统稳态值存往工作空间所使用的变量名。 Save option：用来设置存往工作空间的有关选项。,45,3、Diagnost
29、ics页,分成两个部分：仿真选项和配置选项。 1）配置选项：列举了一些常见的事件类型，以及当SIMULINK检查到这些事件时给予的处理。 2）仿真选项：包括是否进行一致性检验、是否禁用过零检测、是否禁止复用缓存、是否进行不同版本的SIMULINK的检验等。 除了上述3个主要的页外，仿真参数设置窗口还包括real-time workshop页，主要用于与C语言编辑器的交换，通过它可以直接从SIMULINK模型生成代码并且自动建立可以在不同环境下运行的程序，这些环境包括实时系统和单机仿真。,46,二、启动仿真 选择Simulink菜单下的start选项来启动仿真。在MATLAB命令窗口中通过函数进
30、行，格式如下：t,x,y=sim(模型文件名,to tf,simset(参数1,参数值1,参数2,参数值2, )其中，to为仿真起始时间，tf为仿真终止时间。 t,x,y-t为返回的时间向量值，x为返回的状态值，y为返回的输出向量值。,47,simset定义了仿真参数，包括以下一些主要参数： AbsTol：默认值为1e-6设定绝对误差范围。 Decimation：默认值为1，决定隔多少个点返回状态和输出值。 Solver：解法器的选择。 MaxRows：默认值为0，表示不限制。若为大于零的值，则表示限制输出和状态的规模，使其最大行数等于该数值。 InitialState：一个向量值，用于设定初
31、始状态。 FixedStep：用一个正数表示步阶的大小，仅用于固定步长模式。 MaxStep：默认值为auto。用于变步长模式，表示最大的步阶大小。 已知模型文件名称，可以用以下命令得到该模型的仿真参数： simget(模型文件名）三、仿真结果分析,48,6.5 SIMULINK s-function的设计,一、s-function的概念二、建立m文件s-function三、s-function举例,49,一、s-function的概念 s-function是一个动态系统的计算机语言描述，在MATLAB里，用户可以选择用m文件编写，也可以用c或mex文件编写。 S-function提供了扩展S
32、imulink模块库的有力工具，它采用一种特定的调用语法，使函数和Simulink解法器进行交互。 S-function最广泛的用途是定制用户自己的Simulink模块。它的形式十分通用，能够支持连续系统、离散系统和混合系统。,50,二、建立m文件s-function 1、使用模板文件：sfuntmp1. m （根目录下toolbox/simulink/blocks/） function sys,x0,str,ts,simStateCompliance = sfuntmpl(t,x,u,flag) 模板文件里s-function的结构十分简单，它只为不同的flag的值指定要相应调用的m文件子函
33、数。 模板文件只是Simulink为方便用户而提供的一种参考格式，并不是编写s-function的语法要求，用户完全可以改变子函数的名称，或者直接把代码写在主函数里，但使用模板文件的好处是，比较方便，而且条理清晰。,51,m文件s-function可用的子函数： mdlInitializeSizes：定义s-function模块的基本特性，包括采样时间、连续或者离散状态的初始条件和sizes数组。 mdlDerivatives：计算连续状态变量的微分方程。 mdlUpdate：更新离散状态、采样时间和主时间步的要求。 mdlOutputs：计算s-function的输出。 mdlGetTime
34、OfNextVarHit：计算下一个采样点的绝对时间。 mdlTerminate：实现仿真任务必须的结束。,52,概括说来，建立s-function可以分成两个分离的任务： 初始化模块特性：包括输入输出信号的宽度，离散连续状态的初始条件和采样时间。 将算法放到合适的s-function子函数中去。,53,2、定义s-function的初始信息 用户必须在s-函数里提供有关s-函数的说明信息，包括采样时间、连续或者离散状态个数等初始条件。这一部分主要是在mdlInitializeSizes子函数里完成。 Sizes数组是s-function函数信息的载体，它内部的字段意义： NumContSta
35、tes：连续状态的个数（状态向量连续部分的宽度） NumDiscStates：离散状态的个数（状态向量离散部分的宽度） NumOutputs： 输出变量的个数（输出向量的宽度） NumInputs：输入变量的个数（输入向量的宽度） DirFeedthrough：有无直接馈入 NumSampleTimes：采样时间的个数,54,3、输入和输出参量说明 function sys,x0,str,ts,simStateCompliance = sfuntmpl(t,x,u,flag) S-function默认的4个输入参数为t、x、u和flag，它们的次序不能变动，代表的意义分别为： t：当前仿真时间
36、，通常用于决定下一个采样时刻，或者在多采样速率系统中，用来区分不同的采样时刻点，并据此进行不同的处理。 x：状态向量，这个参数是必须的，甚至在系统中不存在状态时也是如此。它具有很灵活的运用。 u：输入向量。 flag：控制在每一个仿真阶段调用哪一个子函数，由Simulink在调用时自动取值。,55,S-function默认的4个返回参数为sys、x0、str和ts，它们的次序不能变动，代表的意义分别为： sys：通用返回参数，它所返回值的意义取决于flag的值。 x0： 是初始状态值（没有状态时是一个空矩阵），只在flag值为0时才有效，其他时候都会被忽略。 str：没有什么意义，是MathWorks公司为将来的应用保留的，m文件s-function必须把它设为空矩阵。 ts：是一个m2的矩阵，它的两列分别表示采样时间间隔和偏移。,56,三、s-function举例 例1 csfunc.m（连续状态s-function） 例2 dsfunc.m（离散状态s-function) 例3 mixedm.m（混合系统s-function） 例4 vsfunc.m（可变步长仿真系统） 例5 filt.m，rect.m，rload.m（非模板文件形式）,
