自动控制系统计算机仿真第5章课件.ppt

1、下图为图形库浏览器界面下图为图形库浏览器界面SimulinkSimulink的仿真模型窗口界面由标题、功能菜单和用户模的仿真模型窗口界面由标题、功能菜单和用户模型编辑区三部分组成。型编辑区三部分组成。在用户模型编辑区中，用户可以建立、编辑系统仿真模型在用户模型编辑区中，用户可以建立、编辑系统仿真模型的结构图。结构图中所需要的模块可直接从的结构图。结构图中所需要的模块可直接从SimulinkSimulink库浏库浏览器窗口中拖拽复制。当用户完成览器窗口中拖拽复制。当用户完成SimulinkSimulink系统模型的编系统模型的编辑之后，需要设置模块参数和系统仿真参数，最后就可以辑之后，需要设置模

2、块参数和系统仿真参数，最后就可以进行系统仿真。进行系统仿真。5.1.1 Simulink5.1.1 Simulink 6.0 6.0常用模块简介常用模块简介连续（连续（ContinuousContinuous）模块组）模块组不连续（不连续（DiscontinuitiesDiscontinuities）模块组）模块组离散（离散（DiscreteDiscrete）模块组）模块组数学运算数学运算(Math Operations)(Math Operations)模块组模块组 接收器（接收器（SinksSinks）模块组）模块组 输入源（输入源（SourcesSources）模块组）模块组5.1.2

3、Simulink5.1.2 Simulink其他工具箱模块组其他工具箱模块组 除了基本的模块组以外，还有许多其他工具箱模块组。包括：除了基本的模块组以外，还有许多其他工具箱模块组。包括：Aerospace BlocksetAerospace Blockset、CDMA Reference BlocksetCDMA Reference Blockset、Comunications Comunications BlocksetBlockset、Control System ToolboxControl System Toolbox、Dials&Gauges BlocksetDials&Gauges

4、 Blockset、Fuzzy Fuzzy Logic ToolboxLogic Toolbox、Model Predictive Control ToolboxModel Predictive Control Toolbox、Neural Network Neural Network BlocksetBlockset、RF BlocksetRF Blockset、Signal Processing BlocksetSignal Processing Blockset、SimMechanicsSimMechanics、SimPowerSystemsSimPowerSystems、Simulin

5、kSimulink Control Design Control Design、SimulinkSimulink Parameter Parameter EstimationEstimation、SimulinkSimulink Response Optimization Response Optimization、VirtureVirture Reality Reality等等。等等。这些模块组或工具箱都是针对各领域的专用工具模块。这些模块组或工具箱都是针对各领域的专用工具模块。对于自动控制系统仿真，最常用的是以下几个：对于自动控制系统仿真，最常用的是以下几个：Control System

6、Control System ToolboxToolbox、Fuzzy Logic ToolboxFuzzy Logic Toolbox、Model Predictive Control ToolboxModel Predictive Control Toolbox、Neural Network BlocksetNeural Network Blockset、Signal Processing BlocksetSignal Processing Blockset、SimMechanicsSimMechanics、SimPowerSystemsSimPowerSystems、SimulinkSi

7、mulink Control Design Control Design、SimulinkSimulink Parameter Parameter EstimationEstimation等。等。5.2 Simulink建模与仿真建模与仿真5.2.1 Simulink5.2.1 Simulink建模方法简介建模方法简介在在SimulinkSimulink Library Browser Library Browser的库中选择了所需要的模块以后，可以将的库中选择了所需要的模块以后，可以将模块拖拽到模型窗口中，这样就建立了一个模块拖拽到模型窗口中，这样就建立了一个SimulinkSimulink

8、模型。例如：模型。例如：5.2.2 5.2.2 仿真算法与控制参数选择仿真算法与控制参数选择1.1.参数设置参数设置 缺省时，缺省时，SimulinkSimulink的算法为变步长的算法为变步长ode45ode45，仿真时间为：起始，仿真时间为：起始0 0秒，终秒，终止止1010秒。从菜单栏秒。从菜单栏SimulationConfigurationSimulationConfiguration Parameters Parameters，可以打开这，可以打开这一界面，根据自己的要求，重新进行设置。一界面，根据自己的要求，重新进行设置。Solver(Solver(解题器解题器)参数设置参数设置D

9、ata Import/Export(Data Import/Export(数据输入、输出数据输入、输出)参数设置参数设置Diagnostics(Diagnostics(诊断诊断)参数设置参数设置 Hardware Implementation(Hardware Implementation(硬件实现硬件实现)参数设置参数设置Model referencing(Model referencing(模型参考模型参考)设置设置Real-Time workshop(Real-Time workshop(实时工作间实时工作间)参数设置参数设置 2.2.运行模型运行模型用户在选择适当的算法并且设置好仿真参

10、数后，就可以运行用户在选择适当的算法并且设置好仿真参数后，就可以运行SimulinkSimulink仿真模型了。有两种方法可以启动仿真：仿真模型了。有两种方法可以启动仿真：1 1）选择）选择SimulationStartSimulationStart；2 2）点击图标）点击图标“”“”。注意：缺省时，示波器历史数据只保存最后的注意：缺省时，示波器历史数据只保存最后的50005000个。如果我们希个。如果我们希望显示完整的仿真曲线，就需要将望显示完整的仿真曲线，就需要将“Limit data to last 5000”Limit data to last 5000”前面复前面复选框中的选框中的“

11、”去掉。去掉。5.2.3 Simulink5.2.3 Simulink在控制系统仿真研究中的应用举例在控制系统仿真研究中的应用举例【例【例5-15-1】某一某一SISOSISO的线性定常如图所示，试用的线性定常如图所示，试用MATLABMATLAB观测其单观测其单位阶跃响应曲线。位阶跃响应曲线。解：建立一个解：建立一个SimulinkSimulink模型文件，在其中构造如下图所示的仿真模模型文件，在其中构造如下图所示的仿真模型型 仿真运行结果仿真运行结果：【例【例5-25-2】某一非线性控制系统如图某一非线性控制系统如图5-205-20所示，判断该系统是否有稳所示，判断该系统是否有稳定的极限环

12、，并且分析该系统的稳定性。定的极限环，并且分析该系统的稳定性。解：解：根据题意，可以列写出以下方程根据题意，可以列写出以下方程1(0.50.50.5;0)21(0.50.50.5;0)ccccceccc oror建立绘制系统相轨迹的建立绘制系统相轨迹的SimulinkSimulink模型如下图所示模型如下图所示 运行仿真模型就绘制出该非线性控制系统相轨迹运行仿真模型就绘制出该非线性控制系统相轨迹从相轨迹可以看到该非线性系统具有稳定的极限环。从相轨迹可以看到该非线性系统具有稳定的极限环。再建立另一种形式的系统仿真模型，并且得到仿真结果（下图所再建立另一种形式的系统仿真模型，并且得到仿真结果（下图

13、所示）。可以看到极限环对应的等幅振荡的振幅大约为示）。可以看到极限环对应的等幅振荡的振幅大约为0.60.6；周期大；周期大约为约为6 6秒。秒。5.3 5.3 子系统与模块封装技术子系统与模块封装技术 用户也可以根据自己的需要将一些常用的子系统封装成一些模用户也可以根据自己的需要将一些常用的子系统封装成一些模块，这些模块的用法也类似于标准的块，这些模块的用法也类似于标准的SimulinkSimulink模块。并且还可以将模块。并且还可以将自己开发的一系列模块构建自己的模块集。自己开发的一系列模块构建自己的模块集。5.3.1 5.3.1 子系统概念及构成方法子系统概念及构成方法1.1.通过子系统

14、模块创建子系统通过子系统模块创建子系统 在在SimulinkSimulink的的Commonly Used BlocksCommonly Used Blocks模块集中，提供了子系统模块模块集中，提供了子系统模块（SubsystemSubsystem）,可以通过该模块创建子系统。可以通过该模块创建子系统。例如，我们可以创建一个简单的三角函数方程的子系统，如下图所例如，我们可以创建一个简单的三角函数方程的子系统，如下图所示。示。2.2.通过压缩已有的模块建立子系统通过压缩已有的模块建立子系统 按住鼠标右键并且拖动鼠标，使矩形方框包括希望建立子系统按住鼠标右键并且拖动鼠标，使矩形方框包括希望建立子

15、系统的部分，松开右键，窗口中弹出选项，选择的部分，松开右键，窗口中弹出选项，选择“Create Subsystem”,Create Subsystem”,就就完成了建立子系统的过程完成了建立子系统的过程 选中要压缩的子系统选中要压缩的子系统 压缩成子系统以后压缩成子系统以后 5.3.2 5.3.2 模块封装方法模块封装方法 创建一个封装模块的主要步骤如下：创建一个封装模块的主要步骤如下：（1 1）创建一个子系统创建一个子系统（2 2）选中该子系统模选中该子系统模块，执行模型窗口菜块，执行模型窗口菜单中的单中的“EditMaskEditMask subsystem”subsystem”命令，将命

16、令，将子系统转化为封装模子系统转化为封装模块。这时系统弹出封块。这时系统弹出封装编辑对话框（右图装编辑对话框（右图所示）。所示）。（3 3）使用封装编辑使用封装编辑对话框设置封装文本、对话框设置封装文本、对话框和图标。对话框和图标。我们以简单的三角函数方程我们以简单的三角函数方程 的子系统为例，学习如何的子系统为例，学习如何封装一个子系统。封装一个子系统。(见教材见教材8787页页)msinyAxIconIcon（图标）设置（图标）设置ParameterParameter（参数）设置（参数）设置 该页分为两个区：对话框参数区（该页分为两个区：对话框参数区（Dialog parametersDi

17、alog parameters）和已选择参数）和已选择参数选项区选项区(Options for selected parameters)(Options for selected parameters)。对话框参数区用于选择和改。对话框参数区用于选择和改变封装参数的主要性质。已选择参数选项区用于设置已选择参数的变封装参数的主要性质。已选择参数选项区用于设置已选择参数的其他选项。其他选项。Initialization(Initialization(初始化初始化)设置设置 初始化页分为两个区：对话框变量区初始化页分为两个区：对话框变量区(Dialog variables)(Dialog varia

18、bles)和初始化命令和初始化命令区（区（Initialization commandsInitialization commands）。对话框变量区显示在参数页中设置）。对话框变量区显示在参数页中设置好的子系统封装参数。初始化命令区中可以输入好的子系统封装参数。初始化命令区中可以输入MATLABMATLAB语句，如语句，如定义变量、初始化变量等。定义变量、初始化变量等。DocumentationDocumentation（文本）设置（文本）设置文本编辑页分为文本编辑页分为3 3个区：封装类型区（个区：封装类型区（Mask typeMask type）、封装描述区（）、封装描述区（Mask d

19、escriptionMask description）和封装帮助区（和封装帮助区（Mask helpMask help）。）。封装类型区中的内容将作为模块的类型显示在封装模块的对话框中。封装描述区封装类型区中的内容将作为模块的类型显示在封装模块的对话框中。封装描述区中的内容包括描述该模块功能的简短语句，该区中的内容将显示在封装模块对话中的内容包括描述该模块功能的简短语句，该区中的内容将显示在封装模块对话框的上部。封装帮助区的内容包括使用该模块的详细说明等，当选择对话框中框的上部。封装帮助区的内容包括使用该模块的详细说明等，当选择对话框中HelpHelp选项时，选项时，MATLABMATLAB的

20、帮助系统将显示该区的内容。的帮助系统将显示该区的内容。5.3.3 5.3.3 模块库构造模块库构造要构造一个模块库，在要构造一个模块库，在SimulinkSimulink库浏览器的窗口上选择：库浏览器的窗口上选择：“FileNewLibraryFileNewLibrary”,”,这时打开一个空白的模块库窗口这时打开一个空白的模块库窗口 将需要的模块（用户创建的模块或将需要的模块（用户创建的模块或SimulinkSimulink本身的系统模块）复制本身的系统模块）复制到新的库中，然后给这个模块库命名（例如：到新的库中，然后给这个模块库命名（例如：mylibrary.mdlmylibrary.md

21、l）,并且并且保存，这样就创建了自己的模块库。以后创建仿真模型需要用到该保存，这样就创建了自己的模块库。以后创建仿真模型需要用到该模块库中的模块时，首先打开该模块库，再将需要的模块拖拽到新模块库中的模块时，首先打开该模块库，再将需要的模块拖拽到新的模型编辑窗口即可。的模型编辑窗口即可。5.4 S函数及其应用函数及其应用 Simulink Simulink中的函数也称为系统函数，简称中的函数也称为系统函数，简称S S函数（函数（S-FunctionS-Function或或System Function)System Function)。当。当MATLABMATLAB所提供的模型不能完全满足用户要

22、求所提供的模型不能完全满足用户要求时，就可以通过时，就可以通过S-S-函数提供给用户自己编写程序来满足自己要求模函数提供给用户自己编写程序来满足自己要求模型的接口，它是型的接口，它是SimulinkSimulink为用户提供的一种功能强大的编程机制。为用户提供的一种功能强大的编程机制。5.4.1 S5.4.1 S函数的基本结构函数的基本结构 S-S-函数模块函数模块S-S-函数引导语句函数引导语句有些算法较为复杂的模块可以用有些算法较为复杂的模块可以用MATLABMATLAB语言按照语言按照S-S-函数的格式来函数的格式来编写。需要注意，这样构造的编写。需要注意，这样构造的S-S-函数只能用于

23、基于函数只能用于基于SimulinkSimulink的仿真，的仿真，并不能转换成独立于并不能转换成独立于MATLABMATLAB的程序。的程序。（详见教材第（详见教材第9191页）页）5.4.2 5.4.2 用用MATLABMATLAB编写编写S S函数举例函数举例【例【例5-35-3】用用m m文件文件S-S-函数实现乘法函数实现乘法 ,并且绘制当并且绘制当 时，时，u和和y的随时间变化的曲线。的随时间变化的曲线。(2)yu sinut 解题过程如下解题过程如下（1 1）为该系统写出）为该系统写出S-S-函数的模块，程序名为函数的模块，程序名为ex5_3aex5_3a，保存在，保存在work

24、work文文件夹内。其程序如下：件夹内。其程序如下：(2)(2)建立如图所示的建立如图所示的SimulinkSimulink仿真框图。仿真框图。（3 3）双击）双击S-FunctionS-Function模块，并且在对话框中输入模块，并且在对话框中输入S-S-函数名和参数名。函数名和参数名。本例中我们在本例中我们在S-Function NameS-Function Name栏中输入栏中输入ex5_3aex5_3a，就可以建立起该模，就可以建立起该模块和我们编写的块和我们编写的ex5_3a.mex5_3a.m文件之间的联系。文件之间的联系。（4 4）运行仿真，在）运行仿真，在WorkspaceW

25、orkspace中就得到中就得到touttout和和youtyout两个变量两个变量,在在MATLABMATLAB的命令窗口输入命令的命令窗口输入命令:计算机就绘制出了计算机就绘制出了u和和y的曲线图的曲线图 【例【例5-45-4】用用m m文件文件S-S-函数实现以下连续系统的状态方程函数实现以下连续系统的状态方程解题过程如下解题过程如下（1 1）为该系统写出）为该系统写出S-S-函数的模块，程序名为函数的模块，程序名为ex5_4ex5_4，保存在，保存在workwork文文件夹内。其程序如下：件夹内。其程序如下：sin()U1()tt,0001YX02022.2551.250.5462.2

26、54.251.250.2524XX+U0.250.51.251221.251.750.250.7502,(2)(2)建立如图所示的建立如图所示的SimulinkSimulink仿真框图。仿真框图。(3)(3)双击双击S-FunctionS-Function模块，并且在对话框中输入模块，并且在对话框中输入S-S-函数名和参数名。本函数名和参数名。本例中我们在例中我们在S-Function NameS-Function Name栏中输入栏中输入ex5_4ex5_4，就可以建立起该模块和，就可以建立起该模块和我们编写的我们编写的ex5_4.mex5_4.m文件之间的联系。文件之间的联系。（4 4）在

27、）在MATLABMATLAB的命令窗口输入参数的命令窗口输入参数A A、B B、C C、D D矩阵，在矩阵，在WorkspaceWorkspace中就存有这些矩阵中就存有这些矩阵 计算机就绘制出了变量曲线图，如图所示。计算机就绘制出了变量曲线图，如图所示。（5 5）运行仿真，在）运行仿真，在WorkspaceWorkspace中就得到中就得到touttout和和youtyout两个变量。其中输两个变量。其中输出变量出变量youtyout的前两列为系统的输出信号，后的前两列为系统的输出信号，后4 4列为系统的状态变量。列为系统的状态变量。在在MATLABMATLAB的命令窗口输入命令的命令窗口输入命令:第第 5 5 章章 结结 束束