【正文】 MATLAB/Simulink設(shè)計 計算機仿真技術(shù) 第 7講 MATLAB/Simulink設(shè)計 Simulink簡介 模塊庫及簡單建模 仿真運行及參數(shù)調(diào)整 子系統(tǒng) S函數(shù) 1. Simulink簡介 ? Simulink 中的“ Simu”一詞表示可用于計算機仿真，而“ Link”一詞表示它能進行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型。 ? Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。它讓用戶把精力從編程轉(zhuǎn)向模型的構(gòu)造 .使用Simulink來建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng) (包括 連續(xù)系統(tǒng) 、 離散系統(tǒng) 和 混合系統(tǒng) )，將是一件非常輕松的事情。 ? 利用 Simulink進行系統(tǒng)的建模仿真，其最大的優(yōu)點是易學(xué)、易用，并能依托 MATLAB提供的豐富的仿真資源。 ? 近幾年來，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域， Simulink已經(jīng)成為動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的軟件之一。 Simulink可以很方便地創(chuàng)建和維護一個完整地模塊，評估不同地算法和結(jié)構(gòu)，并驗證系統(tǒng)的性能。由于 Simulink是采用模塊組合方式來建模，從而可以使得用戶能夠快速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機仿真模型，特別是對復(fù)雜的不確定非線性系統(tǒng)，更為方便。 ? Simulink模型可以用來模擬線性和非線性、連續(xù)和離散或者兩者的混合系統(tǒng)，也就是說它可以用來模擬幾乎所有可能遇到動態(tài)系統(tǒng)。另外 Simulink還提供一套圖形動畫的處理方法，使用戶可以方便的觀察到仿真的整個過程。 ? Simulink沒有單獨的語言，但是它提供了 S函數(shù)規(guī)則。所謂的 S函數(shù)可以是一個 M函數(shù)文件、 FORTRAN程序、 C或 C++語言程序等 ,通過特殊的語法規(guī)則使之能夠被 Simulink模型或模塊調(diào)用。 S函數(shù)使 Simulink更加充實、完備，具有更強的處理能力。 ? 提供了仿真庫的擴充和定制機制 – Simulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴展仿真環(huán)境的功能：采用 MATLAB、 FORTRAN和 C代碼生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。 ? 與 MATLAB工具箱的集成 –由于 Simulink可以直接利用 MATLAB的諸多資源與功能，因而用戶可以直接在 Simulink下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、優(yōu)化參數(shù)等工作。 Simulink應(yīng)用領(lǐng)域 simulink在 matlab家族中的位置 Toolboxes MATLAB piler Blockset simulink RTW Stateflow coder Simulink的啟動主要有以下兩種方法： –在 MATLAB的命令窗口中輸入 simulink,結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個 Simulink Library Browser的窗口。 –單擊 MATLAB主窗口的快捷按鈕 ，打開Simulink Library Browser窗口 。 matlab函數(shù)仿真與 simulink仿真的區(qū)別 數(shù)據(jù)流仿真 按照數(shù)據(jù)流的順序，依次執(zhí)行，即處理的數(shù)據(jù)首先通過一個運算階后在激活下一個運算階。 例如： m=16。 n=15。 k=11。 fc=10000。 fd=1000。 fs=100000。 msg=randint(k*100,1)。 code=encode(msg,n,k,39。bch39。)。 modu=dmod(code,fc,fd,fs,39。qask39。,m)。 modu_noise=modu+randn(length(modu),1)。 demo=ddemod(modu_noise,fc,fd,fs,39。qask39。,m)。 msg_r=decode(demo,n,k,39。bch39。)。 rate=biterr(msg,msg_r)。 時間流仿真 所有模塊在同一時間步長上同時執(zhí)行。 信號發(fā)生 差錯控制編碼 數(shù)字調(diào)制 差錯控制譯碼 信宿 時間 數(shù)據(jù) Simulink模型窗口的建立 在 Simulink中打開一個空白的模型窗口的方法： ? 選中 Simulink菜單系統(tǒng)中的 File | New | Model菜單項后，會生成一個 Simulink窗口； ? 單擊 Simulink工具欄中的“新建模型”圖標(biāo)； ? 在 MATLAB的命令窗口中選擇 File | New | New Model菜單項； 第七章 Simulink建模和仿真 Simulink的概述和基本操作 圖 Simulink模型元素關(guān)聯(lián)圖 源 模 塊 顯 示 模 塊系 統(tǒng) 模 塊 基本操作 一、模型基本結(jié)構(gòu) 一個典型的 Simulink模型包括如下三種類型的元素： ① 信號源模塊 ② 被模擬的系統(tǒng)模塊 ③ 輸出顯示模塊 如圖 。系統(tǒng)模塊作為中心模塊是 Simulink仿真建模所要解決的主要部分；信號源為系統(tǒng)的輸入，它包括常數(shù)信號源函數(shù)信號發(fā)生器（如正弦和階躍函數(shù)波等）和用戶自己在 Matlab中創(chuàng)建的自定義信號或 Matlab工作間中三種。輸出模塊主要在 Sinks庫中。 第七章 Simulink建模和仿真 Simulink的概述和基本操作 ? Simulink模型并不一定要包含全部的三種元素，在實際應(yīng)用中通?？梢匀鄙倨渲械囊粋€或兩個。例如，若要模擬一個系統(tǒng)偏離平衡位置后的恢復(fù)行為，就可以建立一個沒有輸入而只有系統(tǒng)模塊加一個顯示模塊的模型。在某種情況下，也可以建立一個只有源模塊和顯示模塊的系統(tǒng)。若需要一個由幾個函數(shù)復(fù)合的特殊信號，則可以使用源模塊生成信號并將其送入 Matlab工作間或文件中。 二、仿真運行原理 Simulink仿真包括兩個階段；初始化階段和模型執(zhí)行階段 (1) 模塊初始化 在初始化階段主要完成以下工作 ： ① 模型參數(shù)傳給 Matlab進行估值，得到的數(shù)值結(jié)果將作為模型的實際參數(shù)； ② 展開模型的各個層次，每一個非條件執(zhí)行的子系統(tǒng)被它所包含的模塊所代替； 第七章 Simulink建模和仿真 Simulink的概述和基本操作 ③ 模型中的模塊按更新的次序進行排序。排序算法產(chǎn)生一個列表以確保具有代數(shù)環(huán)的模塊在產(chǎn)生它的驅(qū)動輸入的模塊被更新后才更新。當(dāng)然，這一步要先檢測出模型中存在的代數(shù)環(huán)。 ④ 決定模型中有無顯示設(shè)定的信號屬性，例如名稱、數(shù)據(jù)類型、數(shù)值類型以及大小等，并且檢查每個模塊是否能夠接受連接到它輸入端的信號。 Simulink使用屬性傳遞的過程來確定未被設(shè)定的屬性，這個過程將源信號的屬性傳遞到它所驅(qū)動的模塊的輸入信號； ⑤ 決定所有無顯示設(shè)定采樣時間的模塊的采樣時間； ⑥ 分配和初始化用于存儲每個模塊的狀態(tài)和輸入當(dāng)前值的存儲空間。 完成這些工作后就可以進行仿真了。 2) 模型執(zhí)行 一般模型是使用數(shù)值積分來進行仿真的。所運用的仿真解法器（仿真算法）依賴于模型提供它的連續(xù)狀態(tài)微分能力。計算微分可以分兩步進行： 第七章 Simulink建模和仿真 Simulink的概述和基本操作 ① 首先，按照排序所決定的次序計算每個模塊的輸出。 ? ② 然后，根據(jù)當(dāng)前時刻的輸入和狀態(tài)來決定狀態(tài)的微分；得到微分向量后再把它返回給解法器；后者用來計算下一個采樣點的狀態(tài)向量。一旦新的狀態(tài)向量計算完畢，被采樣的數(shù)據(jù)源模塊和接受模塊才被更新。 ? 在仿真開始時模型設(shè)定待仿真系統(tǒng)的初始狀態(tài)和輸出。在每一個時間步中， Simulink計算系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)和輸出，并更新模型來反映計算出的值。在仿真結(jié)束時，模型得出系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)和輸出。 ? 在每個時間步中， Simulink所采取的動作依次為： ? ① 按排列好的次序更新模型中模塊的輸出。 Simulink通過調(diào)用模塊的輸出函數(shù)計算模塊的輸出。 Simulink只把當(dāng)前值、模塊的輸入以及狀態(tài)量傳給這些函數(shù)計算模塊的輸出。對于離散系統(tǒng)， Simulink只有在當(dāng)前時間是模塊采樣時間的整數(shù)倍時，才會更新模塊的輸出。 第七章 Simulink建模和仿真 Simulink的概述和基本操作 ? ② 按排列好的次序更新模型中模塊的狀態(tài)， Simulink計算一個模塊的離散狀態(tài)的方法時調(diào)用模塊的離散狀態(tài)更新函數(shù)。而對于連續(xù)狀態(tài)，則對連續(xù)狀態(tài)的微分（在模塊可調(diào)用的函數(shù)里，有一個用于計算連續(xù)微分的函數(shù)）進行數(shù)值積分來獲得當(dāng)前的連續(xù)狀態(tài)。 ? ③ 檢查模塊連續(xù)狀態(tài)的不連續(xù)點。 Simulink使用過零檢測來檢測連續(xù)狀態(tài)的不連續(xù)點。 ? ④ 計算下一個仿真時間步的時間。這是通過調(diào)用模塊獲得下一個采樣時間函數(shù)來完成的。 ? (3) 定模塊更新次序 ? 在仿真中， Simulink更新狀態(tài)和輸出都要根據(jù)事先確定的模塊更新次序，而更新次序?qū)Ψ结樈Y(jié)果的有效性來說非常關(guān)鍵。特別當(dāng)模塊的輸出是當(dāng)前輸入值的函數(shù)時，這個模塊必須在驅(qū)動它的模塊被更新之后才能被更新，否則，模塊的輸出將沒有意義。 第七章 Simulink建模和仿真 Simulink的概述和基本操作 ? 注意： 不要把模塊保存到模塊文件的次序與仿真過程模塊被更新的次序相混淆。 Simulink在模塊初始化時以將模塊排好正確的次序。 ? 為了建立有效的更新次序， Simulink根據(jù)輸入和輸出的關(guān)系將模塊分類。其中，當(dāng)前輸出依賴于當(dāng)前輸入的模塊稱為直接饋入模塊，所有其他的模塊都稱為非虛擬模塊。直接饋入模塊的例子有Gain、 Product和 Sum模塊；非直接饋入模塊的例子有 Integrator模塊 (它的輸出只依賴于它的狀態(tài) )， Constant模塊 (沒有輸入 )和Memory模塊 (它的輸出只依賴于前一個模塊的輸入 )。 ? 基于上述分類， Simulink使用下面兩個基本規(guī)則對模塊進行排序： ? ① 每個模塊必須在它驅(qū)動的所有模塊更新之前被更新。這條規(guī)則確保了模塊被更新時輸入有效。 ? ② 若非直接饋入模塊在直接饋入模塊之前更新，則它們的更新次序可以是任意的。這條規(guī)則允許 Simulink在排序過程中忽略非虛擬模塊。 ? 另外一個約束模塊更新次序的因素是用戶給模塊設(shè)定優(yōu)先級，Simulink在低優(yōu)先級模塊之前更新高優(yōu)先級模塊。 SIMULINK模型 ? 外表：直觀的方框圖 ? 文件： MDL文件 ? 數(shù)學(xué)：微分方程或差分方程 ? 行為：模擬物理過程的動態(tài)性狀 Simulink動態(tài)仿真 Simulink 基本操作 ? 利用 Simulink進行系統(tǒng)仿真的步驟是： ① 啟動 Simulink，打開 Simulink模塊庫 ② 打開空白模型窗口； ③ 建立 Simulink仿真模型； ④ 設(shè)置仿真參數(shù)，進行仿真； ⑤ 輸出仿真結(jié)果。 Simulink仿真過程 1． 初始化階段 ① 對模型的參數(shù)進行估計 ， 得到它們實際計算的值 。 ② 展開模型的各個層次； ③ 按照更新的次序?qū)δＰ瓦M行排序； ④ 確定那些顯式化的信號屬性 ， 并檢查每個模塊是否能夠接受連接它們輸入端的信號； ⑤ 確定所有非顯式的信號采樣時間模塊的采樣時間； ⑥ 分配和初始化存儲空間 ， 以便存儲每個模塊的狀態(tài)和當(dāng)前值的輸出 。 2． 模型執(zhí)行階段 模型仿真是通過數(shù)值積分來進行完成的 ， 計算數(shù)值積分可以采用以下兩步來進行： ①