【正文】 研究生課程 材料科學(xué)與工程學(xué)院 控制與接口技術(shù) 主講教師：葉春生 Tel:02787558370 華中科技大學(xué)材料學(xué)院 華中科技大學(xué) 研究生課程 2 2022/5/27 控制與接口技術(shù) ?第一章 緒論 ?第二章 線性離散系統(tǒng)的分析與校正 ?第三章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析與綜合 ?第四章 STM32處理器及其應(yīng)用 ?第五章 數(shù)控（ CNC）系統(tǒng)及其插補(bǔ)原理 ?第六章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ?第七章 SIMULINK交互式仿真集成環(huán)境 華中科技大學(xué) 研究生課程 3 2022/5/27 ? Simulink的概述和基本操作 ? 基本模塊 ? 建模方法 ? 系統(tǒng)仿真舉例 ? ? 回調(diào) ? S函數(shù) ?本章小結(jié) 內(nèi)容提要 華中科技大學(xué) 研究生課程 4 2022/5/27 概述 ? 在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，許多科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)由于其復(fù)雜性越來越高，因此與計(jì)算機(jī)的接合日趨緊密。也正是計(jì)算機(jī)技術(shù)的介入，改變了許多學(xué)科的結(jié)構(gòu)、研究?jī)?nèi)容和研究方向。例如，計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算物理學(xué)、計(jì)算聲學(xué)等新興學(xué)科的興起，均與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展分不開?？刂评碚?、仿真技術(shù)本身與計(jì)算機(jī)的接合就十分緊密，而隨著專業(yè)領(lǐng)域的研究深入和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，這種聯(lián)系呈現(xiàn)更加緊密。計(jì)算控制論的建立，足以說明這個(gè)問題。而這種發(fā)展，又以系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展分不開的。 ? 為了滿足用戶對(duì)工程計(jì)算的要求，一些軟件公司相繼推出一批數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件，如 Matlab、 Xmath、 Mathematica、Maple等。其中 MathWorks公司推出的 Matlab由于有強(qiáng)大的功能和友好的用戶界面受到越來越多的科技工作者的青睞，尤其是控制領(lǐng)域的專家和學(xué)者 . 華中科技大學(xué) 研究生課程 5 2022/5/27 ? Matlab具有友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境、簡(jiǎn)單易學(xué)的編程語言、強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力、出色的圖形和圖像處理功能、能適應(yīng)多領(lǐng)域應(yīng)用的工具葙、適應(yīng)多種語言的程序接口、模塊化的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)的仿真功能等，諸多的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。 ? 支持 Matlab仿真是 Simulink工具箱， Simulink一般可以附在Matlab上同時(shí)安裝，也有獨(dú)立版本來單獨(dú)使用。但大多數(shù)用戶都是附在 Matlab上，以便能更好地發(fā)揮 Matlab在科學(xué)計(jì)算上的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步擴(kuò)展 Simulink的使用領(lǐng)域和功能。 ? 本章詳細(xì)地向用戶介紹 Simulink地建模方法、使用操作、以及使用 Simulink進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的仿真和設(shè)計(jì)原理。 使讀者通過本章地學(xué)習(xí)，不但可以進(jìn)一步掌握計(jì)算機(jī)仿真的基本概念和理論，也可以初步學(xué)會(huì)使用 Simulink去真正地運(yùn)用仿真技術(shù)解決科研和工程中地實(shí)際問題。 華中科技大學(xué) 研究生課程 6 2022/5/27 Simulink的概述和基本操作 ? 近幾年來，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域， Simulink已經(jīng)成為動(dòng)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(hù)一個(gè)完整地模塊，評(píng)估不同地算法和結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)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(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型，特別是對(duì)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)。另外 Simulink還提供一套圖形動(dòng)畫的處理方法，使用戶可以方便的觀察到仿真的整個(gè)過程。 ? Simulink沒有單獨(dú)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(gè) 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(shí)、完備，具有更強(qiáng)的處理能力。 華中科技大學(xué) 研究生課程 7 2022/5/27 ? 同 Matlab一樣， Simulink也不是封閉的 ,他允許用戶可以很方便的定制自己的模塊和模塊庫。 同時(shí) Simulink也同樣有比較完整的幫助系統(tǒng)，使用戶可以隨時(shí)找到對(duì)應(yīng)模塊的說明，便于應(yīng)用。 ? 綜上所述， Simulink就是一種開放性的，用來模擬線性或非線性的以及連續(xù)或離散的或者兩者混合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)有力的系統(tǒng)級(jí)仿真工具。 ? 目前，隨著軟件的升級(jí)換代，在軟硬件的接口方面有了長足的進(jìn)步，使用 Simulink可以很方便地進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)控制和處理、信息通信以及 DSP的處理。世界上許多知名的大公司已經(jīng)使用 Simulink作為他們產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的強(qiáng)有力工具。 華中科技大學(xué) 研究生課程 8 2022/5/27 第七章 Simulink建模和仿真 Simulink的概述和基本操作 源 模 塊 顯 示 模 塊系 統(tǒng) 模 塊圖 Simulink模型元素關(guān)聯(lián)圖 基本操作 一、模型基本結(jié)構(gòu) 一個(gè)典型的 Simulink模型包括如下三種類型的元素： ① 信號(hào)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(hào)源為系統(tǒng)的輸入，它包括常數(shù)信號(hào)源函數(shù)信號(hào)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(hào)或 Matlab工作間中三種。輸出模塊主要在 Sinks庫中。 華中科技大學(xué) 研究生課程 9 2022/5/27 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(shí)際應(yīng)用中通常可以缺少其中的一個(gè)或兩個(gè)。例如，若要模擬一個(gè)系統(tǒng)偏離平衡位置后的恢復(fù)行為，就可以建立一個(gè)沒有輸入而只有系統(tǒng)模塊加一個(gè)顯示模塊的模型。在某種情況下，也可以建立一個(gè)只有源模塊和顯示模塊的系統(tǒng)。若需要一個(gè)由幾個(gè)函數(shù)復(fù)合的特殊信號(hào)，則可以使用源模塊生成信號(hào)并將其送入 Matlab工作間或文件中。 二、仿真運(yùn)行原理 Simulink仿真包括兩個(gè)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(jìn)行估值，得到的數(shù)值結(jié)果將作為模型的實(shí)際參數(shù)； ② 展開模型的各個(gè)層次，每一個(gè)非條件執(zhí)行的子系統(tǒng)被它所包含的模塊所代替； 華中科技大學(xué) 研究生課程 10 2022/5/27 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(jìn)行排序。排序算法產(chǎn)生一個(gè)列表以確保具有代數(shù)環(huán)的模塊在產(chǎn)生它的驅(qū)動(dòng)輸入的模塊被更新后才更新。當(dāng)然，這一步要先檢測(cè)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(hào)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(gè)模塊是否能夠接受連接到它輸入端的信號(hào)。 Simulink使用屬性傳遞的過程來確定未被設(shè)定的屬性，這個(gè)過程將源信號(hào)的屬性傳遞到它所驅(qū)動(dòng)的模塊的輸入信號(hào)； ⑤ 決定所有無顯示設(shè)定采樣時(shí)間的模塊的采樣時(shí)間； ⑥ 分配和初始化用于存儲(chǔ)每個(gè)模塊的狀態(tài)和輸入當(dāng)前值的存儲(chǔ)空間。 完成這些工作后就可以進(jìn)行仿真了。 2) 模型執(zhí)行 一般模型是使用數(shù)值積分來進(jìn)行仿真的。所運(yùn)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(jì)算微分可以分兩步進(jìn)行： 華中科技大學(xué) 研究生課程 11 2022/5/27 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(jì)算每個(gè)模塊的輸出。 ? ② 然后，根據(jù)當(dāng)前時(shí)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(jì)算下一個(gè)采樣點(diǎn)的狀態(tài)向量。一旦新的狀態(tài)向量計(jì)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(shí)模型設(shè)定待仿真系統(tǒng)的初始狀態(tài)和輸出。在每一個(gè)時(shí)間步中， Simulink計(jì)算系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)和輸出，并更新模型來反映計(jì)算出的值。在仿真結(jié)束時(shí)，模型得出系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)和輸出。 ? 在每個(gè)時(shí)間步中， Simulink所采取的動(dòng)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(jì)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(jì)算模塊的輸出。對(duì)于離散系統(tǒng)， Simulink只有在當(dāng)前時(shí)間是模塊采樣時(shí)間的整數(shù)倍時(shí)，才會(huì)更新模塊的輸出。 華中科技大學(xué) 研究生課程 12 2022/5/27 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(jì)算一個(gè)模塊的離散狀態(tài)的方法時(shí)調(diào)用模塊的離散狀態(tài)更新函數(shù)。而對(duì)于連續(xù)狀態(tài)，則對(duì)連續(xù)狀態(tài)的微分（在模塊可調(diào)用的函數(shù)里，有一個(gè)用于計(jì)算連續(xù)微分的函數(shù)）進(jìn)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(diǎn)。 Simulink使用過零檢測(cè)來檢測(cè)連續(xù)狀態(tài)的不連續(xù)點(diǎn)。 ? ④ 計(jì)算下一個(gè)仿真時(shí)間步的時(shí)間。這是通過調(diào)用模塊獲得下一個(gè)采樣時(shí)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(shí)，這個(gè)模塊必須在驅(qū)動(dòng)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。 華中科技大學(xué) 研究生課程 13 2022/5/27 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(shí)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(gè)模塊的輸入 )。 ? 基于上述分類， Simulink使用下面兩個(gè)基本規(guī)則對(duì)模塊進(jìn)行排序： ? ① 每個(gè)模塊必須在它驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)約束模塊更新次序的因素是用戶給模塊設(shè)定優(yōu)先級(jí)，Simulink在低優(yōu)先級(jí)模塊之前更新高優(yōu)先級(jí)模塊。 華中科技大學(xué) 研究生課程 14 2022/5/27 第七章 Simulink建模和仿真 基本模塊 ? 由于大多數(shù)物理系統(tǒng)都可以用微分方程組和代數(shù)方程組來描述， Simulink也采用的是本教材第四章介紹的面向結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真原理。但其功能塊的類型、數(shù)值解法、功能快的描述、以及建模方式和方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 CSS仿真程序包，其界面也更加友好。 ? Simulink 4把功能塊分成 9類，分別放置在 9個(gè)庫中，如圖：源模塊庫 (Sources)、輸出顯示庫 (Sinks)、離散模塊庫 (Discrete)、連續(xù)模塊庫 (Continuous)、非線性模塊庫 (Nonlinear)、數(shù)學(xué)函數(shù)庫 (Math)、通用函數(shù)及列表庫(Functions and Tables)、信號(hào)處理及系統(tǒng)類模塊庫(Signal and Systems)和子系統(tǒng)模塊庫 (Subsystems)。 ? 表 。圖 。 華中科技大學(xué) 研究生課程 15 2022/5/27 第七章 Simulink建模和仿真 基本模塊 表 Source庫 模 塊 名 說 明 Clock 顯示或者提供仿真時(shí)間 Constant 產(chǎn)生一個(gè)常數(shù)值信號(hào) Digital clock 產(chǎn)生數(shù)字采樣時(shí)間信號(hào) Digital pulse generator 產(chǎn)生數(shù)字脈沖信號(hào) From file 從文件讀取數(shù)據(jù)輸入 From work space 從工作間定義的矩陣讀入數(shù)據(jù) Pulse generator 產(chǎn)生脈沖信號(hào) Ramp 產(chǎn)生 “ 斜坡 ” 信號(hào) Random number 產(chǎn)生正態(tài)分布的隨機(jī)信號(hào) Repeating sequence 產(chǎn)生周期序列信號(hào) Signal generator 信號(hào)發(fā)生器 Sine wave 正弦波信號(hào) Step 產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào) Uniform random number 產(chǎn)生均勻分布的隨機(jī)信號(hào) 華中科技大學(xué) 研究生課程 16 202