【正文】 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)。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。輸出模塊主要在 Sinks庫(kù)中。 ? 目前，隨著軟件的升級(jí)換代，在軟硬件的接口方面有了長(zhǎng)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。 S函數(shù)使 Simulink更加充實(shí)、完備，具有更強(qiáng)的處理能力。 ? Simulink模型可以用來(lái)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(shuō)它可以用來(lái)模擬幾乎所有可能遇到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 使讀者通過(guò)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(wèn)題。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(lái)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(yǔ)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(yǔ)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)?？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。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(lái)越高，因此與計(jì)算機(jī)的接合日趨緊密。計(jì)算控制論的建立，足以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。 ? 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(lái)單獨(dú)使用。 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(lái)，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。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(guò)程。 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(kù)。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 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?？梢匀鄙倨渲械囊粋€(gè)或兩個(gè)。 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。 Simulink使用屬性傳遞的過(guò)程來(lái)確定未被設(shè)定的屬性，這個(gè)過(guò)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(wú)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。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。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(lái)反映計(jì)算出的值。 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。 ? ③ 檢查模塊連續(xù)狀態(tài)的不連續(xù)點(diǎn)。 ? (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(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。 ? 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。這條規(guī)則確保了模塊被更新時(shí)輸入有效。 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(lái)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。圖 。 Tables庫(kù) 華中科技大學(xué) 研究生課程 31 2022/5/27 第七章 Simulink建模和仿真 基本模塊 在 Simulink中，各功能模塊的參數(shù)描述都可以由用戶通過(guò)該模塊的模塊屬性對(duì)話框進(jìn)行操作給出或修改。 (2) initial condition source 此項(xiàng)用來(lái)從初始條件參數(shù)或外部模塊中獲取初始條件。 (6) Lower saturation limit此參數(shù)用來(lái)設(shè)置飽和度下限。 圖 積分模塊屬性對(duì)話框 華中科技大學(xué) 研究生課程 33 2022/5/27 第七章 Simulink建模和仿真 建模方法 利用 Simulink建立物理系統(tǒng)和數(shù)學(xué)系統(tǒng)的仿真模型， 關(guān)鍵是對(duì) Simulink提供的功能模塊進(jìn)行操作，即用適當(dāng)?shù)姆绞綄⒏鞣N模塊連接在一起。 華中科技大學(xué) 研究生課程 34 2022/5/27 第七章 Simulink建模和仿真 建模方法 ? 模塊的操作 ? 模塊是建立 Simulink模型的基本單元。此過(guò)程如圖 。 ? 當(dāng)然還可以使用 Edit菜單的 Copy和 Paste命令來(lái)完成復(fù)制：先選定要復(fù)制的模塊，選擇 Edit菜單下的 Copy命令，到目標(biāo)窗口的Edit菜單下選擇 Paste命令。 ? 在圖 的基礎(chǔ)上又加了編號(hào)，這是 Simulink的約定：每個(gè)模型中的模塊和名稱是一一對(duì)應(yīng)的，相同的模塊或不同的模塊都不能用同一個(gè)名字。只要雙擊要設(shè)置參數(shù)的模塊就會(huì)彈出設(shè)置對(duì)話框，如圖 。它包括如下幾項(xiàng)： ? (1) 說(shuō)明（ Description） ? 是對(duì)該模塊在模型中用法的注釋。 ? (3) 標(biāo)記 (Tag） ? 用戶為模塊添加的文本格式的標(biāo)記。例如，對(duì)一個(gè)傳遞函數(shù)模塊指定如下的屬性格式字符串： ? 優(yōu)先級(jí)＝％ priority\n傳函分母＝％ Denominator ? 該模塊顯示如圖 ： 如果參數(shù)的值不是字符串或數(shù)字，參數(shù)值的位置會(huì)顯示 N/S(not supported)。 Flip Block使模塊旋轉(zhuǎn) 180186。 圖 模塊的陰影效果 圖 調(diào)整模塊的方向 華中科技大學(xué) 研究生課程 42 2022/5/27 第七章 Simulink建模和仿真 建模方法 ? 五、模塊名的處理 ? (1) 模塊名的顯示與否選定模塊，選取菜單 Format下的 Hide Name，模塊名就會(huì)被隱藏，同時(shí) Hide Name改為 Show Name。 ? 因此模塊名只能從原位置移到相對(duì)的位置。一下我們將討論模塊連接的相關(guān)問(wèn)題。要用斜線表示，需要在連接時(shí)按住 Shift鍵。 ? 還有一種情況如圖 ，要把一條直線分成斜線段。如圖 ，要把正弦波信號(hào)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)還要到存到文件。如圖 ，模塊 State Space的輸入為二維矩陣，在加粗的輸入輸出線的上方分別標(biāo)出了相應(yīng)矩陣的維數(shù)。 建立信號(hào)標(biāo)記的辦法是：雙擊要做標(biāo)記的線段，出現(xiàn)一個(gè)小 文本編輯框，在里面輸入標(biāo)記的文本，這樣就建立了一個(gè)信 號(hào)標(biāo)記。如圖 。因此，我們對(duì)其建模有以下基本要求： ? 清晰性 ? 一個(gè)大的系統(tǒng)往往由許多子系統(tǒng)組成，因此對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)模型也由許多子模型組成。如研究空中管制問(wèn)題，所關(guān)心的是飛機(jī)質(zhì)心動(dòng)力學(xué)與坐標(biāo)動(dòng)力學(xué)模型；如果研究飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性問(wèn)題，則關(guān)心的是飛機(jī)繞質(zhì)心的動(dòng)力學(xué)和駕駛儀動(dòng)力學(xué)模型。 ? 集合性 ? 這是指把一些個(gè)別的實(shí)體能組成更大實(shí)體的程度，有時(shí)要盡量從能合并成一個(gè)大的實(shí)體的角度考慮對(duì)一個(gè)系統(tǒng)實(shí)體的分割。 xeFwFhF?圖 斜坡上的汽車 由牛頓第二定律，汽車的運(yùn)動(dòng)方程為： hwe FFFxm ?????eFKgF e 100,1 0 0 02 0 0 0 汽車的質(zhì)量為假設(shè)－ ??其中 m代表汽車的質(zhì)量， x為汽車的位移 。其中 ? 其中，表示空氣的密度，表示汽車速度與風(fēng)速之和。于是選 。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力的上界和下界由兩個(gè)最值模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)（也可以用非線性模塊庫(kù)中的飽和模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)）。顯示模塊（ Display）用作速度表，而示波器模塊（ Scope）則記錄了速度變化曲線，如圖 。 ? 例 為了說(shuō)明混和系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)，可以對(duì)例 的連續(xù)控制器用一個(gè)采樣時(shí)間為 0。這三個(gè)部分都對(duì)計(jì)算誤差v進(jìn)行 操作。 ? 微分部分在模型中起衰減的作用。其中 ? 此模型除控制器 ? 的部分之外都與例 1是完全相同的。 ? 控制器的微分部分包括一個(gè)離散傳遞函數(shù)模塊和一個(gè)增益模塊。根據(jù)前面的介紹，基本可以創(chuàng)建任何物理系統(tǒng)的模型。 第七章 Simulink建模和仿真 華中科技大學(xué) 研究生課程 61 2022/5/27 ? Simulink子系統(tǒng) ? 絕大多數(shù)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言都有使用子程序的功能。在這種情況下，子系統(tǒng)通過(guò)把大的模型分割成幾個(gè)小的模型系統(tǒng)以使得整個(gè)系統(tǒng)模型更簡(jiǎn)捷、可讀性更高，而且這種操作并不復(fù)雜。在圖 ，將模型的這兩個(gè)部分轉(zhuǎn)化為子系統(tǒng)。在本例中，如果要比較在同一控制系統(tǒng)控制下不同發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，只需要替換新的發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)而不是重建一個(gè)新的系統(tǒng)。一種辦法是對(duì)已存在的模型的某些部分或全部使用菜單命令 【 Edit/Create Subsystem】 進(jìn)行壓縮轉(zhuǎn)化，使之成為子系統(tǒng)； 圖 選中要壓縮的模塊 華中科技大學(xué) 研究生課程 66 2022/5/27 第七章 Simulink建模和仿真 注意：在這種情況下只能用范圍框，而不能用 Shift逐個(gè)選定。輸入端口和輸出端口的默認(rèn)名分別為 In1和 Out1。改變它們的標(biāo)簽會(huì)使子系統(tǒng)的輸入輸出端口的標(biāo)簽也隨著變化。 二、子系統(tǒng)模塊 在創(chuàng)建模型的時(shí)候，如果需要一個(gè)子系統(tǒng)，也可以直接在子系統(tǒng)窗口中創(chuàng)建。雙擊子系統(tǒng)模塊，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)子系統(tǒng)編輯窗口。子系統(tǒng)作為模型的一部分，當(dāng)模型被保存時(shí)，子系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存。復(fù)制兩次此子系統(tǒng)模塊，并如圖 接起來(lái)。設(shè)置速度積分模塊的初始值為 0，位置積分模塊的初始值為 1。這里使用了一個(gè)名為 set_k_m 的 M文件對(duì)它進(jìn)行賦值，如下所示： ? amp。 ? m1=1。 ? 然后，指定示波器模塊把顯示數(shù)據(jù)保存到工作間中，并設(shè)置仿真的起始時(shí)間（ StartTime）為 0，終止時(shí)間（ StopTime）為 100。 為了更好的理解封裝的含義，見圖 。對(duì)話框的結(jié)構(gòu)與形式都和“原裝”的模型毫無(wú)兩樣。選中此模塊，在窗口的菜單中執(zhí)行【 EditMask subsystem】 指令，彈出如圖 。它也包括三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都為一個(gè)自由區(qū)，既可填寫也可以不填寫。 ? Block help：當(dāng)對(duì)話框中的 【 help】 按鈕按下時(shí)， MATLAB的幫助系統(tǒng)將顯示此區(qū)中的內(nèi)容，其內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括使用此模塊的詳細(xì)說(shuō)明。此封裝類型區(qū)與文本頁(yè)中的封裝類型區(qū)是等同的，可以在任意一頁(yè)中定義或改變封裝類型。 華中科技大學(xué) 研究生課程 79 2022/5/27 第七章 Simulink建模和仿真 封裝子系統(tǒng)與非封裝子