第 7 章 Simulink的应用 第7章 Simulink的应用 7.1 Simulink工作平台的启动 7.2 Simulink仿真原理7.3 Simulink模块库7.4 仿真模型的建立和模块参数及属性的设置7.5 其他应用模块集及Simulink扩展库第 7 章 Simulink的应用 7.1 Simulink工作平台启动Simulink，通常有两种方法： （1）在MATLAB命令窗口中直接输入Simulink命令；（2）在MATLAB工具栏上单击Simulink按钮，如图7.1所示。 图7.1 启动Simulink这样就可打开了Simulink的Simulink Library Brower(库模块浏览器)，如图7.2所示 。在菜单栏中执行File/New/Model命令，就建立了一个名为untitled的模型窗口，如图 7.3所示。在建立了空的模块窗口后，用户可以在此窗口中创建自己需要的Simulink模型。第 7 章 Simulink的应用 图7.2库模块浏览器 图7.3 新建的空白模块窗口 第 7 章 Simulink的应用 7.2 Simulink的仿真原理7.2.1 Simulink仿真模块通常，Simulink仿真系统包括输入(Input)、状态(states)和输出(Output)三个部分。输入模块：即信号源模块，包括常数字信号源和用户自定义信号； 状态模块：即被模拟的系统模块，是系统建模的核心和主要部分； 输出模块：即信号显示模块，它能够以图形方式、文件格式进行显示。注意：在设计一个模型时，必须先确定这三个部分的意，以及它们之间的联系； Simulink的仿真模型并非一定要完全包括这三个部分，它可以缺少其中一个或者两个； Simulink的状态模块可以是连续的、离散的，或者它们二者的结合。第 7 章 Simulink的应用 7.2.2 Simulink仿真过程1初始化阶段 对模型的参数进行估计，得到它们实际计算的值。 展开模型的各个层次； 按照更新的次序对模型进行排序； 确定那些显式化的信号属性，并检查每个模块是否能够接受连接它们输入端的信号； 确定所有非显式的信号采样时间模块的采样时间； 分配和初始化存储空间，以便存储每个模块的状态和当前值的输出。2模型执行阶段模型仿真是通过数值积分来进行完成的，计算数值积分可以采用以下两步来进行： 按照秩序计算每个模块的积分； 根据当前输入和状态来决定状态的微分，得到微分矢量，然后把它返回给解法器 ，以计算下一个采样点的状态矢量。在每一个时间步中，Simulink依次解决下列问题：按照秩序更新模块的输出；按照秩序更新模块的状态；检查模块连续状态的不连续点；计算下一个仿真时间步的时间。第 7 章 Simulink的应用 7.3.1 连续模块库(Continuous)在连续模块(Continuous)库中包括了常见的连续模块，这些模块如图所示。 7.3 Simulink模块库在库模块浏览器中单击Simulink前面的“+”号，就能够看到Simulink的模块库 ，如图7.2所示。 第 7 章 Simulink的应用 4. 传递函数模块(Transfer Fcn)功能：用执行一个线性传递函数。 5. 零极点传递函数模块(Zero-Pole) 功能：用于建立一个预先指定的零点、极点，并用延迟算子s表示的连续。 6存储器模块(Memory)功能：保持输出前一步的输入值。 7传输延迟模块(Transport Delay)功能：用于将输入端的信号延迟指定的时间后再传输给输出信号。 8可变传输延迟模块(Variable Transport Delay)功能：用于将输入端的信号进行可变时间的延迟。1. 积分模块(Integrator)：功能：对输入变量进行积分。说明：模块的输入可以是标量，也可以是矢量；输入信号的维数必须与输入信号保持一致。 2. 微分模块(Derivative) 功能：通过计算差分u/ t近似计算输入变量的微分。 3. 线性状态空间模块(State-Space)功能：用于实现以下数学方程描述的系统：第 7 章 Simulink的应用 7.3.2 离散模块库(Discrete)离散模块库(Discrete)主要用于建立离散采样的系统模型，包括的主要模块，如图所示。1零阶保持器模块(Zero-Order-Hold)功能：在一个步长内将输出的值保持在同一个值上。第 7 章 Simulink的应用 2单位延迟模块(Unit Delay) 功能：将输入信号作单位延迟，并且保持一个采样周期相当于时间算子z-1 。 3离散时间积分模块(Discrete Time Integrator)功能：在构造完全离散的系统时，代替连续积分的功能。使用的积分方法有：向 前欧拉法、向后欧拉法、梯形法。 4离散状态空间模块(Discrete State Space)功能：用于实现如下数学方程描述的系统：5离散滤波器模块(Discrete Filter) 功能：用于实现无限脉冲响应(IIR)和有限脉冲响应(FIR)的数字滤波器。 6离散传递函数模块(Discrete Transfer Fcn)功能：用于执行一个离散传递函数。 7离散零极点传递函数模块(Discrete Zero-Pole) 功能：用于建立一个预先指定的零点、极点，并用延迟算子z-1表示的离散系统。 8一阶保持器模块(First Order Hold)功能：在一定时间间隔内保持一阶采样。第 7 章 Simulink的应用 7.3.3 函数与表格模块库(Function & Table)函数与表格模块库(Function & Table)主要实现各种一维、二维或者更高维函数的查表，另外用户还可以根据自己需要创建更复杂的函数。该模块库包括多个主要模块 、如图7.7所示。第 7 章 Simulink的应用 1. 一维查表模块(Look-Up Table)一维查表模块(Look-Up Table)实现对单路输入信号的查表和线性插值。 2二维查表模块(Look-Up Table 2-D)功能：根据给定的二维平面网格上的高度值，把输入的两个变量经过查表、插值， 计算出模块的输出值，并返回这个值。 说明：对二维输入信号进行分段线性变换。3自定义函数模块(Fcn) 功能：用于将输入信号进行指定的函数运算，最后计算出模块的输出值。 说明：输入的数学表达式应符合C语言编程规范；与MATLAB中的表达式有所不 同，不能完成矩阵运算。 4MATLAB函数模块(MATLAB Fcn) 功能：对输入信号进行MATLAB函数及表达式的处理。 说明：模块为单输入模块；能够完成矩阵运算。 注意：从运算速度角度，Math function模块要比Fcn模块慢。当需要提高速度时， 可以考虑采用Fcn 或者S函数模块。 5S-函数模块(S-Function) 功能：按照Simulink标准，编写用户自己的Simulink函数。它能够将MATLAB语句 、C语言等编写的函数放在Simulink模块中运行，最后计算模块的输出值。第 7 章 Simulink的应用 7.3.4 数学模块库(Math)数学模块库(Math)包括多个数学运算模块，如图7.8所示。第 7 章 Simulink的应用 3. 矢量的点乘模块(Dot Product) 功能：矢量的点乘模块(Dot Product)用于实现输入信号的点积运算。 4. 增益模块(Gain) 功能：增益模块(Gain)的作用是把输入信号乘以一个指定的增益因子，使输入产生增益。1. 求和模块(Sum) 功能：求和模块(Sum)用于对多路输入信号进行求和运算，并输出结果。 2. 乘法模块(Product) 功能：乘法模块(Product)用于实现对多路输入的乘积、商、矩阵乘法或者模块的转置等。5. 常用数学函数模块(Math Function)功能：用于执行多个通用数学函数，其中包含exp、log、log10、square、sqrt、pow、 reciprocal、hypot、rem、mod等。第 7 章 Simulink的应用 6. 三角函数模块(Trigonometric Function) 功能：用于对输入信号进行三角函数运算，共有10种三角函数供选择。 7. 特殊数学模块特殊数学模块中包括求最大最小值模块(MinMax)、取绝对值模块(Abs)、符号函 数模块(Sign)、取整数函数模块(Rounding Function)等。 8. 数字逻辑函数模块数字逻辑函数模块包括复合逻辑模块(Combinational Logic)、逻辑运算符模块 (Logical Operator)、位逻辑运算符模块(Bitwise Logical Operator)等。 9. 关系运算模块(Relational Operator)关系符号包括：=(等于)、(不等于)、(大于)、=(大 于等于)等。10. 复数运算模块复数运算模块包括计算复数的模与幅角(Complex to Magnitude-Angle)、由模和幅角 计算复数(Magnitude-Angle to Complex)、提取复数实部与虚部模块(Complex to Real and Image)、由复数实部和虚部计算复数(Real and Image to Complex)。第 7 章 Simulink的应用 7.3.5非线性模块(Nonlinear)非线性模块(Nonlinear)中包括一些常用的非线性模块，如图7.9所示。第 7 章 Simulink的应用 1. 比率限幅模块(Rate Limiter)功能：用于限制输入信号的一阶导数，使得信号的变化率不超过规定的限制值。2饱和度模块(Saturation)功能：用于设置输入信号的上下饱和度，即上下限的值，来约束输出值。3量化模块(Quantizer)功能：用于把输入信号由平滑状态变成台阶状态。4死区输出模块(Dead Zone)功能：在规定的区内没有输出值。5继电模块(Relay)功能：继电模块(Relay)用于实现在两个不同常数值之间进行切换。6选择开关模块(Switch)功能：根据设置的门限来确定系统的输出。第 7 章 Simulink的应用 7.3.6 信号与系统模块库(signals &Systems)信号与系统模块库(signals &Systems)包括的主要模块如图7.11所示。第 7 章 Simulink的应用 1. Bus 信号选择模块(Bus Selector)功能：用于得到从Mux模块或其它模块引入的Bus信号。2. 混路器模块(Mux)功能：把多路信号组成一个矢量信号或者Bus信号。3.分路器模块(Demux)功能：把混路器组成的信号按照原来的构成方法分解成多路信号。4. 信号合成模块(Merge)功能：把多路信号进行合成一个单一的信号。5. 接收/传输信号模块(From/Goto)功能：接收/传输信号模块(From/Goto)常常配合使用， From模块用于从一个Goto模块中接收一个输入信号，Goto模块用于把输入信号传递给From模块。6初始值设定模块(IC)功能：初始值设定模块(IC)用于设定与输出端口连接的模块的初始值。第 7 章 Simulink的应用 7.3.7 信号输出模块(Sinks)信号输出模块(Sinks)包括的主要模块如图7.12所示。图7.12 输出显示模块库第 7 章 Simulink的应用 1. 示波器模块(Scope) 功能：显示在仿真过程中产生的输出信号，用于在示波器中显示输入信号与仿真时 间的关系曲线，仿真时间为x轴。 2. 二维信号显示模块(XY Graph) 功能：在MATLAB的图形窗口中显示一个