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Simulink交互式仿真

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19

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第 8 章 Simulink交互式仿真

Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。
Simulink有两大特征：一,建模借助鼠标交互实现；二，模型运作以时间流方式进行。所以即使比较熟悉MATLAB工作环境和编程模式的读者，在初入Simulink领地时，也不免感到生疏。为帮助读者亲身跨过Simulink门槛,本章第2节以算例形式对建模的数学基础、基本器件、操作手法、工作平台进行了细节性的描述。就详细程度而言，尤以本章第一个算例为最，初学者切莫跳过。
像MATLAB编程需要函数、子函数、条件分支、循环控制一样,Simulink建模，尤其是创建较复杂的模型，就必须有简装子系统、精装子系统、使能子系统、触发子系统、循环子系统。本章的第3、4、5节就专门阐述这些子系统创建、工作机理、以及应用示例。
从时间角度分,Simulink模型有连续和离散之分。本章除第6节用于专述纯离散系统和采样离散系统建模外，其余章节所涉的内容对连续、离散两种系统都适用。
已建Simulink模型的运行、仿真分析，即可以通过鼠标手工操纵 ，也可以借助一组指令自动操控。鼠标操纵法的特点是:该法只能在Simulink模型窗中实施，参数的设置必须由“人”通过对话窗进行。而指令自动操控法可以摆脱Simulink模型窗，在执行过程中无须人工参与.本章第7节的内容就是为Simulink模型的指令自动操控而设计的。
本章第8节是出于Simulink模型解算的数值问题而编写的。该节还给出了消减仿真模型中“代数环困扰”的具体方法。
就像MATLAB编程中用户常常需要编写“供自己专用的模块化函数"那样，在Simulink建模中,用户也会需要创建一些“供自己专用的模块”,即S函数模块。有关S函数模块的创建在本章的最后一节介绍。
在这引言结束之前，本书读者再次诚恳地建议读者：对待本章的算例，一定要“眼、脑、手"并用，一定要在机器具体运作,切忌停留于“翻阅”.为读者参照需要，本章所有算例中带exm前缀的MDL模型文件和相关的M文件都存放在随书光盘的mfile目录上.
8.1 引导
8.1.1 Simulink模型本质和一般结构
(1）Simulink块图模型的本质

（2） Simulink模型的一般结构
8.1.2 创建块图模型的方法和基本环境
（1）

（2）

（3）
图 8.1-2 Simulink库浏览器的组成

（4）

（5)
8.2 连续系统建模
8.2.1 微分方程建模和积分模块
1 微分方程块图模型的创建和操作细节
【例8。2-1】在图8。2—1所示的系统中，已知质量kg，阻尼N。sec/m,弹簧系数N/m,且质量块的初始位移m,其初始速度m/sec，要求创建该系统的Simulink模型，并进行仿真运行。

图8。2-1 弹簧-质量—阻尼系统

（1）

（2）

(3）

图8.2—2 复制进建模所需的各种库模块后的模型编辑器

图 8。2-3 常用模块子库的库藏

（4)

(5）

图8.2-4 经模型窗内模块再复制后的模型编辑器

（6）

（7)

图 8。2-5 经布局和增益模块方向反转的模型草图
（8)

图 8.2—6 完成前馈通路连接的模型草图

图 8。2—7 完成〈Gian>模块的输入输出口信号线的连接

(9）

图8。2-8 改变<Gain〉模块的增益

图8.2-9 完成连线和增益设置后的模型窗

（10)

图 8。2—10 实现初始位移0。05设置的<Integrator1>设置窗

（11）

(12）
图8.2-11 完全符合题给要求的系统仿真模型

图8.2-12 默认设置下示波器显示的信号曲线
(13）

图8。2-13 经纵轴范围自动调整后显示的信号曲线

2 创建微分方程的向量化块图模型
【例8.2—2】利用模块的向量处理能力，建立例8。2-1系统的Simulink仿真模型。
(1）
（2）

图8。2-13 示波器参数设置对话框

图8。2-14 上显示窗的纵坐标范围设置
(3）

(4）

图8.2-15 利用库模块处理向量信号的能力构件的仿真模型

图8。2-16 exm080202。mdl运行后显示的曲线

（5）

（6）

图8。2—17 在仿真参数配置窗中把最大步长修改为0.14

3 积分模块

(a)
(b）
图8。2—18 积分模块的默认外形和最多端口外形

(1）

(2)

8.2.2 状态空间建模
1 状态空间模块及其建模应用

图8.2—19 状态空间库模块的图标

【例8。2—3】在图8.2—20所示的倒立摆（Inverted Pendulum)系统中，定义状态变量，输出量.输入量由全状态反馈产生,倒立摆系统的动态由式（8。2—9)的状态方程（State Equation）描述。试用Simulnk块图模型研究该系统在初始条件下的动态响应.

图 8。2-20 倒立摆示意图

（8.2-9）
其中，，，，。

（1）

图8。2-21 用状态空间模块构建的解题模型

（2）

图 8.2—22 状态空间模块参数设置对话窗

（3)

图8.2-23 倒立摆的摆角和小车位移的动态曲线

2 模型内存和模型浏览器
（1）
图8.2—24 模型浏览器和模型内存
（2)

【例8。2—4】基于式（8。2—14),借助状态空间〈State—Space>模块构建例8。2—3倒立摆系统的解题模型（参见图8.2—21）。

（1）
图 8。2—25 据式（8。2—14）构造的解题模型

（2）

（3）

图 8。2-26 选中“模型内存"节点形成的操控区

（4）
8.2.3 传递函数建模及模型内存的操控
1 单位脉冲信号的近似实现
（1）近似单位脉冲的设计准则
(2）借助阶跃函数合成近似单位脉冲
（3）借助脉冲发生器生成近似单位脉冲
2 传递函数模块和非零初始系统建模

图8。2-27 传递函数库模块的图标

【例8.2-5】已知图8.2—1所示弹簧—质量—阻尼系统中，质量kg，阻尼N。sec/m，弹簧系数N/m，质量块的初始位移m,初始速度m/sec，方向与位移一致的外力,是单位阶跃函数。要求创建该系统的Simulink模型，并进行仿真运行.

图8。2—28 借助传递函数模块构建的模型

(1)根据物理规律建立理论传递函数模型

（2)构建图8.2—28所示Simulink传递函数模型的关键步骤

(3)仿真运行

图8。2—29 在外力作用下质量块的位移曲线