利用simulink进行系统仿真论文.docx

利用 simulink 进行系统仿真张营 湖北科技学院 电子信息科学与技术，学号： 133621024摘 要：Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境， 是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包， 被广泛应用于线性系统、 非线性系统、数 字控制及数字信号处理的建模和仿真中。 Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或 两种混合的采样时间进行建模， 它也支持多速率系统， 也就是系统中的不同部分具有不同的 采样速率。为了创建动态系统模型， Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 (GUI) ， 这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成， 它提供了一种更快捷、 直接明了 的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。【1】关键词： simulink；仿真；分析引言：Simulink 是 MATLAB 的工具箱， MATLAB R2010a 版使用的是 simulink7.5,可以用来对动态系统进 行建模、仿真和分析，支持连续的、离散的及线性的和非线性的系统，还支持具有多种采样速率的系 统。 Simulink 是面向框图的仿真软件，具有以下功能。(1)用绘制方框图代替编写程序，结构和流程清晰。(2)智能化地建立和运行仿真，仿真仔细，贴近实际。自动建立各环节的方程，自动在 给定精度要求时以最快速度进行系统仿真。(3)适应面广，包括线性、非线性系统，连续、离散及混合系统，单任务、多任务离散 事件系统。【2】 2391 Simulink 概述Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的 集成环境。【3】1.1 Simulink 简介Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的 集成环境。 在该环境中， 无需大量书写程序， 而只需要通过简单直观的鼠标操作， 就可构造 出复杂的系统。 Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、 灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿 真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。1.2 功能Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统， Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 .构架在 Simulink 基础之上的其他产品扩展了Simulink 多领域建模功能， 也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink 与 MATLAB 紧密集成，可以直接访问 MATLAB大量的工具来进行算法研发、 仿真的分析和可视化、 批处理脚本的创建、 建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。1.3 特点(1)丰富的可扩充的预定义模块库。(2)交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。(3) 以设计功能的层次来分割模型，实现对复杂设计的管理。(4)通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。(5)可访问 MATLAB 从而对结果进行分析与可视化， 定制建模环境， 定义信号参数和测试 数据。2 Simulink 文件操作与模型窗口2.1 simulink 启动在 MATLAB 的命令窗口输入“simulink”,或者单击工具栏中的 图标，就可以打开simulink 模块库浏览器(Simulink Library Browser)窗口，如图 2.1 所示。该窗口界面分为左右 2 列， 左侧以树状结构列出的是模块库和工具箱， 右侧列出的是左侧所选模 块的子模块库。当前显示的是 Simulink 模块库。【1】240图 2.1 Simulink 模块库浏览器窗口2.2 Simulink 文件操作和模型窗口2.2.1 Simulink 文件操作Simulink 模型的文件为模型文件，其扩展名为“.mal”，以ASCII 码形式存储。 以下几种操作可以新建仿真模型文件。(1)在MATLAB 的命令窗口选择菜单“File” “New” “Model”命令。(2)在如图 2.1 所示的 Simulink 模块库浏览器窗口选择菜单“File” “New” “Model”命令，或者单击工具栏的 图标。2.2.2 Simulink 模型窗口如图 2.2 所示模型窗口由菜单、工具栏、模型浏览器、模型框图及状态栏组成。图 2.2 Simulink 模型窗口3 模型创建3.1 模块操作3.1.1 模块的复制在不同模型窗口之间的模块复制很简单，只要选定模块，用鼠标左键将其拖拽到另一 个模型窗口即可； 而在同一模型窗口， 用鼠标右键拖拽或者按住“Ctrl”键用鼠标拖拽即可。3.1.2 模块的移动若在同一模型窗口，用鼠标左键将其拖拽到合适的地方，若在不同的模型窗口之间， 则要在鼠标移动的同时按下【Shift】键。3.1.3 模块的删除选定模块，按【Delete】键；或者选择菜单“Edit”“Clear”“Cut”命令。3.1.4 模块的翻转选定模块，选择菜单“Format”“Flip Block”命令可以将模块旋转 180 度。3.2 Simulink 基本模块Simulnk 模型通常由 3 部分组成： 输入信号源(Source)、 系统(System)及接收(Sink)模块。4 常用模块的参数和属性设置为了对动态系统进行正确的仿真与分析，必须设置正确的系统模块参数与系统仿真参数。 模块的内部参数设置时只需在模型窗口中， 双击待修改参数模块的图标， 就可以打开标准功 能模块内部参数设置对话框，然后改变对话框中相关栏目的数据便可。当系统中各模块的参数设置完毕后， 可设置合适的系统仿真参数以进行动态系统的仿真。以正弦信号为例，将频率设置为 10，相位设置为 30/180，幅值偏移值设置为 10，则产 生幅值为 1，频率为 10，在 9- 11 之间振动。双击正弦信号模块，设置参数：【4】5 系统仿真与分析实例5.1 求系统的开环阶跃响应【例 5.1】利用 Simulnk 建立系统阶跃响应模型，如下图所示。双击 Step 模块， 设置模块属性：跳变时间为 0；初始值为 0；终止值为 10；采样时间为 0。图 5.1.1 模型窗口图 5.1.2 示波器窗口5.2 利用 Simulink 进行微分运算【例 5.2】使用 Simulink 的积分模块求解二阶微分方程： x”+0.2x+0.4x =0.2u(t) ， u (t) 是单位阶跃函数，使用 simulink 创建模型。图 5.2.1 模型创建窗口图 5.2.2 示波器窗口5.3 使用 Simulink 进行 PID 参数整定Simulink 的“Continuous”模块库中有“PID Controller”模块，可作为PID 控制器。模块连接图如图 5.3.1。图 5.3.1 模块连接图(1)先整定比例环节 Kp 的值，将 Ki 和 Kd 都设置为 0，调整 Kp 在示波器输出 波形达到临界稳定即等幅振荡波形。 Kp 从大到小不断调整同时查看示波器波形直 到等幅振荡，得出 Kp=12.5,示波器如图所示：图 5.3.2 示波器窗口(2)调整 Ki 和 Kd,使波形得到合适输出。从上图得出等幅振荡周T=15s,K=12.5。设置 PID 模块的参数为变量，如图所示，在命令窗口设置参数值。图 5.3.3 参数设置窗口源代码： K=12.5;T=15;Kp=0.6*K;Ki=1.2*K/T;Kd=0.072*K*T;KpKiKdKp =7.5000Ki =1Kd =13.5000图 5.3.4 示波器窗口5.4 用 Simulink 模拟全波整流模型采用使能子系统构建简单的全波整流模型，并用示波器同时观察原信号和整流 后的信号波形。在建模窗口创建模块，如图 5.4.1.图 5.4.1 模块窗口图 5.4.1 示波器窗口5.5 离散系统仿真在实际应用中经常有复杂系统， 既包含连续环节， 也包含离散环节， 有时不同 的离散环节还具有多个采样速率。 Simulink 提供了快速、便捷的建模和仿真方法。【例5.5】 控制部分为离散环节， 被控对象为 2 个连续环节， 其中一个有反馈环。 反馈环引入了零阶保持器，输入为阶跃信号。创建模型并仿真方法如下：(1) 选择一个“Step”模块， 2 个“Transfer Fcn”模块， 2 个“Sum”模块， 2 个 “Scope”模块， 1 个“Gain”模块， 在“Discrete”模块库选择一个“Discrete Filter”和 1 个“ZeroOrderHold”模块。(2) 连接模块。(3)设置参数。将“Discrete Filter”和 “ZeroOrderHold”模块的“Sample time” 都设置为 0. 1s。(4) 添加文本注释。(5) 开始仿真。图 5.5.1 离散系统模型图(a) d(k)示波器显示 (b) y(t)示波器显示图 5.5.2 T=Tk=0. 1 时的示波器显示可以看出当 T=Tk=0. 1 时系统的输出响应较平稳。(6)修改参数将“Discrete Filter”模块的“Sample time”设置为 0.6s, “Zero OrderHold”模块的“Sample time”不变。可以看出当T= 0.6， Tk=0. 1 时，系统出 现振荡。示波器显示如图。(a) d(k)示波器显示 (b) y(t)示波器显示图 5.5.3 T=0.6， Tk=0. 1 时的示波器显示 (7)修改参数。 将“Discrete Filter”和“ZeroOrderHold”模块的“Sample time” 都设置为 0.6s，开始仿真。图 5.5.4 T=Tk=0.6s 时的示波器显示由此得出系统的结构参数不变， 仿真步长不变， 而离散环节的采样时间发生变化， 则系统的输出响应也会发生变化。仿真步长是按照连续系统的仿真要求设置的，一般 要求设置较小的步长；而离散系统的采样时间的选择，要充分考虑系统各环节的时间 特性、闭环响应等因素，应选择各离散环节的采样时间。6 结语Simulink 的仿真功能可以通过绘制框图模拟线性、非线性、连续或离散的系统， 通过 Simulink 能够仿真并分析该系统。它在分析有关电路波形，微分计算，系统仿真 计算等方面有着非常重要的用途，使用方便。参考文献1百度百科 O2EatzAXVqc3432hx6zehM6p_6b5za2 郑阿奇 曹弋 MATLAB 使用教程M. 北京：电子工业出版社， 2012.1：页码： 2393 李颖 Simulink 动态系统建模与仿真 西安：西安电子科技大学出版社， 20094 foIJWCuh2Wdj1Aq7xGflh4SNHphozTUk4XA_KZ1j44V9jxU7wBO英文摘要The system simulation by using SimulinkSimulink is a visual simulation tools of MATLAB, is a kind of diagram designenvironment based on MATLAB, is a software implementation of dynamic system modeling, simulation and analysis package, is widely used in linear systems,nonlinear systems, digital control and digital signal process modeling and simulation. Simulink can be modeled by continuous sampling time, sampling timediscrete sampling time or a mixture of the two, it also supports multi rate system,and also different part is the system with different sampling rate. In order tocreate a dynamic system model, Simulink provides a building block diagrammodel of the graphical user interface (GUI), the process of creating just click anddrag the mouse operation can be done, it provides a more convenient, direct and clear way, and users can immediately see the results of the simulation system.Key words: Simulink； Simulation； analysis作者简介： 张营，男，电子信息科学与技术专业