SIMULIN下數(shù)學模型建立與仿真.ppt

第三章SIMULINK環(huán)境建模和仿真,MATLAB于1990年推出Simulink，用于MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境，該軟件的名稱表明了該系統(tǒng)的兩個主要功能：Simu（仿真）和Link（連接），即該軟件可以進行仿真和把一系列模型連接起來構(gòu)成復雜的系統(tǒng)，然后利用Simulink提供的功能來對系統(tǒng)進行仿真和分析。,第一節(jié)SIMULINK簡介,SIMULINK是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入。所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進而進行仿真與分析。,一、什么是SIMULINK,特點：SIMULINK是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。以調(diào)用模塊代替程序的編寫，以模塊連成的方框圖表示系統(tǒng)，點擊模塊可以完成模塊參數(shù)輸入，整個系統(tǒng)應(yīng)包括輸入、輸出和系統(tǒng)組成等模塊。系統(tǒng)方框圖畫完，設(shè)置仿真參數(shù)即可以啟動仿真，這時系統(tǒng)會自動地完成仿真的初始化過程，將系統(tǒng)的框圖轉(zhuǎn)換為仿真的數(shù)學模型，建立仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并計算系統(tǒng)在給定激勵下的響應(yīng)。,系統(tǒng)運行的狀態(tài)和結(jié)果可以通過波形或曲線觀察，與在實驗室中用示波器觀察的效果基本一致。如果系統(tǒng)方框圖繪制不完整或仿真過程中出現(xiàn)計算不收斂的情況，會給出一定的出錯提示信息。SIMULINK環(huán)境中運作的工具包很多，已覆蓋通信、控制、信號處理、電力系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，所涉內(nèi)容專業(yè)性極強。,二、SIMULINK的啟動,1、在MATLAB命令窗口中輸入simulink結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個稱為SimulinkLibraryBrowser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。,2、在MATLAB的工具欄上點擊按鈕，可以直接打開SIMULINK,然后打開對應(yīng)的模型庫，查找模塊。,3、啟動simulink后，在MATLAB的菜單欄中選擇File，在下拉菜單中的New選項中選擇Model，屏幕上會出現(xiàn)Simulink的工作窗口，標題欄上“untitled”表示是一個尚未命名的新文件。,2、標題欄下方是菜單欄，有File,Edit,View,Simulation,Format,Tolls,Help等七項主要功能菜單,三、SIMULINK模塊的操作,1、模塊的查找：打開SimulinkLibraryBrowser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。利用窗口的滾動條可以搜索所有的模塊庫，也可以根據(jù)模塊名搜索。,或者在MATLAB的工具欄上點擊按鈕，可以直接打開SIMULINK,然后打開對應(yīng)的模型庫，查找模塊。,三、SIMULINK模塊的操作,2、模塊的提取、復制和粘貼。3、模塊的移動、放大和縮小。4、模塊的轉(zhuǎn)動。5、模塊名的修改和移動。6、模塊的參數(shù)設(shè)置。7、模塊的刪除和恢復。8、模塊的連接。9、信號線的彎折、移動和刪除。,SIMILINK模塊庫按功能進行分類，包括以下子庫：Continuous（連續(xù)模塊）disontinuous（非線性模塊）Discrete（離散模塊）lookuptables(查詢表模塊)Mathoperations（數(shù)學模塊）Modelverification(模型檢測)Model-wideUtilities（模型擴展功能模塊）Ports&Systems（端口和子系統(tǒng)模塊）Signalattributes(信號描述模塊)Signalrouting(信號路由模塊)Sinks（儀表儀器（輸出顯示）模塊）Sources（信號源模塊）User-definedfunctions(自定義模塊),1、Continuous（連續(xù)系統(tǒng)子模塊庫）Derivative：輸入信號微分Integrator：輸入信號積分State-Space：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型Transfer-Fcn：線性傳遞函數(shù)模型TransportDelay：輸入信號延時一個固定時間再輸出VariableTransportDelay：輸入信號延時一個可變時間再輸出Zero-Pole：以零極點表示的傳遞函數(shù)模型,2、Discontinuities（非線性系統(tǒng)子模塊庫）Backlash：間隙設(shè)定（模擬間隙非線性環(huán)節(jié)）Coulomb&ViscousFriction：庫侖粘滯摩擦信號（模擬非線性環(huán)節(jié)）DeadZone：設(shè)定死區(qū)范圍Switch：可控開關(guān)（根據(jù)門檻電壓，選擇開關(guān)的輸出）Quantizer；階梯信號（根據(jù)輸入產(chǎn)生階梯輸出信號）RateLimiter；斜坡函數(shù)（限制輸入信號的上升、下降率）Relay：滯環(huán)控制（模擬滯環(huán)特性的繼電器環(huán)節(jié)）Saturation：飽和限制（設(shè)置限幅值，模擬環(huán)節(jié)的飽和特性）,3、Discrete（離散系統(tǒng)子模塊庫）DiscreteTransfer-Fcn：離散傳遞函數(shù)模型DiscreteZero-Pole：以零極點表示的離散傳遞函數(shù)模型DiscreteFilter：離散濾波器（建立一個離散度濾波器）DiscreteState-Space：離散狀態(tài)方程Discrete-timeIntegrator：離散時間積分器First-OrderHold：一階保持器Memory：單步積分延遲，輸出為前一個輸入UnitDelay：單位延遲（信號采樣后保持一個采樣周期后輸出）,4、FunctionandTables（函數(shù)與表格子模塊庫）Fan:自定義函數(shù)表達式Interpolation(n-D)usingPreLook-Up：根據(jù)輸入用內(nèi)插值運算得到輸出Look-UpTable：給出輸入數(shù)據(jù)值，經(jīng)過插值計算得到輸出值返回Look-UpTable(2-D)：同上Look-UpTable(n-D)：同上S-Functionbuilder:創(chuàng)建一個s函數(shù)（用戶自己編寫的函數(shù)，可以將MATLAB語句、c語言等編寫的函數(shù)在Simulink中執(zhí)行）,5、MathOperations（數(shù)學模塊）Abs：取絕對值A(chǔ)lgebraicConstraint：輸出強制系統(tǒng)輸入為零的代數(shù)狀態(tài)Assignment：對信號進行分配BitwiseLogicalOperator：按位邏輯運算CombinatorialLogic：邏輯真值查找ComplextoMagnitude-Angle：輸出輸入復數(shù)的幅值與相位ComplextoReal-Imag：輸出系統(tǒng)輸入的實部或虛部DotProduct：點乘運算Gain：比例運算（信號增益）,6、Sinks（系統(tǒng)輸出子模塊庫）Display：以數(shù)值形式顯示輸入信號FloatingScope：懸浮信號顯示器（不需任何連線，可顯示任何指定信號）Out1：為子系統(tǒng)或其它模型提供輸出端口Scope：示波器（觀察輸入信號波形）StopSimulation：終止仿真（滿足條件預置條件時停止仿真）Terminator：信號終結(jié)器（終止信號，防止輸出信號無連接）ToFile(.mat)：將仿真輸出寫入(.mat)數(shù)據(jù)文件ToWorkspace：將仿真輸出寫入MATLAB的工作空間XYGraph：使用X、Y作變量輸出二維圖形,7、Sources（信號源子模塊庫）Band-LimitedWhiteNoise：有限帶寬白噪聲ChirpSignal：輸出頻率隨時間線性變換的正弦信號Clock：仿真時鐘信號Constant：常數(shù)信號（數(shù)值可設(shè)置）FromWorkspace：來自MATLAB的工作空間輸入數(shù)據(jù)FromFile(.mat)：來自數(shù)據(jù)文件.mat中輸入數(shù)據(jù)Ground：接地信號In1：為子系統(tǒng)或其它模型提供輸入端口,PulseGenerator：脈沖發(fā)生器Ramp：斜坡信號發(fā)生器RandomNumber：服從高斯分布的隨機信號發(fā)生器RepeatingSequence：周期信號發(fā)生器SignalGenerator：信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦、方波、鋸齒波及隨意波。SignalBuilder：時序波形生成器SineWave：正弦波信號發(fā)生器Step：階躍波信號發(fā)生器UniformRandomNumber：服從均勻分布的隨機信號發(fā)生器,五、SIMULINK下自定義子系統(tǒng)模塊,自定義子系統(tǒng)模塊有兩種方法：一種方法是采用Ports&Subsystems模塊庫中的Subsystem功能模塊，利用其編輯區(qū)設(shè)計組合新的功能模塊；另一種方法是將現(xiàn)有的多個功能模塊組合起來，形成新的功能模塊。對于很大的SIMULINK模型，通過自定義功能模塊可以簡化圖形，減少功能模塊的個數(shù)，有利于模型的分層構(gòu)建。,方法1將Ports&Subsystems模塊庫中的Subsystem功能模塊復制到打開的模型窗口中。雙擊Subsystem功能模塊，進入自定義功能模塊窗口，從而可以利用已有的基本功能模塊設(shè)計出新的功能模塊。,方法2在模型窗口中建立所定義功能模塊的子模塊。用鼠標將這些需要組合的功能模塊框住，然后選擇Edit菜單下的CreateSubsystem即可。,子系統(tǒng)模塊的封裝,封裝子系統(tǒng)具有以下特點：自定義子系統(tǒng)模塊及其圖標。用戶雙擊封裝后的圖標時顯示子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對話框。用戶自定義子系統(tǒng)模塊的幫助文檔。,上面提到的兩種方法都只是創(chuàng)建一個功能模塊，如果要命名該自定義模塊、對模塊進行說明、選定模塊外觀、設(shè)定輸入數(shù)據(jù)窗口，則需要對其進行封裝處理。,子系統(tǒng)模塊封裝方法首先選中Subsystem功能模塊，再打開Edit菜單中的MaskSubsystem進入mask的編輯窗口，可以看出有3個標簽頁。Icon：設(shè)定功能模塊的外觀。Initialization：設(shè)定輸入數(shù)據(jù)窗口。Documentation：設(shè)計該功能模塊的文字說明。,SimpowerSystem模型庫是專用于RLC電路、電力電子電路、電機傳動控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)仿真的模型庫。模型庫中包換交直流電源、電氣元器件、電工測量儀表，控制元器件等的模型。利用這些模型和其它工具箱的模型結(jié)合可以模擬組成電力電子系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)等來進行仿真研究。電力系統(tǒng)模型有兩種端口，一種用于連接主電路，一種用于連接控制信號。,六、電力系統(tǒng)模型庫,一、SIMULINK的仿真步驟,1、根據(jù)系統(tǒng)的框圖或者原理圖構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型,模型的特點在SIMULINK里提供了許多如Scope的接收器模塊，這使得用SIMULNK進行仿真具有像做實驗一般的圖形化顯示效果。SIMULINK的模型具有層次性，通過底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)。SIMULINK提供了對子系統(tǒng)進行封裝的功能，用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標和設(shè)置參數(shù)對話框。,第二節(jié)仿真模型的建立與仿真,查找需要的模塊建立模型,設(shè)置仿真模型中的模塊的參數(shù)。,設(shè)置系統(tǒng)的仿真參數(shù)和選擇解法。,設(shè)置系統(tǒng)的仿真參數(shù)和選擇解法。,設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法器，選擇Simulation菜單下的Parameters命令，就會彈出一個仿真參數(shù)對話框，它主要用三個頁面來管理仿真的參數(shù)。Solver頁，它允許用戶設(shè)置仿真的開始和結(jié)束時間，選擇解法器，說明解法器參數(shù)及選擇一些輸出選項。WorkspaceI/O頁，作用是管理模型從MATLAB工作空間的輸入和對它的輸出。Diagnostics頁，允許用戶選擇Simulink在仿真中顯示的警告信息的等級。,算法參數(shù)設(shè)置（Solver）,此頁可以進行的設(shè)置有：選擇仿真開始和結(jié)束的時間；選擇解法器，并設(shè)定它的參數(shù)；選擇輸出項。仿真時間：注意這里的時間概念與真實的時間并不一樣，只是計算機仿真中對時間的一種表示，比如10秒的仿真時間，如果采樣步長定為0.1，則需要執(zhí)行100步，若把步長減小，則采樣點數(shù)增加，那么實際的執(zhí)行時間就會增加。Simulink默認的仿真開始時間為0，結(jié)束時間為10s。實際中可根據(jù)需要設(shè)置合適的仿真時間。總的說來，執(zhí)行一次仿真要耗費的時間依賴于很多因素，包括模型的復雜程度、解法器及其步長的選擇、計算機時鐘的速度等等。,2）仿真步長模式：用戶在Type后面的第一個下拉選項框中指定仿真的步長選取方式，可供選擇的有Variable-step（變步長）和Fixed-step（固定步長）方式。變步長模式可以在仿真的過程中改變步長，提供誤差控制和過零檢測。固定步長模式在仿真過程中提供固定的步長，不提供誤差控制和過零檢測。用戶還可以在第二個下拉選項框中選擇對應(yīng)模式下仿真所采用的算法。,步長參數(shù)：對于變步長模式，用戶可以設(shè)置最大的和推薦的初始步長參數(shù)，缺省情況下，步長自動地確定，它由值auto表示。Maximumstepsize（最大步長參數(shù)）：它決定了解法器能夠使用的最大時間步長，它的缺省值為“仿真時間/50”，即整個仿真過程中至少取50個取樣點，但這樣的取法對于仿真時間較長的系統(tǒng)則可能帶來取樣點過于稀疏，而使仿真結(jié)果失真，或造成仿真輸出曲線的不光滑。一般建議對于仿真時間不超過15s的采用默認值即可，對于超過15s的每秒至少保證5個采樣點，對于超過100s的，每秒至少保證3個采樣點。Initialstepsize（初始步長參數(shù)）：一般建議使用“auto”默認值即可。,仿真精度（對于變步長模式）Relativetolerance（相對誤差）：它是指誤差相對于狀態(tài)的值，是一個百分比，缺省值為1e-3，表示狀態(tài)的計算值要精確到0.1%。Absolutetolerance（絕對誤差）：表示誤差值的門限，或者是說在狀態(tài)值為零的情況下，可以接受的誤差。如果它被設(shè)成了auto，那么simulink為每一個狀態(tài)設(shè)置初始絕對誤差為1e-6。,仿真數(shù)據(jù)的輸入輸出設(shè)置（WorkspaceI/O）,此頁主要用來設(shè)置SIMULINK與MATLAB工作空間交換數(shù)值、解決數(shù)值存取的有關(guān)選項。,仿真中異常情況的診斷（Diagnostics）,能自動診斷22種異常情況，例如：Algebraicloop：代數(shù)環(huán)異常，即無慣性、無延遲，環(huán)中每個模塊輸入與輸出間都包含代數(shù)關(guān)系。它會大大減慢仿真速度，進而可能導致仿真失敗。Minstepsizeviolation：最小步長欠小，表明微分方程解法器為達到指定精度需要更小的步長，但這是解法器所不允許的。須采用更高階解法器。Unconnectedblockinput：模塊輸入懸空Unconnectedblockoutput：模塊輸出懸空Unconnectedline：信號線未接,4、啟動仿真5、觀測仿真結(jié)果。,