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1、1,本章主要教學內(nèi)容對系統(tǒng)進行Simulink仿真的參數(shù)設(shè)置利用Simulink的系統(tǒng)仿真模型進行仿真的方法利用Simulink的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖進行仿真的方法,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,2,本章教學目的及要求熟悉Simulink的基本操作掌握Simulink仿真過程中的參數(shù)設(shè)置方法掌握控制系統(tǒng)的Simulink仿真具體應(yīng)用,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,3,,9.1Simulink仿真的參數(shù)設(shè)置9.1.1系統(tǒng)模型的實時操作與仿真參數(shù)設(shè)置1系統(tǒng)模型的實時操作在Simulink環(huán)境下創(chuàng)建系統(tǒng)仿真模型后，在菜單操作方式下可對系統(tǒng)模型或框圖進行如下的實時操作：（1）被仿真模塊的參數(shù)
2、允許有條件地實時修改。（2）離散模塊的采樣時間允許實時修改。（3）允許用浮空示波器（FloatingScope）實時觀察任何一點或幾點的動態(tài)波形。（4）在進行一個系統(tǒng)仿真的過程中，允許同時打開另一個系統(tǒng)進行處理。,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,4,2仿真參數(shù)的設(shè)置方法系統(tǒng)仿真前要對仿真算法、輸出模式等各種參數(shù)進行設(shè)置，這就是“Simulation”下的“SimulationParameters”菜單命令要完成的任務(wù)。打開一個仿真參數(shù)對話框后可以設(shè)置仿真參數(shù)，該對話框包含以下5個可相互切換的標簽頁：（1）Solver解算器標簽頁：設(shè)置仿真的起始時間與終止時間、仿真的步長大小與求解問題的
3、算法等。（2）WorkspaceI/O工作空間標簽頁：管理對MATLAB工作空間的輸入和輸出操作。,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,5,（3）Diagnostics標簽頁：設(shè)置在仿真過程中出現(xiàn)各類錯誤時的操作處理。（4）Advanced標簽頁：設(shè)置高級仿真屬性，如模塊的簡化、在仿真過程中使用邏輯信號等。（5）Real-TimeWorkshop標簽頁：設(shè)置實時工具中的參數(shù)，如允許用戶選擇目標語言模板、系統(tǒng)目標文件等。,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,6,第9章,,9.1.2Solver解算器標簽頁的參數(shù)設(shè)置執(zhí)行“Simulation”下的“SimulationParameters
4、”命令后，會彈出仿真參數(shù)設(shè)置對話框標簽之一“Solver”解算器標簽頁?！癝olver”標簽頁參數(shù)設(shè)定是進行仿真工作前準備的必須步驟，基本參數(shù)設(shè)定包括仿真的起始時間與終止時間、仿真的步長大小與求解問題的算法等。當選擇算法是可變步長類型“Variable-step”時，“Solver”標簽頁如圖9-1所示；當選擇固定步長類型的算法“Fixed-step”時，“Solver”標簽頁如圖9-2所示。,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,7,,圖9-1“Solver”可變步長仿真參數(shù)設(shè)置窗口,第9章,8,,圖9-2“Solver”固定步長仿真參數(shù)設(shè)置窗口,第9章,9,,第9章,,“Solver”解算器標簽
5、頁參數(shù)設(shè)定窗口中各選項的意義如下：（1）“Simulationtime”仿真時間設(shè)置（2）“Solveroptions”算法選擇操作（3）“outputoptions”輸出選擇（4）標簽頁右下部4個按鈕的功能“OK”按鈕：參數(shù)設(shè)置完畢可將窗口內(nèi)的參數(shù)值應(yīng)用于仿真，并關(guān)閉對話框。“Cancel”按鈕：立即撤銷對參數(shù)的修改，恢復(fù)標簽頁原來的參數(shù)設(shè)置，關(guān)閉對話框?！癏elp”按鈕：打開并顯示該模塊使用方法說明的幫助文件。“Apply”按鈕：修改參數(shù)后的確認，表示將目前窗口改變的參數(shù)應(yīng)用于仿真，并保持對話框窗口的開啟狀態(tài)。,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,10,第9章,9.1.3WorkspaceI/
6、O工作空間標簽頁參數(shù)設(shè)置仿真控制參數(shù)SimulationParameters的設(shè)定對話框標簽之二為“WorkspaceI/O”工作空間標簽頁，如圖9-3所示。對該標簽頁中的各類參數(shù)設(shè)置后，可以實現(xiàn)從當前工作空間輸入數(shù)據(jù)、初始化狀態(tài)模塊（State）、把仿真結(jié)果保存到當前工作空間等功能。（1）“Loadfromworkspace”：從當前工作空間輸入數(shù)據(jù)（2）“initialstate”：初始化狀態(tài)模塊（3）“Savetoworkspace”：保存仿真結(jié)果到當前工作空間（4）“Saveoptions”變量存儲選項,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,11,,圖9-3設(shè)定工作空間Workspace參數(shù)
7、窗口,第9章,12,9.2控制系統(tǒng)的Simulink仿真9.2.1利用Simulink系統(tǒng)仿真模型的仿真處理1仿真的啟動與停止（1）在Simulink的模型窗口下，選擇“Simulation”中的“Start”命令可以對系統(tǒng)進行仿真。仿真開始后“Start”變?yōu)椤癙ause”，點擊“Pause”可暫停仿真執(zhí)行，點擊“Stop”可停止仿真。（2）單擊“StartSimulation”按鈕也可以對系統(tǒng)進行仿真。仿真開始后按鈕變?yōu)椤癙auseSimulation”按鈕，點擊按鈕可暫停仿真，點擊“Stop”按鈕可停止仿真。,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,13,2Simulink仿真結(jié)果的觀察
8、與分析方法（1）將仿真結(jié)果信號輸入到輸出模塊“Scope”示波器、“XYGraph”二維X-Y圖形顯示器與“Display”數(shù)字顯示器中直接查看圖形或者數(shù)據(jù)。（2）將仿真結(jié)果信號輸入到“ToWorkspace”模塊中，即保存到MATLAB工作空間里，再用繪圖命令在MATLAB命令窗口里繪制出圖形。（3）將仿真結(jié)果信號返回到MATLAB命令窗口里，再利用繪圖命令繪制出圖形。,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,14,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,【例9.1】某二階線性系統(tǒng)如圖9-4所示，采用Simulink建立系統(tǒng)模型并進行仿真，分別用3種類型的示波器觀察該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。,,圖9
9、-4二階線性系統(tǒng)模型,15,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,解：首先創(chuàng)建該系統(tǒng)的仿真模型，按照建立模型結(jié)構(gòu)圖的基本步驟完成模型創(chuàng)建后，將上述3種示波器模塊放在控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖的輸出端，如圖9-5所示。,,圖9-5系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖,16,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,按圖9-6所示設(shè)置系統(tǒng)的仿真參數(shù)。,,圖9-6設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù),17,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,該系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置：“Starttime”為0，“Stoptime”為20，步長選擇可變步長“Variable-step”，其他設(shè)置為默認值。單擊模型窗口下的“StartSimulation”按鈕，開始對系統(tǒng)
10、進行仿真。待到仿真結(jié)束后，在“Display1”中直接顯示仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，如圖9-7所示。,18,,圖9-7用三種示波器觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線,第9章,19,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,雙擊Scope模塊可以觀察到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，如圖9-8（a）所示?？梢钥闯鰣D示曲線的坐標不適于觀察系統(tǒng)的特性，需要進行坐標調(diào)整，單擊按鈕，自動調(diào)整曲線的坐標。結(jié)果如圖9-8（b）所示。,20,,,（a）（b）圖9-8用Scope觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線,第9章,21,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,雙擊FloatingScope模塊，打開浮空示波器，如圖9-9所示，可以看到示波器中沒有顯示的
11、曲線。點擊Signalselection（信號選擇）按鈕，進入信號選擇對話框，如圖9-10所示。對話框的左邊是Modelhierarchy（模型層次），用于選擇模型；右邊是Listcontent窗口，用于選擇模塊。,22,,圖9-9打開的浮空示波器,,圖9-10信號選擇對話框,23,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,選擇了模型和模塊后，單擊“Close”按鈕，重新仿真，各模塊的輸出曲線就可以顯示在浮空示波器中。如圖9-11所示。,,圖9-11浮空示波器顯示的曲線,24,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,上圖顯示的曲線坐標取值不太合適，需要進行調(diào)整，將光標放在顯示區(qū)域，單擊鼠標右鍵，
12、選擇“Axesproperties”命令，打開浮空示波器軸屬性對話框，選擇縱軸的最小值和最大值，如圖9-12所示。,,圖9-12調(diào)整坐標軸屬性對話框,25,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,單擊“OK”按鈕，則示波器會自動地按照調(diào)整后的坐標軸來顯示曲線。如圖9-13所示。,,圖9-13調(diào)整坐標軸后的曲線,26,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,（2）使用ToWorkspace模塊將仿真輸出信息返回到MATLAB命令窗口如果不用示波器直接觀察仿真結(jié)果，可以將控制系統(tǒng)仿真結(jié)果輸入到“ToWorkspace”（MATLAB的工作空間）模塊中。該方式通過工作空間“ToWorkspace”，
13、自動將數(shù)據(jù)輸出到MATLAB命令窗口里，經(jīng)變量保存后再用繪圖命令在MATLAB命令窗口中繪制出圖形。,27,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,【例9.2】利用“ToWorkspace”模塊將上例中的輸出數(shù)據(jù)傳送到MATLAB命令窗口，并繪制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。解：在圖9-5的基礎(chǔ)上修改系統(tǒng)仿真模型圖，將階躍響應(yīng)輸出到“ToWorkspace”模塊，如圖9-14所示。系統(tǒng)開始仿真時，該模塊會將信息、數(shù)據(jù)返回到MATLAB命令窗口中，并用一個名為“simout”的變量保存起來。雙擊“ToWorkspace”模塊可打開如圖9-15所示的模塊參數(shù)對話框。,28,,圖9-14例10.2的仿真模型圖
14、,第9章,29,第9章,,圖9-15模塊參數(shù)對話框,30,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,如執(zhí)行指令tout,y，顯示的結(jié)果如圖9-16所示。如執(zhí)行指令：plot(tout,y)，顯示的結(jié)果如圖9-17所示。與直接用示波器觀察的曲線完全相同。,,圖9-16在MATLAB命令窗口顯示返回的數(shù)據(jù),31,,圖9-17按返回值繪制的階躍響應(yīng)曲線,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,32,第9章,,此外，還可以用輸入源“Sources”模塊庫中的“Clock”模塊來查看“Workspace”輸出的時間數(shù)據(jù)（圖9-18所示）。這時需要將“Clock”模塊輸出到“ToWorkspace1”模塊中
15、，并將“ToWorkspace1”的輸出變量改為t，存儲數(shù)據(jù)選為Array（數(shù)組）形式，其他選項采用默認狀態(tài)。,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,33,,圖9-18用“Clock”模塊來查看“Workspace”輸出的時間數(shù)據(jù),第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,34,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,（3）使用out1模塊將仿真輸出信息返回到MATLAB命令窗口在輸出模塊庫“Sinks”中，有一個名為“out1”的輸出模塊，可以將系統(tǒng)仿真結(jié)果的信息輸入到這個模塊。該輸出模塊會將數(shù)據(jù)返回到MATLAB命令窗口中，并自動用一個名為“yout”的變量保存起來。MATLAB也會自動將每個時間
16、數(shù)據(jù)存入MATLAB命令窗口中，用“tout”這個變量保存起來。,35,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,【例9.3】使用輸出“out1”模塊返回數(shù)據(jù)信息到MATLAB命令窗口中。解：將系統(tǒng)的輸出接“out1”模塊，如圖9-19所示。將控制系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)與時間數(shù)據(jù)都返回到MATLAB命令窗口之后，也可以用繪圖命令在MATLAB命令窗口里繪制出圖形。指令如下：plot(tout,yout)這個指令執(zhí)行后，可以看到所繪制的圖形也與圖9-17完全一樣。,36,,圖9-19使用out模塊返回數(shù)據(jù)信息,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,37,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,9.2.2利
17、用Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真處理利用Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真方法的基本思路是：先將動態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型，然后再仿真。利用Simulink提供的linmod()或linmod2()兩個函數(shù)，從連續(xù)系統(tǒng)中提取線性模型。兩個函數(shù)命令執(zhí)行后，都可以得到一個用A,B,C,D表達的狀態(tài)空間模型。然后就可以對這個狀態(tài)空間模型來進行各種仿真。,38,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,利用線性模型進行仿真：已知系統(tǒng)的線性模型，可利用MATLAB提供的仿真函數(shù)對系統(tǒng)進行各種仿真。如利用step（sys）或step（A,B,C,D）自動繪制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線；利用bode（sys）或b
18、ode（A,B,C,D）函數(shù)繪制系統(tǒng)對數(shù)幅頻和相頻特性曲線；利用margin（sys）函數(shù)可求出系統(tǒng)頻域性能指標，還可以把頻域性能指標附在波德圖上。,39,【例9.4】雙環(huán)調(diào)速的電流環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)模型如圖9-20所示。試求其線性模型。,第9章,,圖9-20雙環(huán)調(diào)速的電流環(huán)系統(tǒng)動態(tài)模型,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,40,第9章,解：（1）首先建立該系統(tǒng)的動態(tài)模型依據(jù)系統(tǒng)模型的建立方法，在Simulink中建立如圖9-20所示的雙環(huán)調(diào)速電流環(huán)系統(tǒng)動態(tài)模型。（2）求系統(tǒng)線性狀態(tài)空間模型在MATLAB命令窗口運行以下指令：A,B,C,D=linmod(untitled1)%untitled1為系統(tǒng)動
19、態(tài)模型可得到線性系統(tǒng)的一個線性狀態(tài)空間模型的（A,B,C,D）描述。,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,41,,A=1.0e+004*-0.00781.79640000-0.05990.0160-0.01600.002500-0.0500000.001400-0.05000000.0500-0.05000B=00100,第9章,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,42,第9章,C=195.31250000D=0（3）求系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型運行以下命令，即可得到閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)并加以顯示：num,den=ss2tf(A,B,C,D);%轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)模型printsys(num,den,s)%顯示傳遞函
20、數(shù)模型命令執(zhí)行后，所得的結(jié)果為：num/den=1.3642e-012s4+1.1642e-009s3+561377245.509s2+324546220059.88s+21928798652694.6----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------s5+1676.9274s4+973708.8323s3+256432447.6048s2+35062687125.7484s+15788
21、73502994.01,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,43,第9章,【例9.5】已知晶閘管-直流電機單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖所示，試利用Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪制該系統(tǒng)的曲線，并與利用Simulink系統(tǒng)模型圖仿真的結(jié)果進行比較。,,,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,44,第9章,解：（1）利用Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真建立如圖所示的Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并保存為untitled2。根據(jù)題目要求，在MATLAB程序編輯窗口編寫如下的程序并存盤。a,b,c,d=linmod2(untitled1);sys=ss(a,b,c,d);figure(1)step(
22、sys)figure(2)impulse(sys),,,,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,45,第9章,在MATLAB命令窗口運行該程序可得到如下的仿真結(jié)果。左圖為系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)。右圖為系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)。。,,,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,46,（2）利用Simulink系統(tǒng)模型圖仿真建立如圖9-24所示的系統(tǒng)模型圖，雙擊Step模塊，設(shè)置模塊屬性：跳變時間為0；初始值為0；終止值為1；采樣時間為0。點擊按鈕開始仿真，雙擊Scope模塊，可以看到如圖9-25所示的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。,第9章,,,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,,47,第9章,,圖9-24系統(tǒng)階躍響應(yīng)模型圖,控制系統(tǒng)的Si
23、mulink仿真,48,第9章,,圖9-25系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線,,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,49,第9章,【例9.6】對下圖中的開環(huán)控制系統(tǒng)進行頻域分析。,,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,50,第9章,解：對開環(huán)控制系統(tǒng)進行頻域分析并求出頻域性能指標，可以借助系統(tǒng)開環(huán)Simulink結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)換成狀態(tài)空間模型進行求解。系統(tǒng)開環(huán)Simulink結(jié)構(gòu)圖建立起來以后，用函數(shù)命令可以編寫如下的MATLAB程序段：a,b,c,d=linmod2(untitled11);untitled11為系統(tǒng)動態(tài)模型sys=ss(a,b,c,d);margin(sys),控制系統(tǒng)的Simulink仿真,51,第
24、9章,該程序段執(zhí)行后可繪制出給定開環(huán)系統(tǒng)的Bode圖，如圖9-27所示。系統(tǒng)的頻域性能指標計算結(jié)果為：幅值裕度Gm=26.369（dB）；穿越頻率：相位裕度Pm=54.016（deg）；剪切頻率：,,,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,52,第9章,,圖9-27開環(huán)系統(tǒng)Bode圖和頻域性能指標,控制系統(tǒng)的Simulink仿真,53,本章小結(jié),Simulink可直接利用MATLAB的諸多資源與功能，用戶可在Simulink下完成系統(tǒng)建模和仿真、數(shù)據(jù)分析、過程自動化、優(yōu)化參數(shù)等工作。在Simulink環(huán)境下創(chuàng)建系統(tǒng)仿真模型后，菜單操作方式下可對系統(tǒng)模型進行實時操作，如修改被仿真模塊的參數(shù)、修改離散模
25、塊的采樣時間、用浮空示波器實時觀察任何一點或幾點的動態(tài)波形、在進行一個系統(tǒng)仿真的過程中允許同時打開另一個系統(tǒng)進行處理等。系統(tǒng)仿真之前要對仿真算法、輸出模式等各種仿真參數(shù)進行設(shè)置，可通過“SimulationParameters”菜單命令，利用仿真參數(shù)對話框中的Solver、WorkspaceI/O、Diagnostics、Advanced、Real-TimeWorkshop等5個可以相互切換的標簽頁來實現(xiàn)。,第9章,54,第9章,本章小結(jié),控制系統(tǒng)仿真后的結(jié)果可用Simulink提供的觀察工具查看，還可利用分析工具對仿真結(jié)果進行分析。如通過“Scope”示波器、“XYGraph”圖形顯示器與“Display”數(shù)字顯示器直接查看仿真結(jié)果圖形或數(shù)據(jù)，將結(jié)果輸入到“ToWorkspace”模塊或返回到MATLAB命令窗口里，再利用繪圖命令繪制出圖形。利用Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真可先將結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為用A,B,C,D表達的狀態(tài)空間模型，然后再對模型進行各種仿真。時域分析時，如果要仿真階躍響應(yīng)、斜波響應(yīng)、正弦響應(yīng)等，可以采用Simulink系統(tǒng)模型圖或動態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真；若要仿真脈沖響應(yīng)，則只能采用動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。,55,第9章內(nèi)容到此結(jié)束,謝謝各位!,
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