《過(guò)程控制工程及仿真－－基于matlabsimulink》

1、《過(guò)程控制工程及仿真－－基于MATLAB/Simulink》電子工業(yè)出版社 出版 2009.4,作者：郭陽(yáng)寬 王正林聯(lián)系郵箱：wa_2003@126.com,2.1 Simulink仿真概述2.2 Simulink仿真模型及仿真過(guò)程2.3 Simulink模塊的處理2.4 Simulink仿真設(shè)置2.5 Simulink仿真舉例2.6 本章小結(jié)習(xí)題與思考,第 2章 Simulink仿真基礎(chǔ),內(nèi)容提要,S

2、imulink的出現(xiàn)給控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)帶來(lái)了福音。它有兩個(gè)主要功能：Simu（仿真）和Link（連接），即該軟件可以利用鼠標(biāo)在模型窗口上搭建出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。在實(shí)際工程中，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，如果不借助專用的系統(tǒng)建模軟件，很難準(zhǔn)確地把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真，可見(jiàn)，熟練掌握Simulink是從事過(guò)程控制方面的工作所必須的。通過(guò)本章，讀者能對(duì)Simulink的

3、基本模塊和功能有一個(gè)全面了解，并能熟悉Simulink的基本操作，為使用Simulink進(jìn)行過(guò)程控制系統(tǒng)仿真打下基礎(chǔ)。,2.1 Simulink仿真概述,2.1.1 Simulink的啟動(dòng)與退出，一種是啟動(dòng)MATLAB后，單擊MATLAB主窗口的快捷按鈕 來(lái)打開(kāi)“Simulink Library Browser”窗口另一種是在MATLAB命令窗口中輸入“Simulink”，在桌面上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)名為“Simulink Librar

4、y Browser”的窗口，在這個(gè)窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。然后在MATLAB命令窗口中輸入“simulink3”，將在桌面上出現(xiàn)一個(gè)用圖標(biāo)形式顯示的“Library :simulink3”的Simulink模塊庫(kù)窗口。,2.1.2 Simulink模塊庫(kù),Simulink模塊庫(kù)按功能分為以下16類子模塊庫(kù)：（1）Commonly Used Blocks：仿真常用模塊庫(kù)（2）Continuous：連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)（3

5、）Discontinuities：非線性系統(tǒng)模塊庫(kù)（4）Discrete：離散系統(tǒng)模塊庫(kù)（5）Logic and Bit Operations：邏輯運(yùn)算和位運(yùn)算模塊庫(kù)（6）Lookup Tables：查找表模塊庫(kù)（7）Math Operations：數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫(kù)（8）Model Verification：模型驗(yàn)證模塊庫(kù)（9）Model-Wide Utilities：進(jìn)行模型擴(kuò)充的實(shí)用模塊庫(kù)（10）Ports &

6、Subsystems：端口和子系統(tǒng)模塊庫(kù)（11）Signals Attributes：信號(hào)屬性模塊庫(kù)（12）Signals Routing：提供用于輸入、輸出和控制的相關(guān)信號(hào)及相關(guān)處理的模塊庫(kù)（13）Sinks：仿真接收模塊庫(kù)（14）Sources：仿真輸入源模塊庫(kù)（15）User-defined Functions：用戶自定義函數(shù)模塊庫(kù)（16）Additional Math &Discrete：附加的數(shù)學(xué)和離散模塊

7、庫(kù),過(guò)程控制系統(tǒng)仿真中常用的模塊,（1）信號(hào)源部分模塊（2）連續(xù)系統(tǒng)模塊（3）數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊（4）非線性系統(tǒng)模塊（5）離散系統(tǒng)模塊（6）輸出顯示部分模塊,2.2 Simulink仿真模型及仿真過(guò)程,一個(gè)典型的Simulink仿真模型由以下三種類型的模塊構(gòu)成：1．信號(hào)源模塊：信號(hào)源為系統(tǒng)的輸入，它包括常數(shù)信號(hào)源、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（如正弦波和階躍函數(shù)等）和用戶自己在MATLAB中創(chuàng)建的自定義信號(hào)。2．被模擬的系統(tǒng)模塊：系統(tǒng)模塊作

8、為仿真的中心模塊，它是Simulink仿真建模所要解決的主要問(wèn)題。3．輸出顯示模塊：系統(tǒng)的輸出由顯示模塊接收。輸出顯示的形式包括圖形顯示、示波器顯示和輸出到文件或MATLAB工作空間中三種，輸出模塊主要在Sinks 庫(kù)中。Simulink仿真模型的基本特點(diǎn)可歸納如下：Simulink里提供了許多如Scope（示波器）的接收模塊，這使得用Simulink進(jìn)行仿真具有像做實(shí)驗(yàn)一般的圖形化顯示效果。Simulink的模型具有層次性，通

9、過(guò)底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)。Simulink提供了對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行封裝的功能，用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標(biāo)和設(shè)置參數(shù)對(duì)話框。,,2.2.2 Simulink仿真的基本過(guò)程,1．打開(kāi)一個(gè)空白的Simulink模型窗口。2．進(jìn)入Simulink模塊庫(kù)瀏覽界面，將相應(yīng)模塊庫(kù)中所需的模塊拖到編輯窗口里。3．按照給定的框圖修改編輯窗口中模塊的參數(shù)。4．將各個(gè)模塊按給定的框圖連接起來(lái)，搭建所需要的系統(tǒng)模型。5．用菜單或在命令窗口鍵入命令進(jìn)

10、行仿真分析，在仿真的同時(shí)，可以觀察仿真結(jié)果，如果發(fā)現(xiàn)有不正確的地方，可以停止仿真，對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正。6．如果對(duì)結(jié)果滿意，可以保存模型。,,舉例：將一正弦信號(hào)輸出到示波器中,,2.3 Simulink模塊的處理,2.3.1 Simulink模塊參數(shù)設(shè)置,圖2.8 功能模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框,,圖2.10 示波器屬性對(duì)話框,2.3.2 Simulink模塊基本操作,,1．模塊選取（1）選取單個(gè)模塊；（2）選取多個(gè)模塊；2．模塊復(fù)

11、制（1）在同一窗口內(nèi)復(fù)制（2）在不同的窗口之間復(fù)制3．模塊刪除選中模塊，按Delete鍵即可。刪除多個(gè)模塊，可以同時(shí)按住Shift鍵，再用鼠標(biāo)選中多個(gè)模塊，再按Delete鍵；4．模塊外形的調(diào)整（1）改變大?。?）轉(zhuǎn)向（3）給模塊加陰影5．模塊名的處理（1）是否顯示模塊名（2）修改模塊名（3）改變模塊名的位置6．模塊顏色設(shè)定【Format】菜單中的【Foreground Color】可以改變模塊的前景顏色，

12、【Background Color】可以改變模塊的背景顏色，而模型窗口的顏色可以通過(guò)【Screen Color】來(lái)改變。7．模塊屬性設(shè)定選中模塊，打開(kāi)【Edit】>【Block Properties】可以對(duì)模塊進(jìn)行屬性設(shè)定，包括對(duì)Description、Priority、Tag、Open function、Attributes format string等屬性的設(shè)定。,2.3.3 Simulink模塊連接,1．模塊間連線在

13、模塊間連線，有以下幾種情況：（1）連接兩個(gè)模塊（2）模塊間連線的調(diào)整（3）在連線之間插入模塊（4）連線的分支2．在連線上標(biāo)示信息在連線上標(biāo)示的信息包括表示向量、顯示數(shù)據(jù)類型和標(biāo)記等。（1）標(biāo)示向量（2）顯示數(shù)據(jù)類型（3）信號(hào)標(biāo)記,,2.4 Simulink仿真設(shè)置,單擊【Simulation】菜單下面的【Configuration Parameters】項(xiàng)或者直接按快捷鍵“Ctrl+E”，便彈出設(shè)置界面包括仿真器參

14、數(shù)設(shè)置、工作空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出（Data Import/Export）設(shè)置等。下面對(duì)控制系統(tǒng)仿真中常用的仿真設(shè)置進(jìn)行介紹。,,,圖2.11 Simulink設(shè)置窗口,2.4.1 仿真器參數(shù)設(shè)置,仿真器參數(shù)設(shè)置可用于選擇仿真開(kāi)始時(shí)間、仿真結(jié)束時(shí)間、解法器及輸出項(xiàng)等。對(duì)于一般的仿真，使用默認(rèn)設(shè)置即可。1．仿真時(shí)間（Simulation time）設(shè)置需要設(shè)置的有仿真開(kāi)始時(shí)間（Start time）和仿真結(jié)束時(shí)間（Stop time）

15、。2．仿真步長(zhǎng)模式設(shè)置可供選擇的有“Variable-step”（變步長(zhǎng)）和“Fixed-step”（固定步長(zhǎng)）方式。3．解法器設(shè)置用戶在“Solver”后面的下拉選項(xiàng)中可以選擇變步長(zhǎng)模式解法器或固定步長(zhǎng)模式解法器。變步長(zhǎng)模式解法器有：discrete、ode45、ode23、ode113、ode15s、ode23s、ode23t和ode23tb。4．變步長(zhǎng)的參數(shù)設(shè)置對(duì)于變步長(zhǎng)模式，用戶常用的設(shè)置有：最大和最小步長(zhǎng)參數(shù)、相對(duì)

16、誤差和絕對(duì)誤差、初始步長(zhǎng)以及過(guò)零控制。默認(rèn)情況下，步長(zhǎng)自動(dòng)確定，用auto值表示。5．固定步長(zhǎng)的參數(shù)設(shè)置對(duì)于固定步長(zhǎng)模式，用戶常用的設(shè)置有：（1）Multitasking模式；（2）Singletasking模式；（3）Auto模式,,,2.4.2 工作空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出設(shè)置,工作空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出（Data Import/Export）設(shè)置主要在Simulink與MATLAB工作空間交換數(shù)值時(shí)進(jìn)行有關(guān)選項(xiàng)設(shè)置，可以設(shè)置以下三個(gè)選

17、擇項(xiàng)。（1）Load from workspace：選中前面的復(fù)選框即可從MATLAB工作空間獲取時(shí)間和輸入變量，一般時(shí)間變量定義為t，輸入變量定義為u。（2）Save to workspace：用來(lái)設(shè)置保存在MATLAB工作空間的變量類型和變量名。（3）Save options：用來(lái)設(shè)置存往工作空間的有關(guān)選項(xiàng)。,,,2.5 Simulink仿真舉例,使用Simulink仿真的基本過(guò)程如下：（1）啟動(dòng)Simulink并打開(kāi)模型

18、編輯窗口；（2）將所需模塊添加到模型中；（3）設(shè)置模塊參數(shù)，并連接各個(gè)模塊組成仿真模型；（4）設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)；（5）開(kāi)始系統(tǒng)仿真；（6）觀察仿真結(jié)果。,,Simulink仿真舉例（續(xù)）,,2.6 本章小結(jié),Simulink是一個(gè)非常友好的仿真工具，入門簡(jiǎn)單、使用方便。了解Simulink的構(gòu)成，掌握Simulink的基本操作，是使用Simulink進(jìn)行過(guò)程控制系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)。本章只介紹了Simulink最常用、最具有代表