控制系统仿真与CAD chapter 5

第5 章 Simulink 在系统仿真中的应用

薛定宇 著《控制系统计算机辅助设计—MATLAB 语言与应用》第二版，清华大学出版社 2006 CAI课件开发：鄂大志 、薛定宇控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用 (第二版) 东北大学信息学院

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主要内容Simulink 建模的基础知识 Simulink 建模与仿真 非线性系统分析与仿真 子系统与模块封装技术 M-函数、S-函数编写及其应用 本章要点小结 2015-3-4控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用 (第二版) 东北大学信息学院

5.1 Simulink 建模的基础知识Simulink 简介 Simulink 下常用模块简介 Simulink 下其他工具箱的模块组 2015-3-4控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用 (第二版) 东北大学信息学院

5.1.1

Simulink 简介

控制系统仿真研究的一种很常见的要求是通过计 算机得出系统在某信号驱动下的时间响应，从中得 出期望的结论。 对线性系统来说，可以按照第4章介绍的方法， 对于更复杂的系统来说，Simulink 环境就是解决这 样问题的理想工具，它提供了各种各样的模块，允 许用户用框图的形式搭建起任意复杂的系统，从而 对之进行准确的仿真。2015-3-4控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用 (第二版) 东北大学信息学院

输入 open_system (‘ simulink ’) 命令将打开模型 库，库中还有下一级的模块组，如连续模块组、 离散模块组和输入输出模块组等，用户可以用双 击的方式打开下一级的模块组，寻找及使用所需 要的模块。 单击 MATLAB 命令窗口工具栏中的Simulink 图 标，也可以打开 Simulink 模块浏览器窗口。

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5.1.2 Simulink 下常用模块简介1. 输入模块组 Sources 2. 输出池模块组 sbf Sinks 3. 连续系统模块组 Continuous 4. 离散系统模块组 Discrete 5. 非线性模块组 Discontinuities 6. 数学函数模块组 Math Operations 7. 查表模组块 Look-up Tables 8. 用户自定义函数模块组 User-defined Functions 9. 信号模块组 Signal Routing 10. 信号属性模块组 Signal Attributes2015-3-4控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用 (第二版) 东北大学信息学院

5.1.3 Simulink 下其他工具箱的模块组除了上述的各个标准模块组之外，随着 MATLAB 工具箱安装的不同，还有若干工 具箱模块组和模块集 ( blockset ) ,其他模 块组如下图所示。控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用 (第二版) 东北大学信息学院

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5.2 Simulink 建模与仿真Simulink 建模方法简介 仿真

算法与控制参数选择 Simulink 在控制系统仿真研究中的应 用举例 2015-3-4控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用 (第二版) 东北大学信息学院

5.2.1 Simulink 建模方法简介【例5-1】考虑图5-16中给出的典型非线性反馈系 统框图，其中控制器为 PI 控制器，其模型为:

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由于系统中含有非线性环节，所以这样的系 统不能用第 4 章中给出的线性系统方法进行精确 仿真，而建立起系统的微分方程模型，用第 2 章 中介绍的方法去求解也是件很烦琐的事，如果哪 步出现问题，则仿真结果就可能出现错误。图 516:

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Simulink 是解决这样问题的最有效的 方法，可以用下面的步骤搭建此系统的仿 真模型：

打开模型编辑窗口； 复制相关模块； 修改模块参数； 模块连接； 系统仿真研究。控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用 (第二版) 东北大学信息学院

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5.2.2 仿真算法与控制参数选择选中 Simulink 模型窗口的 Simulation 菜单项， 其中的 Configuration Parameters 菜单项允许用户设 置 仿真控制参数：

Start time 和 Stop time 栏目分别允许用户填写仿 真的起始时间和结束时间。控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用 (第二版) 东北大学信息学院

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Solver options 的 Type 栏目有两个选项，允许用 户选择定步长和变步长算法。

仿真精度控制有 Relative Tolerance 选项、 Absolute Tolerance 等，其中相对误差限的默认值 设置为 1e-3,该值在实际仿真中显得偏大，建议 选择 1e-6 和 1e-7。值得指出的是，由于采用的变 步长仿真算法，所以将误差限设置到这样小的值 也不会增加太大的运算量。控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用 (第二版) 东北大学信息学院

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在仿真时还可以选定最大允许的步长和最小允许的 步长，这可以通过填写 Max step size 栏目和 Min step size 的值来实现，如果变步长选择的步长超过 这个限制则将弹出警告对话框。 一些警告信息和警告级别的设置可以从其中的 Diagnostics 标签下的对话框来实现，具体方法在 这里就不赘述了。

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除了用 Simulation 菜单启动系统仿真的进程外， 还可以调用 sim( ) 函数来进行仿真分析，该函数 的调用格式为:

仿真控制参数 options 可以通过 simset( ) 函数 来设置，其调用格式为:

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5.2.3 Simulink 在控制系统 仿真研究中的应用举例【例5-2】非线性微分方程的框图求解 考虑例234中给出的 方程，其数学表达式为:

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这样的微分方程在 Simulink 下也可以搭建相应 的仿真模型，从而进行仿真。如下图所示：

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这样用下面的语句就可以绘制出各个状态变量 的时间响应曲线，如图

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