第八章Simulink交互式仿真

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第 8 章 Simulink交互式仿真

Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。 Simulink有两大特征：一，建模借助鼠标交互实现；二，模型运作以时间流方式进行。所以即使比较熟悉MATLAB工作环境和编程模式的读者，在初入Simulink领地时，也不免感到生疏。为帮助读者亲身跨过Simulink门槛，本章第2节以算例形式对建模的数学基础、基本器件、操作手法、工作平台进行了细节性的描述。就详细程度而言，尤以本章第一个算例为最，初学者切莫跳过。 像MATLAB编程需要函数、子函数、条件分支、循环控制一样，Simulink建模，尤其是创建较复杂的模型，就必须有简装子系统、精装子系统、使能子系统、触发子系统、循环子系统。本章的第3、4、5节就专门阐述这些子系统创建、工作机理、以及应用示例。 从时间角度分，Simulink模型有连续和离散之分。本章除第6节用于专述纯离散系统和采样离散系统建模外，其余章节所涉的内容对连续、离散两种系统都适用。 已建Simulink模型的运行、仿真分析，即可以通过鼠标手工操纵 ，也可以借助一组指令自动操控。鼠标操纵法的特点是：该法只能在Simulink模型窗中实施，参数的设置必须由“人”通过对话窗进行。而指令自动操控法可以摆脱Simulink模型窗，在执行过程中无须人工参与。本章第7节的内容就是为Simulink模型的指令自动操控而设计的。 本章第8节是出于Simulink模型解算的数值问题而编写的。该节还给出了消减仿真模型中“代数环困扰”的具体方法。 就像MATLAB编程中用户常常需要编写“供自己专用的模块化函数”那样，在Simulink建模中，用户也会需要创建一些“供自己专用的模块”，即S函数模块。有关S函数模块的创建在本章的最后一节介绍。 在这引言结束之前，本书读者再次诚恳地建议读者：对待本章的算例，一定要“眼、脑、手”并用，一定要在机器具体运作，切忌停留于“翻阅”。为读者参照需要，本章所有算例中带exm前缀的MDL模型文件和相关的M文件都存放在随书光盘的mfile目录上。

8.1

8.1.1

引导

Simulink模型本质和一般结构

（1）Simulink块图模型的本质

（2） Simulink模型的一般结构

8.1.2

（1）

（2）

（3）

创建块图模型的方法和基本环境

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图 8.1-2 Simulink库浏览器的组成

（4）

（5）

8.2

8.2.1 1

连续系统建模

微分方程建模和积分模块 微分方程块图模型的创建和操作细节

【例8.2-1】在图8.2-1所示的系统中，已知质量m 1kg，阻尼b 2N.sec/m，弹簧系数

(0) 0m/sec，要求创建k 100N/m，且质量块的初始位移x(0) 0.05m，其初始速度x

该系统的Simulink模型，并进行仿真运行。

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图8.2-1 弹簧—质量—阻尼系统

（1）

（2）

（3）

图8.2-2 复制进建模所需的各种库模块后的模型编辑器

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图 8.2-3 常用模块子库的库藏

（4）

（5）

图8.2-4 经模型窗内模块再复制后的模型编辑器

（6）

（7）

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图 8.2-5 经布局和增益模块方向反转的模型草图

（8）

图 8.2-6 完成前馈通路连接的模型草图

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图 8.2-7 完成<Gian>模块的输入输出口信号线的连接

（9）

图8.2-8 改变<Gain>模块的增益

图8.2-9 完成连线和增益设置后的模型窗

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（10）

图 8.2-10 实现初始位移0.05设置的<Integrator1>设置窗

（11）

（12）

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图8.2-11 完全符合题给要求的系统仿真模型

图8.2-12 默认设置下示波器显示的信号曲线

（13）

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图8.2-13 经纵轴范围自动调整后显示的信号曲线

2 创建微分方程的向量化块图模型

【例8.2-2】利用模块的向量处理能力，建立例8.2-1系统的Simulink仿真模型。 （1） （2）

图8.2-13 示波器参数设置对话框

图8.2-14 上显示窗的纵坐标范围设置

（3）

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（4）

图8.2-15 利用库模块处理向量信号的能力构件的仿真模型

图8.2-16 exm080202.mdl运行后显示的曲线

（5）

（6）

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图8.2-17 在仿真参数配置窗中把最大步长修改为0.14

3 积分模块

(a)

图8.2-18 积分模块的默认外形和最多端口外形

(b)

（1）

（2）

8.2.2 1

状态空间建模 状态空间模块及其建模应用

图8.2-19 状态空间库模块的图标

【例8.2-3】在图8.2-20所示的倒立摆（Inverted Pendulum）系统中，定义状态变量

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, x x, x x ，输出量y1 , y2 x。输入量由u Kx全状态反馈产x1 , x2 34

生，倒立摆系统的动态由式（8.2-9）的状态方程（State Equation）描述。试用Simulnk块图模型研究该系统在x(0) 0.10

00 初始条件下的动态响应。

T

图 8.2-20 倒立摆示意图

Ax Bu x

y Cx

u Kx

（8.2-9）

0 1

1000 其中，，B ，C ， 0 0010

0.5

K 298.1504 60.6972 163.0989 73.3945 。

（1）

0

20.601A

0

0.4905

10000000

0 0 1 0

图8.2-21 用状态空间模块构建的解题模型

（2）

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图 8.2-22 状态空间模块参数设置对话窗

（3）

图8.2-23 倒立摆的摆角和小车位移的动态曲线

2

（1）

模型内存和模型浏览器

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图8.2-24 模型浏览器和模型内存

（2）

【例8.2-4】基于式（8.2-14），借助状态空间<State-Space>模块构建例8.2-3倒立摆系统的解题模型（参见图8.2-21）。

（1

）

图 8.2-25 据式（8.2-14）构造的解题模型

（2）

（3）

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图 8.2-26 选中“模型内存”节点形成的操控区

（4）

8.2.3 1

传递函数建模及模型内存的操控 单位脉冲信号的近似实现

（1）近似单位脉冲的设计准则

（2）借助阶跃函数合成近似单位脉冲 （3）借助脉冲发生器生成近似单位脉冲

2 传递函数模块和非零初始系统建模

图8.2-27 传递函数库模块的图标

【例8.2-5】已知图8.2-1所示弹簧—质量—阻尼系统中，质量m 1kg，阻尼b 2N.sec/m，

(0) 0.5m/sec，方弹簧系数k 100N/m，质量块的初始位移x(0) 0.05m，初始速度x

向与位移一致的外力f(t) fau(t) 10u(t)，u(t)是单位阶跃函数。要求创建该系统的Simulink模型，并进行仿真运行。

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图8.2-28 借助传递函数模块构建的模型

（1）根据物理规律建立理论传递函数模型

（2）构建图8.2-28所示Simulink传递函数模型的关键步骤

（3）仿真运行

图8.2-29 在外力作用下质量块的位移曲线

8.3

8.3.1

子系统和分层模型

创建简装子系统的套装法

4

【例8.3-1】图8.3-1所示的硬盘（Hard Disks）是电脑中最重要的存储设备之一。工作时，读写头（Read-Write Head）在（10圈/分）高速旋转的磁盘（Disk）上飞行（Fly），读写头与磁盘的距离在10纳米数量级。读写头装在读写臂（Arm）上。读写臂由两部分组成：根部由刚性材料制成，而顶部则由弹性簿片构造。读写臂由音圈电机（Voice Coil Motor）驱动。音圈电机是永磁电机，其力矩采用电枢控制（Armature-Controlled）。读写头从磁道a运动到磁道b的时间在10~10毫秒数量级，且定位精度要小于1微米。为使驱动装置满足以上性能要求，采用如图8.3-2所示的闭环控制系统。

1

2

2

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图8.3-1 硬盘驱动结构示意

图8.3-2 硬盘驱动闭环控制系统示意

（1）

（2）

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图8.3-3 驱动闭环控制系统仿真模型exm080301.mdl

（3）

（4）

（5）

图8.3-4 读写头的响应曲线

【例8.3-2】以exm080301.mdl为基础，为“硬盘驱动器闭环控制系统”构建一个如图8.3-7所示的分层仿真模型。 （1）

（2）

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图 8.3-5 第一个子系统生成后的中间模型

（3）

图 8.3-6 由三个子系统构成的驱动控制系统分层仿真模型

（4）

图 8.3-7 经重新布局和标识后的顶层模型exm080302_1.mdl

（5）

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图 8.3-8 经整理和重新标识后的<PID_Controller>子系统

（6）

图 8.3-9 模块名称重新标识后的<Voice Coil Motor>子系统

图 8.3-10 模块名称重新标识后的<Read-Write Arm & Head>子系统

（7）保存模型并运行仿真

8.3.2 创建简装子系统的容器法

【例8.3-3】问题目标与例8.3-2相同，即为“硬盘驱动器闭环控制系统”建立一个与exm080302_1.mdl完全相同的Simulink分层模型（参见图8.3-7）。 （1）

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图 8.3-11 硬盘驱动系统不同功能块概念性框图

（2）

图 8.3-12 新建顶层模型中的库模块布置

（3）“装入”PID 控制器 （4）“装入”音圈电机模型 （5）装入读写臂转动模型 （6） （7） （8）

8.3.3 精装子系统和装帧编辑器

（1） （2）

【例8.3-4】以例8.3-3 的exm080303.mdl模型为基础，制作如图8.3-13所示的闭环控制模型。在该块图模型有以下特点：

图8.3-13 含精装硬盘驱动子系统的闭环控制模型

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zzv1.html